问题

如何通俗地解释数学的三大哲学基础流派:逻辑主义、形式主义、直觉主义?

回答
好的,我们来通俗易懂地解释一下数学的这三大哲学基础流派:逻辑主义、形式主义和直觉主义。你可以把它们想象成三位数学大师,他们各自对“数学到底是什么?”以及“我们如何确信数学是真的?”这两个终极问题有不同的看法和解答方式。

为了方便理解,我们先来打个比方:想象一下我们要建造一座宏伟的“数学城堡”。



1. 逻辑主义(Logicism):数学是逻辑的延伸

核心思想: 数学的一切都可以从最基本的逻辑公理出发,通过纯粹的逻辑推理推导出来,就像用积木搭建一座房子一样,积木(逻辑)是基础,房子(数学)是建造的结果。

打个比方: 逻辑主义者就像是最严谨的建筑师兼搬运工。他们认为,建造数学城堡的唯一材料就是“逻辑砖块”。这些逻辑砖块非常非常基本,比如“A等于A”,“如果A真,那么B也真”等等。

他们的工作方式: 他们首先仔细研究所有关于“是什么?”和“为什么?”的问题,找到最最基础、最不需要证明的逻辑真理(这就是他们的“逻辑公理”)。然后,他们运用最严密的逻辑规则(比如,如果“大前提”和“小前提”都成立,那么“结论”也一定成立),一步一步地从这些逻辑砖块中“推导出”所有数学概念和定理。

举个例子(非常简化):
逻辑砖块1: 存在一个集合,它不包含任何元素(空集)。
逻辑砖块2: 如果一个集合是A,那么另一个集合就是A的“后继集”,它包含A以及A中的所有元素再加一。
通过逻辑推导: 从这些基础逻辑中,他们可以定义数字“0”(就是空集),然后定义“1”(包含0的集合),接着定义“2”(包含0和1的集合),以此类推,最终构建出整个自然数系统。然后,再用这些数字定义加减乘除,以及几何、微积分等等。

他们的信念:
数学的可靠性来自逻辑: 只要逻辑是可靠的,那么从逻辑推导出来的数学就是可靠的。我们不需要怀疑数学,因为它是逻辑的必然结果。
数学的普遍性来自逻辑: 逻辑是普遍适用的,所以数学也是普遍适用的。
数学不是关于“事物”的,而是关于“关系”的: 数学描述的是概念之间的逻辑关系,而不是具体的物理世界。

代表人物: 弗雷格(Gottlob Frege)、伯特兰·罗素(Bertrand Russell)、怀特海(Alfred North Whitehead)。他们写了巨著《数学原理》(Principia Mathematica),试图用这种方式来构建整个数学体系。

遇到的困难: 尽管他们努力,但在尝试将所有数学概念(尤其是集合论中的一些概念)完全还原成逻辑时,遇到了一些意想不到的困难,比如罗素悖论,这让他们意识到纯粹的逻辑可能并不像他们想象的那么“纯粹”和没有隐患。



2. 形式主义(Formalism):数学是游戏的规则

核心思想: 数学就像一场精心设计的游戏,它有预先设定的符号、规则和公理(游戏规则),我们在这些规则的框架内进行操作,只要遵守规则,推导出来的结果就是“数学上正确”的。数学的意义在于其内在的一致性和符号操作的规律性,而与外部现实无关。

打个比方: 形式主义者像是规则严明的棋手或牌手。他们不关心棋子(数学符号)代表什么,也不关心游戏的目的是什么(现实世界的应用),他们只关心如何按照规则(公理和推理规则)一步一步地走棋。

他们的工作方式: 他们首先选择一套“公理”(就像游戏开始时发牌和规定玩家数量的规则)和一套“推理规则”(就像棋类游戏的走法),然后用这些规则去操作数学符号。只要每一步操作都符合规则,那么最终得到的结果就是“ teorema”(游戏中的合法招式)。

举个例子:
符号: 我们可以定义符号“a”, “b”, “+”, “=”。
公理:
公理1:a + b = b + a (交换律)
公理2:a + (b + c) = (a + b) + c (结合律)
推理规则: 如果我们知道 “X = Y” 并且 “Y = Z”,那么我们可以推断出 “X = Z”。
推导: 形式主义者会使用这些规则来推导新的数学陈述。比如,他们可以证明 (a + b) + c = a + (b + c)。他们不在乎“a”或“b”是不是真的数字,也不在乎加法有什么实际意义,只要操作符合规则就行。

