집합론에서 강제법(强制法, 영어: forcing)은 특정한 조건을 만족시키는 집합론 모형을 정의하는 방법이다.[1][2][3][4]
강제법은 주어진 집합론의 모형에 새로운 집합을 추가함으로써 새로운 모형을 만드는 과정이다. 가령, 연속체 가설의 부정이 충족되는 모형을 만드려는 경우를 고려하자. 이면 연속체 가설이 거짓이므로, 자연수 집합 의 부분 집합을 충분히 많이 추가해서 새로운 모형을 만듦으로써 연속체 가설이 성립하지 않게 만드는 것을 생각할 수 있다. 강제법은 그러한 모형을 만드는 것을 가능하게 해 준다.
강제법에 대하여 파트리크 드오르누아(프랑스어: Patrick Dehornoy)는 다음과 같이 비유하였다.
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집합론의 강제법 확장은 마치 체론의 대수적 확대에 비유할 수 있다. 두 경우 모두 공통적인 목표는 주어진 구조를 확장하되, 확장된 구조의 성질이 원래 구조 속에서 제어될 수 있게 하는 것이다. 대수적 확대의 경우, 확대체의 원소는 원래 체의 원소를 계수로 하는 다항식으로 묘사된다. 마찬가지로, 강제법 확장의 경우, […] 원소들은 원래 모형에 등장하는 매개 변수들로 쓸 수 있는 항들로 묘사된다. [On peut] imaginer les extensions par forcing en théorie des ensembles comme analogues aux extensions algébriques en théorie des corps: dans les deux cas, il s’agit de construire une extension de la structure de départ dont les propriétés soient contrôlées de l’intérieur de celle-ci. Dans les extensions algébriques, les éléments de l’extension sont décrits par des polynômes à coefficients dans le corps de base; de même, dans une extension par forcing […] les éléments dont décrits par des termes dont les paramètres appartiennent au modèle de base.
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이 추이적 집합이라고 하자. 또한, 임의의 집합 및 그 부분 집합 가 주어졌다고 하자. 그렇다면
을 정의하자. 이는 에서 -해석할 수 있는 -이름들의 집합이다.
그렇다면 강제법 언어 는 집합론의 1차 논리 언어 에 의 원소들을 상수(0항 연산)로 추가한 1차 논리 언어이다.
임의의 원소 에 대하여, 이름
를 정의하자.[6]:239, Exercise VIII(B2) 이는 의 이름이라고 한다.
집합 와 그 부분 집합 및 추이적 집합 이 주어졌다고 하자. 그렇다면, 의 추이적 모형 를 다음과 같이 정의하자.
- 집합으로서, 는 에 속하는 이름들의 해석들이다.
- 의 해석은 외적인 개념과 같다.
- 에서, 상수 의 해석은 이다.
이에 대하여 케네스 쿠넌은 다음과 같이 적었다.
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대략, 이것[]은에서 정의 가능한 집합론적 과정을 에 적용하여 구성할 수 있는 모든 집합들의 집합이다. 의 각 원소들은 속의 이름을 가지며, 이는 이것이 어떻게 로부터 구성되었는지를 가리킨다. […] 속에 사는 사람들은 의 원소의 이름 를 이해할 수 있다. 그러나 이들은 이름 가 명명하는 대상 를 일반적으로 결정하지 못한다. 이는 의 이해는 에 대한 지식을 필요로 하기 때문이다.
Roughly, this [] will be the set of all sets which can be constructed from by applying set-theoretic processes definable in . Each element of will have a name in , which tells how it has been constructed from . […] People living within will be able to comprehend a name, , for an object in , but they will not in general be able to decide the object, , that names, since this will require a knowledge of .
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다음과 같은 데이터가 주어졌다고 하자.
- 추이적 집합
- 원순서 집합 및 그 부분 집합 . 대략, 라면 가 보다 "더 많은 정보를 제공한다"고 여긴다.
