举一个比较有意思的例子。
不知道题主有没有玩过类似这样的益智小游戏:
游戏设计者提供了若干点(房子)和若干条边(从某点到某点的道路),希望让你将边互不交叉地画出来。
聪明机智的你当然知道该怎么画了:
这样是不行的;
这样就行了。
这种画着小猫小狗的游戏看起来太幼儿了,我们大人可以玩一些更抽象的游戏。比如说:
(你可以先自己试一下,然后再往下划。)
看起来更复杂一点,但还是很容易:
那就稍微再加点难度吧:
这道题我就不画了,欢迎大家在评论区留下自己的答案~
还没想出来?是不是你还不够努力?
好吧,这道题是无解的。
你问我为什么确信它无解?这是因为有一个叫库拉托夫斯基的数学家,费了老大劲(当然也可能很轻松)证明了库拉托夫斯基定理:
库拉托夫斯基定理(英语:Kuratowski's theorem)是一个关于平面图的等价判定定理,它由波兰数学家卡齐米日·库拉托夫斯基提出[1]。这个定理表明,一个图是平面图当且仅当它不包含K5或 K3,3的细分。其中,K5是包含5个顶点的完全图,K3,3是包含6个顶点的完全二分图,其中三个顶点和另外三个顶点两两相连,K3,3也被称作utility graph。
库拉托夫斯基定理 - 维基百科,自由的百科全书 (wikipedia.org)
这个定理的信息量非常大。
首先简单地解释一下。“平面图”,就是边可以在一个平面上全部不相交地画出来的图。K5和K33分别是两种结构:
库拉托夫斯基告诉我们两件事情:
(1)如果一个图含有K5或者K33,那么它就不可能被边不相交地画在平面上。例如说,如果有人给你出了这么一道益智题:
那么你最好就不要努力尝试了,因为它里面有K5。
(2)只要一个图不含有K5也不含有K33,那么它就可以边不相交地被画在平面上。比如说,我们从K33里拿掉一条边,出这么一道题:
我们可以检查一下里面有没有K5、K33;如果没有,我们就可以放心大胆地去烧脑了。
以下篇幅留白,以供读者体验。
给一个参考答案:
感谢库拉托夫斯基。
那读者可能又要问了,这么抽象的益智小游戏,除了益智,有什么用啊。
我们可以想到不少用到“平面图”的例子。例如说,在建筑物里铺水管的时候,我们需要把水管从这儿连到那儿,而不能让水管交叉重叠,而且最好这些水管都在同一个平面上。假如你的老板给了你一个K33的需求,让你把水管不相交地排在一个平面上,那么这时你就可以理直气壮地大声告诉老板什么是库拉托夫斯基定理,而不是绞尽脑汁三天后被骂太笨或者不努力。
微电子领域也要用到平面图:工程师需要把导线尽可能不交叉地排布在电路板上。
………………
库拉托夫斯基定理的证明过程还是比较复杂的,至少我随便玩益智游戏的时候大概想不到平面图和K5、K33的关系,更不用说怎么证明它了。但是数学家想到了、一步一步严谨地证出来了,我最多只要自己验证一遍,就可以放心大胆地用这些结论,而不用担心老板大手一挥给出一个反例,打脸我还是太naive。
不怕道路漫长,只怕去向渺茫。
祝大家节日快乐~
(说来我自己刷知乎的时候,出于各种行为心理学因素,相比点赞量900的答案,看到点赞>1.1k的答案时跟着点赞的概率会高很多。或许这是因为给前者点赞会让我有一种“我在表态+1”的责任感,而给后者点赞因为数字不会变化就像随大流一样轻松?所以我以己推人地猜想,点赞总量突破1k之后,获赞速度是不是会有质的变化?......先把这个猜想埋在这里,要是真的破千赞了再验证吧。)
当时高中开始学解析几何了,有个同学也有过类似的问题。问老师“用公式来推导几何上的交点,写成方程有什么意义。实际画出来就行了,为什么要知道数学表达式?”
老师这么解释的:
就拿我们所在的这栋教学楼来说吧。人们可以用一万吨石头垒出一个楼,也可以用一千吨钢筋水泥搭建一个,甚至未来可能只用一百吨新型材料3D打印出一个。
但是我们怎么能放心的坐在这栋楼里,不担心它会塌呢?是纯凭运气么?
是因为有数学的证明。
数字通过各种已经证明的公式,在搭建这栋楼之前,就按照工程和力学计算出了用这么多的材料,在图纸上证明了用这个形状搭建,它就不会倒,可以放心的住进去。
很久以后我才知道,这就是“数学不会骗你”的变向阐述。数学是可以信赖的。
毕达哥拉斯曾说:“数学支配着宇宙。”黑格尔则说:“数学是上帝描述自然的符号。”为什么他们给数学这么高度的评价?
