问题

写论文的时候,使用 Proposition, Lemma 或 Theorem 有什么区别?

回答
好的,写论文时使用“命题”(Proposition)、“引理”(Lemma)和“定理”(Theorem)这几个术语,它们都用来陈述数学上或逻辑上的真理,但它们的侧重点、作用以及在论证结构中的位置是有区别的。理解这些区别,不仅能让你更准确地表达你的思想,也能让你的论文条理更清晰,更易于读者理解。

我会尽可能详细地阐述它们的区别,并力求用自然、严谨的语言来解释,就像一位经验丰富的学者在指导你一样。

核心概念:陈述与证明

首先,我们要明白,无论是 Proposition, Lemma 还是 Theorem,它们的核心都是一个陈述(Statement),这个陈述描述了一个具有普遍性的、被证明为真的规律或事实。而让这个陈述具有意义的是它的证明(Proof)。没有证明的陈述,即使它可能是真的,在学术论文中也无法独立存在。

Proposition (命题)

概念与定位:
“命题”是一个相对宽泛的术语,可以用来指代任何可以被证明为真或假的陈述。在数学论文的语境下,当我们将一个陈述称为“命题”时,通常意味着它是一个重要的、独立的、可以被证明为真的结论,但它的重要性或普遍性可能不如定理,或者它本身并不是整个论证的最终目标,而是作为更宏大证明中的一个组成部分。

用途与侧重点:
1. 辅助性结论: 很多时候,命题是为了证明某个更重要的定理而铺设的阶梯。它本身有价值,但它的价值体现在支持一个更大的论点上。
2. 特定情况下的真理: 命题可能描述的是在特定条件或定义下的规律,这些规律虽然是真实的,但可能不具有定理那种放之四海而皆准的普遍性,或者其证明相对直接,不像定理那样需要复杂的推导。
3. 定义与性质: 有时,一些关键的定义或性质,如果需要明确陈述和证明其存在性或基本属性,也会用命题的形式出现。
4. 避免过度频繁使用“定理”: 如果一个结论的深度和广度不足以冠以“定理”之名,但又需要一个正式的陈述和证明,那么“命题”是很好的选择。

举例:
“对于任意两个偶数 $a$ 和 $b$,它们的和 $a+b$ 也是偶数。” 这个结论是真实的,可以被证明,但它太基础,通常不会被单独称为“定理”。更适合用“命题”来表述。
在证明一个复杂的收敛性定理的过程中,你可能需要先证明一个关于数列有界的命题,这个命题是整个定理证明中的一个关键步骤。

写作风格:
命题的陈述和证明风格可以与定理相似,但语气上可能稍微“保守”一些,不带有一种“最终裁决”的感觉。

Lemma (引理)

概念与定位:
“引理”通常是为证明一个更重要、更核心的定理而准备的辅助性结果。它就像是搭建一座大楼前的“砖石”或“钢筋”,虽然它们本身是坚固的,但其主要价值在于支持上层建筑的建造。引理的证明往往是证明主要定理过程中必不可少的一环,如果没有引理,主定理的证明可能会变得极其复杂、难以理解,甚至是不可能完成的。

用途与侧重点:
1. 分解复杂证明: 引理的目的是将一个庞大、复杂的证明分解成若干个较小的、可管理的部分。每一个引理解决的是一个具体的问题。
2. 建立论证的中间环节: 引理是连接前提(假设、公理)和结论(定理)之间的桥梁。它解决了从已知到未知过程中的关键难点。
3. 多次复用: 一个好的引理,其本身也可能在后续的多个证明中被反复引用,成为工具性的结论。
4. “工具箱”里的工具: 许多数学分支都有一些非常重要的、被广泛使用的引理,它们就像是这个领域的“工具箱”里的常用工具,被熟练地运用。