- 강제법 언어 의 1차 논리 문장
- 원소 . 이를 강제 조건(영어: forcing condition)이라고 한다.
그렇다면, 다음과 같은 관계를 정의하자.[6]
여기서 는 에 속하는 의 모든 공종 집합들의 족 에 대하여 모든 -포괄적 순서 아이디얼들의 집합이다.
또한, 다음과 같은 관계
를 재귀적으로 정의하자.[6]:195–196, Definition VII.3.3 (여기서 는 임의의 두 -이름이다.)
집합 와 그 부분 집합 및 추이적 집합 이 주어졌다고 하자. 그렇다면,
이다. 만약 이라면
은 단사 함수이며, 만약 추가로 이라면
이다. 따라서, 이라면 이다.
또한, 만약 일 때, -이름
을 생각하면
이다. 따라서, 이 경우 이다.
만약 이 추가로 ZFC의 추이적 모형이라고 하자. 그렇다면, 다음이 성립한다.[6]:189, Lemma VII.2.9[7]:361, §4
- 임의의 에 대하여, 만약 역시 ZFC의 추이적 모형이며 라면, 이다.
즉, 는 와 을 포함하는 최소의 ZFC 추이적 모형이다.
이에 대하여 티머시 이청 차우(영어: Timothy Yi-Chung Chow)는 다음과 같이 적었다.
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강제법의 기본 정리에 따르면, 매우 일반적인 조건 아래, ZFC 공리들을 만족시키는 수학적 구조 에 새 원소 를 추가하여, ZFC를 여전히 만족시키는 더 큰 구조 를 만들 수 있다. 개념적으로, 이 과정은 환 에 새 원소 를 추가하여 더 큰 환 를 만드는 과정에 비유할 수 있다. 그러나 의 구성이 훨씬 더 복잡한 이유는 ZFC의 공리계가 환의 공리계보다 훨씬 더 복잡하기 때문이다. The fundamental theorem of forcing is that, under very general conditions, one can indeed start with a mathematical structure that satisfies the ZFC axioms, and enlarge it by adjoining a new element to obtain a new structure that also satisfies ZFC. Conceptually, this process is analogous to the process of adjoining a new element to, say, a given ring to obtain a larger ring . However, the construction of is a lot more complicated because the axioms of ZFC are more complicated than the axioms for a ring.
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이 ZFC의 추이적 모형이며, 이며, 가 위의 포괄적 순서 아이디얼이라고 하자.
그렇다면 다음을 보일 수 있다. 의 (자유 변수가 없는) 명제 에 대하여,
- .[6]:200, Theorem VII.3.6(2) 즉, 에서 어떤 명제가 참이려면, 그러할 이유(즉, 명제를 강제하는 )가 존재해야 한다.
- (내적 정의 가능성) 임의의 문장 에 대하여, [6]:200, Theorem VII.3.6(1)
- (일관성) 는 순서 보존 함수 를 정의한다.[6]:194, Lemma 3.2(a) 즉, 이며 라면 이다.
이 핵심적인 성질들을 사용하여 각종 성질을 만족시키는 강제법 모형을 구성할 수 있다.
이에 대하여 케네스 쿠넌은 다음과 같이 설명하였다.
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에 사는 사람들은 속에서 -포괄적 를 구성할 수 없다. 이들은 신앙으로서 그들의 세계 이 가산적으로 보이는 존재가 존재한다는 것을 믿을 수 있다. 이러한 존재에게는 포괄적 가 존재한다. 에 사는 사람들은 와 가 무엇인지 알지 못하지만, 이들의 이름이 무엇인지는 알고 있다. 또한, 이들은 와 가 만족시키는 일부 성질들을 알아낼 수 있다. 보다 일반적으로, 이들은 소위 강제법 언어 — 즉, 강제법 언어의 문장 는 의 이름들을 사용한다 —를 사용하여 에 대한 뭔가를 말할 수 있다. 에 사는 사람은 주어진 가 에서 참인지 알지 못할 수 있다. 에서 가 참인지, 거짓인지 여부는 일반적으로 에 의존한다. People living in cannot construct a which is -generic over . They may believe on faith that there exists a being to whom their universe, , is countable. Such a being will have a generic and an . The people in do not know what and are but they have names for them […]. They may also […] figure out certain properties of and . […] More generally, they can construct a forcing language, where a sentence of the forcing language uses the names in to assert something about […]. The person in may not know whether a given is true in . The truth or falsity of in will in general depend on .