因为如果没有“可证明”的定理,那么所有公式将没有依据,我们不知道用什么材料来干一件事,会产生什么样的结果,一切都只能凭借模糊的经验和运气。
实际上古人就是这么做的,他们试着推推方形的石头,三角的石头,圆形的石头,发现圆形的最好推动,于是以后把轮子都改成了圆形,却在很长时间里没有寻找到规律和公式。
于是后人只能重复的向上一代模仿,借助运气偶尔进步,甚至有时还会因为意外中断传承而倒退。
一个轮子可以重复做几百次来尝试,那么一辆车呢?一台电脑呢?越精密的设备,越不可能依靠重复足够的次数,然后挑里面恰好能运行的那一个来使用。
而我们今天已经可以发射一个东西,飞到火星上,在信号会延迟几个小时的环境里,让它自己精确到毫米级的进行操作和前进,之后还要给远在地球的人类发回信号,并检查、修理自己。
而宏观上,我们的一年应该是多少天,我们所在的地球是什么状态,都是通过数学为基础的学科先证明、后发现的。光凭借观察有时候眼睛会欺骗你。
牛顿能够从纯粹的数学推导出开普勒的三个定律——这三个定律表明,行星的运动轨道不是圆而是椭圆——并将它们用于检验他的各种假设。
数学第一次能够直接的计算和预测天体的运动、潮汐、岁差等等,最后明确地表明,地上的现象和天上的现象都是由相同的物理规律支配。
1845年约翰·可夫·亚当斯和埃班·勤维叶推算了在天王星外的一个未知行星可能的位置。1846年9月23日柏林天文台台长约翰·格弗里恩·盖尔真的在这个位置发现了一颗新的行星:海王星。
化学上类似的例子则更多,元素周期表中的很多都是先根据数学模型,预测出了应该的元素,之后才慢慢发现和证明的。
在元素周期表中添加一个新元素都很难,但是德国物理学家梅耶夫人(Maria Goeppert Mayer)却添加了整整一行。
在美国哥伦比亚大学工作的时候,梅耶夫人利用托马斯-费米势能模型,计算薛定谔方程对铀附近原子的 5f 电子轨道的本征函数。
用托马斯-费米势对薛定谔方程的径向本征函数进行数值求解,梅耶夫人发现 f 轨道开始填充在Z的临界值。在这些临界值,原子不再强烈地参与化学反应。
她的预言证实了费米的建议,即铀以外的任何元素在化学上都与已知的稀土元素相似,从而预言了锕系稀土元素(second series of rare earth elements,又称为超铀行,transuranic row)。
没发明马镫前的骑兵不具有象蒙古骑兵一样的长途奔袭能力。这一时期骑兵除速度占优外,其战斗力是远不如脚踏实地的步兵的,所以在骑兵到达目的地后,往往下马作为步兵投入战场。
马镫的发明几乎可以和轮子的发明相提并论。有了它,骑兵可以更轻松的在马上做各种动作,人类战争史才真正迎来了骑兵无敌的年代。
但这样的一个简单发明,却用了人类几千年才产生,为什么?
古代各国军队,如波斯人、亚述人、埃及人、罗马人、巴比伦人以及希腊人都不知道使用马镫;甚至亚力山大大帝率军横跨整个中亚时,他的骑士们的双腿也是横跨于马鞍两旁。
因为它不是根据人在马上的受力“算”出来的,而是凭借经验无意中“试”出来的。
但现在,当我们设计一个代步工具的时候,我们在图纸上就能找到设计成什么样子更科学合理。
我们今天感受的人类发展速度很快,而在过去两千年中,跨越几百年人类的生活方式则几乎没有改变,大部分我们日常使用的技术产品都是最近一百年左右才有的,也是因为数学的突破。
我们现在使用的99%日用品,都是实验室内通过数学证明和计算完成的设计,选定了要使用什么样的材料与结构,然后由现代化工厂生产出来的。
在流水生产线中,各种原料、设备的强度、重量,流水线的速度与批量生产方式,也都是通过数学证明后进行的组装与搭建。
比如一个简单的齿轮,里面会包含齿数、法向模数、齿形角、齿顶高、齿顶隙、全齿高、径向交位、公差、节距、分度圆直径等等几个公式的计算,想凭借运气“试”出来,几乎不可能。
可以说如果没有数学证明,小到穿着的化纤袜子,手机;大到汽车走的桥梁、马路,大家住的房子都不可能是今天的样子,人类只能用从动植物身上采集的原料,用简单的工具加工。
这些所有的成果,最初都来自数学的证明和进步,应用上也离不开对公式的使用和计算。
有个玩猴子的人拿橡实喂猴子,他跟猴子说,早上给每个猴子三个橡子,晚上给四个,所有的猴子听了都急了后来他又说,早上给四个,晚上给三个,所有的猴子就都高兴了。
——载自《庄子·齐物论》
为什么猴子这么笨,看不出“早晨三个晚上四个”,和“早晨四个晚上三个”,是一样的?