举例:
在证明“两个实数向量内积小于等于它们范数乘积”时(即柯西施瓦茨不等式),你可能需要一个引理来证明“一个非零向量与自身点积等于其范数的平方”。这个引理是证明柯西施瓦茨不等式的基础。
在图论中,要证明某个图的性质,可能需要先证明一个关于图的连通性的引理。

写作风格:
引理的陈述通常非常精确,其证明过程会详细展示如何一步步构建出这个辅助性的真理。其标题往往会带有“引理”的前缀,明确其辅助地位。

Theorem (定理)

概念与定位:
“定理”是数学或逻辑体系中最重要、最核心的结论。它代表了一个被广泛认可、具有深远意义、并经过严谨证明的数学真理。定理通常是整个研究的主要目标,或者是作者所要论证的核心观点。

用途与侧重点:
1. 核心论点: 定理是论文的“重头戏”,是作者通过一系列论证想要达到的最高成就。
2. 普遍性和重要性: 定理陈述的规律通常具有高度的普遍性,其结论对整个领域具有基础性或颠覆性的意义。
3. 综合性结果: 定理的证明往往是最复杂、最需要技巧和创新的部分,它可能综合运用了多个引理、定义、公理和其他定理。
4. 研究的标志: 很多数学分支的命名,都与某个核心定理紧密相关,例如“费马大定理”、“勾股定理”。

举例:
“任何一个有限生成交换环是挠度完备的。” (这是某个特定领域的中心定理)
“费马小定理:如果 $p$ 是一个素数,那么对于任意整数 $a$,数 $a^p a$ 都能被 $p$ 整除。”
“中值定理” (Mean Value Theorem)

写作风格:
定理的陈述通常会非常清晰、简洁、有力,不含糊。证明部分会是论文的重点,需要严密、逻辑性强,并可能引用之前提出的引理或命题。

总结与辨析

| 特征 | Proposition (命题) | Lemma (引理) | Theorem (定理) |
| : | : | : | : |
| 核心作用 | 独立的、可证明的陈述,可能作为支持其他结论的中间步骤。 | 证明更重要定理的辅助性工具,分解复杂证明。 | 核心、最重要的、被广泛认可的数学真理。 |
| 重要性 | 中等,可高可低,取决于其在论证中的位置。 | 高(对于证明主定理而言),但其本身不如主定理重要。 | 最高,代表研究的突破或关键发现。 |
| 证明复杂性 | 可变,可能简单也可能复杂。 | 通常是复杂证明中的一个关键部分,需要详细推导。 | 通常最复杂,需要综合多种工具和技巧。 |
| 复用性 | 可能被复用,但不如引理那样普遍。 | 高,常被用作证明中的“工具”在不同地方重复使用。 | 相对较低,主要在特定领域或相关研究中被引用。 |
| 在论文中的定位 | 可以是独立结论,也可以是支持性结论。 | 明确的“垫脚石”,服务于主定理。 | 论文的“主角”,是作者追求的主要结果。 |
| 标题前缀 | Proposition X.Y | Lemma X.Y | Theorem X.Y |

如何选择使用哪个词?

1. 思考你这个陈述的“角色”:
它是我这篇论文最想证明的核心结论吗?如果是,那很可能是 Theorem。
它是我为了证明那个核心结论,必须先解决的一个小问题,并且我可能会在之后反复用到吗?如果是,那可能是 Lemma。
它是一个重要的、独立的结论,但不是我的最终目标,或者它的重要性/普遍性不如一个定理,但又需要正式地陈述和证明?那可能是 Proposition。

2. 考虑论证的整体结构:
如果你的证明非常线性,一步接一步,没有明显的“辅助工具”需要独立出来,那么你可能只需要定理,少数情况下会用命题。
如果你的证明非常复杂,需要分解成好几步,并且其中某些步骤本身就值得单独拿出来研究或被反复引用,那么使用引理(Lemma)会使结构更清晰。