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순서수의 개념은 절대적이다. 즉, 모형 속의 순서수의 개념은 모형 밖의 순서수의 개념과 일치한다. 그러나 기수의 개념(즉, 어떤 순서수가 기수인지 여부)은 절대적이지 않으며, 모형 의 기수가 에서는 기수가 아닌 순서수일 수 있다.
ZFC의 추이적 모형 및 및 위의 원순서 가 주어졌다고 하자. 만약 다음 조건이 성립한다면, 가 의 기수를 보존한다(영어: preserves cardinals of )고 한다.[6]:206, Definition VII.5.6
- 임의의 포괄적 순서 아이디얼 및 순서수 에 대하여, 이다.
만약 다음 조건이 성립한다면, 가 의 공종도를 보존한다(영어: preserves cofinalities in )고 한다.[6]:206, Definition VII.5.6
- 임의의 포괄적 순서 아이디얼 및 두 순서수 에 대하여, 이다. (여기서 는 순서수의 공종도를 뜻한다.)
그렇다면, 임의의 에 대하여 다음과 같은 함의 관계가 성립한다.[6]:207, Lemma VII.5.8, Theorem VII.5.10
- ((는 가산 강상향 반사슬 조건을 만족시킨다)) ⇒ 는 의 공종도를 보존한다 ⇒ 는 의 기수를 보존한다
라고 하자. 여기서 은 단위 구간 위의, 르베그 측도가 양수인 보렐 집합들의 집합족이다. 는 최소 원소 을 갖는 부분 순서 집합이다.
이 경우, 포괄적 필터 는 속의 필터 기저로서 어떤 실수 로 수렴하게 된다.
이 경우, 는 무작위 강제법(영어: random forcing)이라고 한다.
기수 에 대하여, 가 정의역의 크기가 미만인 부분 정의 함수 들의 부분 순서 집합이라고 하자. 그렇다면, 이 부분 순서 집합에 대한 강제법을 코언 강제법(영어: Cohen forcing)이라고 하며, 이를 사용하여 연속체 가설의 독립성을 보일 수 있다.
강제법을 사용하여, 집합론의 여러 명제들이 체르멜로-프렝켈 집합론과 독립적이라는 것을 보일 수 있다. 연속체 가설이나 구성 가능성 공리가 그 대표적인 예이다. 또한 강제법과 내부 모형을 이용하면 선택 공리의 독립성 또한 보일 수 있다.
계산 가능성 이론에서도 강제법이 응용된다.
폴 코언이 ZFC에서 연속체 가설의 독립성을 증명하기 위해 1963년에 도입하였다.[8][9][10][11][12] 코언이 사용한 기법은 구성 가능 위계를 핵심적으로 사용하였고, 오늘날 분기 강제법(分岐強制法, 영어: ramified forcing)이라고 불린다.
이후 데이나 스콧과 로버트 솔로베이가 완비 불 대수를 사용하여 구성 가능 위계를 사용하지 않는 기법을 개발하였으나, 출판하지 않았다.[13]:163, §7 이 기법은 조지프 로버트 숀필드가 정리하여 비분기 강제법(非分岐強制法, 영어: unramified forcing)이라는 이름으로 1971년에 출판하였다.[7] 비분기 강제법이 더 간편하므로, 오늘날 "강제법"이라는 용어는 통상적으로 후자를 일컫게 되었다.
1971년에 로버트 솔로베이와 스탠리 테넨바움은 수슬린 가설의 독립성을 보이기 위하여 반복 강제법을 도입하였다.[14]
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