因为他们没上过小学。
我们小学时候老师教的第一个数学证明是什么,你还的记得么?
公布答案,是“加法的交换律”,3+4=4+3,两个数相加,交换加数位置,和不变。
我们稚童时期学习的第一个公式,就让人和猴有了本质上的区别,数学证明有没有用?
简直太有用了。
我觉得这个问题下最有价值的不是回答,而是现象:
一群既不是数学专业的,更不是数学方向的phd,教训一个段位很高的数学phd说他不懂数学。
这实属有意思。
然后Upenn都变成211了,这实属让我看不懂。
说点暴论吧。
1,不能被数学化的科学,几百年来几乎没有任何进步,只是在不断的修饰早就有的观点或者不断的反复横跳,而且在可预见的未来,这些学科也不会有质的进步,除非找到了数学化他们的方法。
2,没有数学思维的人,在同等条件的博弈下,被坑几率高很多。
3,现在的生活中充满了高等数学,比如傅里叶变换被广泛的用于视频传输和压缩。
4,数学对普通人的影响表现小,是因为有大量的工作用于维持人类个体对工具的易用性,这些易用性包装,把晦涩以及需要专业知识的东西,包装成任何人可以看懂的东西。
5,以普通人而言,对数学的轻视,等同于对命运的傲慢,对游戏规则的漠视。
以上。
当然,如果吃了睡,睡了玩就是人生。
数学确实没用。
大学里面学线性代数的时候,我也觉得这玩意有什么用,很快我发现写代码做一张图片旋转角度,如果不用线性代数的一些东西,只使用高中数学的知识,代码效率低到无法容忍的地步。
知道N维的结果,3、4、10、11维都是特例。
没什么影响。如果不是因为数学是各个国家普遍的义务教育课程的话,我想数学典籍的受欢迎程度不会比佛经好到哪里去。我之前有学佛的同学说佛教典籍浩如烟海,远不止我们听说过的那几部,但大部分经书也就静静躺在藏经阁里积灰,等待极少数有缘人前来发掘。说不定古时候一场大火过后很多经卷就永久失传了。
个人能取得的成就容易被高估,尤其是我们对自己所处的时代更容易过分自信,总以为我们能给后人留下很多东西。事实上比如说19世纪全世界最好的大学数学系教授,你去看看他们的著作有多少能留传至今?边缘化的结果早就被遗忘了,真正有价值的东西可能换一种方式被吸收到教材里,但你早忘了他原始的作者到底是谁了。真要读那个时代数学家的著作,你可能会去读读高斯的,黎曼的著作,其余的大概也没什么兴趣。不用怀疑,我们这个时代的数学过一两百年也会变得这么过时,不管我们现在觉得21世纪数学多么fancy。说不定计算机辅助证明真的能取得大的成功,那以后的数学家做数学的方式,包括写论文的方式都会发生翻天覆地的变化。他们来读这个时代用自然语言写的数学论文,可能会觉得像文言文一样难读,而且又很难验证对错。数学论文审稿不严的情况不要太多哦,尤其是发表在不重要期刊的没多少人关心的冷门结果。
有感而发于 @Yuhang Liu 的答案及其评论区以及其他答案。
当然数学很重要,当然数学对整个世界很重要,但是各位答主及读者有没有想过,如果正如问题所言,你费了很大劲给出了一个新的数学结论的证明,这对你的人生、对我们身处其中的这个世界,到底有什么影响呢?
这很难想象的,因为你只是在享用前人的成果转化而来的结论,并不会真的去研究新的数学证明。但是我会去研究,还有广大奋斗在这个学科前沿的数学工作者会。
但是我们怎么能放心的坐在这栋楼里,不担心它会倒呢?凭运气么?
是因为有数学的证明。
这种土木问题与我何干?
1845年约翰·可夫·亚当斯和埃班·勤维叶推算了在天王星外的一个未知行星可能的位置。1846年9月23日柏林天文台台长约翰·格弗里恩·盖尔真的在这个位置发现了一颗新的行星:海王星。
几百年前的数学知识了,与我何干?