3. 参考领域内的惯例:
不同的数学分支或研究领域,对这些术语的使用可能存在细微的文化差异。阅读你所在领域的顶尖论文,观察他们是如何使用这些术语的,会是一个很好的参考。例如,在一些逻辑学领域,命题(Proposition)的使用可能更为普遍和核心。

一个简单的比喻:

想象你在写一本建筑学的书。

Theorem 就像是设计一座摩天大楼。这是你书的核心,需要详细的图纸、复杂的结构分析和施工步骤。
Lemma 就像是描述如何制作一块高强度混凝土梁。这块梁本身很有用,但你主要做它,是为了能够支撑起摩天大楼的某个部分。你可能在书中其他地方也会提到这种梁的制作方法。
Proposition 就像是解释为什么混凝土在潮湿环境下会变硬,或者如何测量某个角度。这些都是基础知识,虽然正确且重要,但它们不是你这本书的“主体建筑”。

关键在于清晰和准确:

无论你选择哪个词,最重要的是确保你的读者能够理解你在说什么,以及它在你的论证体系中的位置。如果一个陈述的地位比较模糊,或者你不是特别确定,使用“命题”(Proposition)通常是一个相对安全的选择,因为它更加普适。但如果你的目标是突出某个结论的重要性,或者将其作为一个可复用的工具,那么“定理”和“引理”就更合适了。

希望这些详细的解释能帮助你更好地在论文中运用这些术语!

网友意见

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谢谢 @星日马@刘锐 的邀请,我就连Corollary一起介绍了吧,凑齐经济学paper里面的四大证明。

先说两个区别相对明确的:

Lemma是引理,顾名思义,是为了证明proposition或者theorem的一个相对比较关键步骤, 是一个helper function。Lemma一般情况下都非常的技术化,基本上不interesting,主要是为了整理定理的证明步骤,把一个很复杂的证明分成几个层层递进或者相互辅助的Lemma,方便了自己,也方便了读者和审稿人跟着作者的思路走——当然有些Lemma后来被认为是非常重要的,比如微观里面的Shephard's Lemma.


Corollary是推论,一般来说当已经有了proposition或者theorem之后,在此基础上简单的推理几步就能够得出的一个还比较interesting的结论,称为Corollary。这个结论单独用一个proposition或者theorem来说,显得分量不够,毕竟证明太简单了(大部分工作都已经在proposition或者theorem里面证明完成了)但是又比较有价值,这个时候往往就写成Corollary。

接下来主要说说theorem和proposition的『区别』,这两个其实也没有非此即彼的区别,更多的是一种惯例。字面理解,Proposition是命题,Theorem是定理,而定理的意思就是被证明了的命题……

Theorem在经济学论文中出现的时候,一般在比较数学化和理论化的文章里面,典型的就是Econometrica的文章很喜欢用Theorem,倾向于描述论文中最重要的,数学化的,高度抽象的,放之四海皆准的结论。我贴一个典型的Theorem,大概体验一下这个感觉:

Proposition也是文中比较重要的结论,但是一般来说,没有Theorem那么的抽象和重要。更多的出现在应用理论的论文里面,比如AER和RJE的相关类型的文章,感觉是『人类的语言』多一些:


当然以上两个例子里面的特征都很明显,有一些theorem和proposition看起来差不多,就看作者和杂志的习惯和取舍。


并且我上面说的proposition和theorem的区别,似乎也就是最近这十来年,学术界开始有了这个惯例。在更早的时候,七八十年代,经济学刚刚数学化不久,所有的名词和术语都是照搬应用数学,我们可以观察到那个时候的paper里面,Theorem这个词用的特别泛滥,哪怕是非常具体的比如我上面贴图举例里面的proposition,在那个年代都很可能被写成theorem,也都发表在很好的杂志上了。

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补充一点,在写theorem和proposition的时候,只能陈述数学结论——也就是模型的结果,一定不要兴奋起来把应该在discussion里面写的,不可验证的内容写进去,这是特别容易犯错的地方。

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