他们的信念:
数学的可靠性来自一致性: 只要数学体系内部不产生矛盾(比如同时证明“A是真的”和“A是假的”),那么它就是可靠的。
数学的本质是符号操作: 数学是关于符号的组合和转换的,就像一种高度抽象的游戏。
数学的意义在于形式和结构,而非内容: 我们不需要去“理解”数学,只需要去“执行”它。

代表人物: 大卫·希尔伯特(David Hilbert)是形式主义的代表人物之一。他提出了“希尔伯特计划”,试图为整个数学建立一个完备的、一致的、可判定的形式系统。

遇到的困难: 哥德尔不完备定理的出现,给希尔伯特计划带来了沉重打击。哥德尔证明了任何足够强大的、一致的形式系统,都存在无法在这个系统内部被证明或证伪的命题。这意味着,我们无法保证一个形式系统是完备的(所有真命题都能被证明),也无法在系统内部证明其自身的一致性。



3. 直觉主义(Intuitionism):数学是人类心智的创造

核心思想: 数学不是客观存在的实体,也不是纯粹的符号游戏。数学是我们人类心智通过“直觉”和“创造”活动而产生和构造出来的。一个数学命题只有当我们能够“构造性地”证明它(也就是说,我们能给出一种明确的方法来展示它的存在或性质)时,它才是真的。

打个比方: 直觉主义者像是充满创造力的艺术家或发明家。他们认为数学不是在发现什么,而是在“创造”什么。他们不相信那些“不存在性的证明”(比如证明某个东西存在,但就是找不到它)。

他们的工作方式: 他们非常强调“构造性证明”(Constructive Proof)。一个数学定理被认为是真的,前提是我们能够给出具体的步骤或方法来证明它。他们对某些在逻辑主义和形式主义中常见的证明方法持怀疑态度,特别是那些依赖于“排中律”(Law of Excluded Middle)的证明。

举个例子:
排中律: 对于任何命题P,要么P是真的,要么P是假的。
直觉主义者的看法: 他们不接受“排中律”作为普适原则。比如,要证明“存在一个偶数等于100”,他们需要找到一个具体的偶数就是100(例如,2 + 98 = 100)。但如果我们要证明“存在一个无理数的平方是有理数”,他们会认为只有找到具体是哪两个无理数(例如,√2 和 √2),把它们相乘得到 2,才能算是一个构造性证明。

反例: 举一个更明显的例子。假设我们要证明“存在一个质数p,使得p+2也是质数(即存在孪生素数对)”。
非构造性证明(不被直觉主义者接受): 假设不存在这样的质数p。那么,所有形如 p 和 p+2 的数对,至少有一个不是质数。这是一个假设,我们无法从这个假设中找到具体的孪生素数对。
构造性证明(直觉主义者追求的): 他们需要找到一个具体的质数p,使得p+2也是质数。比如,3 和 5;5 和 7;11 和 13 等等。但即使我们能找到很多例子,也无法证明“所有”这样的数对都存在,除非我们能构造出一种方法来系统地找到它们,或者证明在无限的数轴上一定存在它们。

他们的信念:
数学的可靠性来自心智的构造: 只有我们能够亲手构造出来的数学对象或证明,才是我们真正理解并能够确信其存在的。
数学是人类心智的活动: 数学不是客观世界的独立实体,而是人类思维的创造。
否定一切非构造性推理: 许多在经典数学中被广泛使用的证明方法(如反证法中通过假设不存在来证明存在)是不被接受的。

代表人物: L.E.J. Brouwer 是直觉主义的创始人。

遇到的困难: 直觉主义的严格要求导致许多在传统数学中看似理所当然的定理和方法被排除,这使得数学的范围大大缩小,并且在很多领域的研究变得更加困难。例如,经典的集合论和微积分的许多证明都依赖于直觉主义所不接受的原则。



总结一下这三个流派的侧重点:

逻辑主义: 强调数学的根基在于逻辑,一切数学都可以从逻辑公理推导出来。就像盖房子只用最纯粹的逻辑砖块。
形式主义: 强调数学的游戏规则。数学是符号的游戏,只要遵守形式规则,结果就是有效的。就像下棋,只关心棋子的走法是否符合规则。
直觉主义: 强调数学的创造性和构造性。数学是人类心智的产物,必须能够被构造才能被确信。就像艺术家创作作品,必须能亲手画出来。

这三个流派代表了对数学本质和基础的不同理解,它们相互竞争,也相互促进,共同塑造了我们今天对数学的认知。它们之间的争论和发展,极大地推动了数学哲学和数理逻辑的进步。

网友意见

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曾经写过一段文字,本意用于构建"理性的三观",也能很好地解释这三大主义。相比逻辑主义和形式主义,直觉主义更加神秘,难以理解,但继承的是传统西方哲学精神。



数学中的三大主义

放眼望去,这个世界满是不幸的人。他们想象自己能够拥有财产…… 同时滋生一种对知识、权力、健康、荣耀和愉悦的不知餍足的欲望。

只有那些认识到自己一无所有、无法拥有任何东西、安全是不可企及的人,那些完全隐退、牺牲一切的人。那些不知道任何东西、不渴望任何东西也不想知道任何东西的人。那些放弃一切和看轻一切的人,才能得到一切:自由的世界向他开启了。这是一个没有痛苦的沉思的世界 —— 一个一无所有的世界。

以上是直觉主义大师布劳威尔在他25岁时写的一本小书《生活、艺术和神秘主义》中的结尾。

直觉主义者通过唤醒人们内心所确认的约束意识来寻求数学真理。维基百科对直觉主义的定义如下:

In the philosophy of mathematics, intuitionism, or neointuitionism (opposed to preintuitionism), is an approach where mathematics is considered to be purely the result of the constructive mental activity of humans rather than the discovery of fundamental principles claimed to exist in an objective reality. That is, logic and mathematics are not considered analytic activities wherein deep properties of objective reality are revealed and applied but are instead considered the application of internally consistent methods used to realize more complex mental constructs, regardless of their possible independent existence in an objective reality.

在数学哲学中,直觉主义认为数学应当通过纯粹的人类心智上构造活动而获得,而不是依靠发现声称客观存在的基本原则。因此,逻辑和数学不应当被视为揭示和分析客观实在的活动,而是实现构造复杂心智对象内在的一致的方法。直觉主义认为直觉先于任何逻辑、规则,或者原理。后者不过是一种检验直觉合理性的工具,本身不具备发现任何真理的价值。

直觉主义的先驱帕斯卡有名言:

“心有其理,非理之所能知。”

“推理是那些不明真理的人用以发现真理的迟钝、愚笨的方法。”

“孱弱无能的理智啊,你该有自知之明。”

直觉主义认为人固有地能洞察世界的真相,这种“能”被固化到人的心智里面,称为直觉。就像中国古代的“天人”观念一样,不过需要反着理解:任何合于人的直觉,都合于天之大道。这是道法于人,而不是人法道。也像是“造物主”将它自己的“基因”传递给了人(或者其他的物种),该物种通过这些基因最终能构造出造物主的世界。

世界的真相被刻在人的心智之中。

而逻辑主义的观念显得更明了,它相信一切事物的基础是逻辑推理和不言自明的少数公里;形式主义则强调符号和推导规则的万能,一切事物都在它这套体系之中。形式主义强调不需要“智慧”的“意义”的介入,对过程和结果的解释与过程和结果是独立的,他们希望的自动完成和自我完备,并且没有自我矛盾。相反,逻辑主义并不看中完备,它强调的是没有任何矛盾或者悖论。

合于逻辑,或者说令人满足的期望总是他们追求的目标,对冰冷而且简单的逻辑问题非常适合,对复杂的问题或者非理性的问题无能为力;形式主义不太理会这点,他们执着于精致的符号规则以及永无止境的完备,这对于良好定义的问题能够最高效地解决,对其他的问题显得非常笨拙和低效;直觉主义与他们相去很多,简言之,比起“更正确”的逻辑和精确的形式,他们更看中内在感觉,他们走在对未知探索的前头。

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