比如图灵搞计算机那一套、香农搞信息论那一堆,你说影响大不大?
图灵和香农能算数学家吗?即便算,这也是几十年前的理论了,方向与我也不一样,与我何干?
工程改变了世界,工程的最大基础就是数学。计算机改变了世界,计算机的最大基础之一也是数学。
我现在手上的证明能成为工程、计算机的基础?而且这些基础都是非常久远非常远离我的方向,与我何干?
完全不懂数学的人当然觉得数学没用。
懂一些数学的人会觉得数学无比重要。
但要问真正做数学的人,手上的工作有没有实际的作用,答案一定是没有。
如果数学重要之处是他能成为物理或者计算机的基础,那么没能成为这些学科的基础的数学是不是就完全不重要呢?如果数学有用是因为他用在了每个人的日常生活中,那么那些没有任何人的实际生活需要的数学就没用了呢?如果数学因为能改变世界而重要,那么没办法改变现在的世界的数学是不是就没用研究价值了呢?如果数学因为实际应用而重要,那么那些研究纯粹理论的数学家是不是应该赶紧转行去关心实际问题呢?
事实上,这样的数学太多太多了。现在纯数学的研究中,代数、数论、几何、代数几何、泛函分析、概率论、动力系统、复变函数、数理逻辑……哪一个能有什么直接的应用?而哪怕是应用数学,也并不是真的直接应用于某些具体问题上的。更不要说我,我自己,现在手上正在写的证明了。
我无比感激那些做科普的人,把数学之美数学之重要传达给占比绝大多数的不懂数学的人。但是我也必须承认,大大方方的承认,全无避讳的承认,还要毫无羞涩的告诉你们,我现在做的证明就是没什么实际的用处;并且绝大多数数学工作者现在正在奋力数学的证明,都没什么实际用处。
也许你会说,『数学领先物理50年,物理领先工程50年』。我没有这个能力去想象一百年后的世界,更没有胆量告诉屏幕前的你,一百年后我的证明肯定有人用。若时间倒回一百年前,那时的数学研究有些确实成为了现在如物理如计算机的基础,但是有更多更多的数学被淹没在了浩瀚的时间海里。曾经读过一部叫伤心者的小说,主人公的一部微连续原本在一百五十年后被人从图书馆的废墟中发现,成为了大统一理论的基石,这美好的结局不过是浪漫的想象罢了。对我而言,更大的可能是我的证明会与许多同行的一起,埋葬在时代更迭的废墟之中。
可是我为什么要关注这样的用处呢?如果我真的在意这个,如果数学工作者真的在意这个,那这世上早就没有纯数学的研究了,大家统统转行去实际的问题好了。但这真的好吗?而且话又说回来,难道你以为某个具体的物理研究就能够与我们的生活我们的世界发生多大的联系吗?难道现在某个计算机学家的研究就真的能够对应到我们正在刷知乎的设备的哪里吗?还有更多的研究,未必能够马上实打实的改变什么世界的。任何研究总是站在生产力的前面的,或多或少而已。这世界的改变并不是某一个人、某一个证明能做到的,但是这一行当的所有人的努力,随着时间的推移,确实有那么些许的可能让世界发生变化。我很喜欢一个比方:通常来说,人类的极限是感知事物关于时间的二阶导数,但是数学改变的其实是三阶四阶乃至更高阶的导数,这并不为人所感知,但是确实存在。
然而,上面这些也有些过于浪漫了。其实对于我而言,哪怕什么以后有用啊这种话我也从不会说的。为了研究数学而研究数学怎么了?为了人类心智的荣耀怎么了?我可以享受着尤里卡的快乐,研究着自己喜欢的问题,在前人的理论基础上做一点小小的工作,然后把自己的微小喜悦和贡献分享给同行,顺便上上课把自己学过的知识教会那些因为研究实际问题而需要数学的人,这不也是值得骄傲的吗?我就大大方方的承认了,我做的工作没实际作用,现在没有,以后恐怕也没有,但这没什么不好的。我并不想改变自己的研究方向,研究自己喜欢的问题挺快乐的,除非有一天不给我发工资了括弧笑。
最后用一个有点段子意味的结束吧:如果说宇宙的硬通货是熵的话,那么纯数学的证明应当是这个宇宙中最为强大的减熵工具了。
例子确实不多,但是仍然可以随手举出来许多有意思的事情。其中许多都是我一直非常喜欢的例子。
说句实话,数学可以帮助你描述一些东西,但不能帮助你解决所有问题。你要影响人生与世界,哪一门学科都是远远不够的。但数学关心数学能解释的问题,并把它们解释清楚,这就很好了。