수학·컴퓨터

무한에도 크기가 있다, 칸토어의 대각선 논법

자연수의 개수와 짝수의 개수는 같지만, 실수의 개수는 자연수보다 많다. 하나씩 짝을 지어 세는 방법으로 무한의 크기를 비교한 칸토어의 생각을 따라간다.

편집부 · 2026년 10월 21일 · 읽는 데 4분

끝없이 이어지는 숫자 격자 위에 대각선 하나가 강조된 그림
끝없이 이어지는 숫자 격자 위에 대각선 하나가 강조된 그림

무한에도 크기의 차이가 있다. 19세기 독일의 수학자 게오르크 칸토어는 두 무한집합의 원소를 하나씩 빠짐없이 짝지을 수 있으면 크기가 같다고 정의했다. 이 기준으로 보면 자연수와 짝수, 자연수와 분수는 크기가 같다. 그러나 실수는 어떤 방법으로도 자연수와 짝을 다 지을 수 없어서, 자연수보다 큰 무한이다. 이를 보인 방법이 대각선 논법이다.

세지 않고 크기를 비교하는 법

강당에 의자와 사람이 몇 명인지 세지 않아도 둘 중 어느 쪽이 많은지 알 수 있다. 모두에게 의자 하나씩 앉으라고 하면 된다. 빈 의자가 남지도 않고 서 있는 사람도 없으면 둘의 수는 같다. 칸토어는 이 생각을 무한집합에 그대로 적용했다. 두 집합의 원소를 하나도 남기지 않고 일대일로 짝지을 수 있으면 두 집합의 크기, 곧 농도가 같다고 본다.

이 기준은 처음 들으면 이상한 결과를 낳는다. 자연수 1, 2, 3, 4…와 짝수 2, 4, 6, 8…은 n과 2n을 짝지으면 남는 것 없이 대응한다. 짝수는 자연수의 일부인데도 크기가 같다. 부분이 전체와 크기가 같을 수 있다는 것이 무한집합의 특징이다.

분수도 줄을 세울 수 있다

분수는 자연수보다 훨씬 많아 보인다. 0과 1 사이에만 해도 분수가 끝없이 있기 때문이다. 그런데 분수도 한 줄로 세울 수 있다. 분자와 분모를 가로세로로 놓은 표를 만들고, 분자와 분모의 합이 2인 것, 3인 것, 4인 것 순서로 비스듬히 훑어 나가면 모든 분수가 언젠가 한 번씩 차례에 나온다. 줄을 세울 수 있다는 것은 자연수와 짝을 지을 수 있다는 뜻이다. 이렇게 자연수와 크기가 같은 무한을 셀 수 있는 무한이라고 부른다.

가로세로로 놓인 분수 표를 비스듬히 훑어 가는 모습

줄 세우기에 반드시 빠지는 수

실수는 사정이 다르다. 칸토어는 1891년 발표한 논증에서, 0과 1 사이의 실수를 한 줄로 세웠다고 가정하면 모순이 생긴다는 것을 보였다. 줄의 첫 번째 수, 두 번째 수, 세 번째 수를 무한소수로 적어 위아래로 늘어놓는다. 이제 새로운 수를 하나 만든다. 첫째 자리는 첫 번째 수의 첫째 자리와 다른 숫자로, 둘째 자리는 두 번째 수의 둘째 자리와 다른 숫자로 고른다. 이렇게 표의 대각선을 따라 숫자를 하나씩 바꿔 나간다.

이렇게 만든 수는 첫 번째 수와 첫째 자리가 다르고, 두 번째 수와 둘째 자리가 다르며, n번째 수와 n번째 자리가 다르다. 따라서 줄에 있는 어떤 수와도 같지 않다. 모든 실수를 줄 세웠다고 했는데 줄에 없는 실수가 생긴 것이다. 그러므로 실수 전체를 자연수와 짝짓는 일은 불가능하다. 0.0999…와 0.1000…처럼 표기가 두 가지인 수가 끼어드는 것을 막으려고, 바꿀 숫자로 0과 9를 쓰지 않는 등의 세부 조건을 붙이면 논증은 빈틈없이 성립한다.

무한 위에 또 무한

대각선 논법은 실수에서 멈추지 않는다. 어떤 집합이든 그 집합의 부분집합을 모두 모은 집합은 원래 집합보다 항상 크다. 이를 칸토어의 정리라고 한다. 자연수의 부분집합을 모은 집합은 자연수보다 크고, 그것의 부분집합을 모은 집합은 또 더 크다. 가장 큰 무한은 존재하지 않는다.

이 결과는 당시 많은 수학자에게 거부감을 주었다. 무한을 하나의 완성된 대상으로 다루는 것 자체를 받아들이지 않는 수학자도 있었다. 그러나 다비트 힐베르트는 칸토어가 만든 세계를 두고 "누구도 우리를 그 낙원에서 쫓아낼 수 없다"고 말했고, 집합론은 이후 현대 수학의 바탕이 되었다. 대각선 논법의 생각은 뒤에 컴퓨터가 풀 수 없는 문제가 있다는 증명에도 그대로 쓰였다.

대각선 논법이 보여 주는 또 하나의 사실은 셀 수 있는 수가 실수 가운데 아주 드물다는 점이다. 분수처럼 정해진 방법으로 적을 수 있는 수는 모두 모아도 셀 수 있는 무한에 그친다. 그러니 수직선 위에서 아무 점이나 하나 고르면, 그 점이 분수일 가능성은 0이다. 우리가 이름을 붙이고 계산하는 수는 실수라는 바다에 떠 있는 작은 섬들인 셈이다.

끝없는 수직선 위에 드문드문 표시된 점들

풀리지 않는 질문 하나

자연수보다 크고 실수보다 작은 무한이 있을까. 칸토어는 그런 무한이 없다고 믿었고 이를 연속체 가설이라고 불렀지만 끝내 증명하지 못했다. 20세기에 쿠르트 괴델과 폴 코언의 연구로, 이 가설은 지금 수학이 받아들이는 기본 공리만으로는 참이라고도 거짓이라고도 증명할 수 없다는 사실이 밝혀졌다. 새로운 공리를 더해 이 질문에 답해야 하는지, 답이 없는 질문으로 남겨 두어야 하는지를 두고 수학자들의 생각은 아직 갈려 있다.

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