问题

有哪些数学知识概念已经更新或改变,但不为大众所知?

回答
数学是一个不断发展和演进的学科,虽然一些基础概念(如加减乘除、勾股定理)早已深入人心,但确实有一些更深层次的数学知识概念,其发展方向、新的视角或甚至基础定义已经悄然改变,但尚未被大众熟知。这些更新往往是由于数学家们对现有理论的深入研究、新的数学工具的出现、或者对抽象概念有了更深刻的理解。

以下是一些例子,我会尽量详细地解释它们是如何更新或改变的,以及为什么它们可能不为大众所知:

1. 集合论的“改变”:从直观到严格的公理化基础

什么是不为大众所知? 大众对“集合”的理解通常是直观的:就是把一些东西放在一起。例如,“所有学生的集合”、“所有偶数的集合”。这种直观的理解在日常生活中完全足够。

更新/改变是什么? 数学家们意识到,完全依赖直观的集合概念会导致逻辑上的矛盾,最著名的是罗素悖论(一个集合是否包含自身?如果包含,它就不包含自身;如果不包含,它就包含自身,这是一个悖论)。为了解决这些矛盾并为数学打下坚实的逻辑基础,数学家们发展了公理化集合论,最流行的是ZFC公理系统(ZermeloFraenkel集合论,并包含Choice公理)。

详细解释:

直观集合论的局限性: 在20世纪初,伯特兰·罗素发现了当时广泛使用的“朴素集合论”中的悖论。这个悖论表明,如果我们允许构造任意的集合(例如“所有不包含自身的集合的集合”),就会出现逻辑上的不可能。这就像说“这句话是假的”,这是一个典型的自我指涉的矛盾。
公理化集合论的诞生: 为了避免这些悖论,数学家们开始构建一个严格的公理系统,在这个系统中,只有符合特定规则的集合才能被“构造”。ZFC公理系统就是这样一套规则。它不直接定义“集合是什么”,而是规定了关于集合的公理(即被认为是无须证明的真理)。
关键公理(例子):
外延公理 (Axiom of Extensionality): 如果两个集合拥有相同的元素,那么它们就是同一个集合。这使得集合的定义是唯一的,只取决于其内容。
空集公理 (Axiom of Empty Set): 存在一个不包含任何元素的集合,称为空集。这是所有集合的起点。
对集公理 (Axiom of Pairing): 对于任意两个集合A和B,存在一个集合{A, B},它恰好包含A和B这两个元素。
并集公理 (Axiom of Union): 对于任意一个集合的集合X,存在一个集合,它包含X中所有集合里的所有元素。
幂集公理 (Axiom of Power Set): 对于任意一个集合A,存在一个集合,它包含A的所有子集。
替换公理模式 (Axiom Schema of Replacement): 如果F是一个函数,对于一个集合A中的所有元素x,F(x)都是一个集合,那么所有F(x)组成的集合也存在。这允许我们从已知集合构造新集合,比如生成自然数。
无限公理 (Axiom of Infinity): 存在一个无限集合,其中包含空集,并且对于其中任意元素x,x∪{x}也是该集合的元素。(这通常用来构造自然数集)。
正则公理 (Axiom of Regularity) 或称基础公理 (Axiom of Foundation): 任何非空集合A都存在一个元素x,使得x与A不相交(即x与A没有共同元素)。这阻止了像x ∈ x 或 x ∈ y 且 y ∈ x 这样的循环定义。
选择公理 (Axiom of Choice): 对于任意一个由非空集合组成的集合,存在一个“选择函数”,能够从每个集合中选出恰好一个元素。这个公理在某些数学领域(如泛函分析、拓扑学)非常重要,但它的非构造性(不说明如何选择)使得一些数学家(如直觉主义者)对其持保留态度。

为什么不为大众所知?
抽象性太高: 公理化集合论是数学的基石,但其内容高度抽象,并且涉及逻辑推理,对没有数学背景的人来说难以理解。
与日常经验的距离: 大众的数学需求集中在计算、应用等方面,而公理化集合论是关于数学自身结构和逻辑基础的探索。
是数学的“后台”工作: 就像普通人不需要知道水泥是怎么生产的就能住进房子一样,大多数人不需要了解集合论的公理基础就能使用数学。它为数学家构建定理提供了坚固的基石。

2. 概率论的“基础”:从频率到公理化

什么是不为大众所知? 大众对概率的理解通常是基于“频率”或“可能性”。例如,“抛硬币正面朝上的概率是1/2,意味着抛很多次,大约一半会是正面”。这种理解在统计和日常决策中足够了。

更新/改变是什么? 虽然频率解释非常直观,但严格来说,概率论现代化的基础是建立在公理化定义上的,由安德雷·柯尔莫哥洛夫在20世纪30年代提出。这为概率论提供了一个坚实的数学框架,能够严谨地处理复杂随机现象。

详细解释:

频率解释的局限性: 频率解释依赖于“无限次试验”或“大数定律”。但对于一个事件“真正发生”一次的情况(比如只抛一次硬币),或者在数学模型中处理“几乎必定”或“几乎不可能”等概念时,频率解释显得不够严谨。它也难以直接应用于连续概率分布。
柯尔mogorov的公理化概率论: 柯尔mogorov将概率论置于测度论(measure theory)的框架之下。他的公理是:
1. 非负性 (Nonnegativity): 任何事件A的概率P(A)都必须是非负的:$P(A) geq 0$。
2. 规范性 (Normalization): 整个样本空间(所有可能结果的集合)的概率为1:$P(Omega) = 1$。
3. 可数可加性 (Countable Additivity): 如果事件序列$A_1, A_2, A_3, dots$ 是两两互斥的(即任何两个事件之间没有共同结果),那么它们并集的概率等于它们各自概率之和:$P(cup_{i=1}^infty A_i) = sum_{i=1}^infty P(A_i)$。

为什么不为大众所知?
与直观的吻合度: 公理化概率论对于大多数日常或基础的概率问题,其结果与频率解释是一致的。大众不需要接触到它来理解基本的概率概念。
抽象和数学深度: 柯尔mogorov的理论建立在测度论之上,而测度论本身是一个非常高级的数学分支,涉及可测空间、可测函数等抽象概念。
应用场景的差异: 公理化概率论的严格性对于处理复杂的随机过程、统计推断的理论基础、金融建模、量子力学等高端应用至关重要,而这些领域超出了大众日常接触的范围。

3. 微积分的“基础”:从无穷小到极限

什么是不为大众所知? 大众对微积分的理解可能局限于“求导”和“积分”的计算技巧,比如求曲线的斜率或面积。这种理解通常是学习了计算方法后就足够了。

更新/改变是什么? 微积分最初由牛顿和莱布尼茨发展时,概念上是基于无穷小量 (infinitesimals) 的,即一些比零大但比任何正数都小的量。然而,无穷小量在逻辑上难以精确定义,容易引发矛盾。到了19世纪,奥古斯丁·路易·柯西和卡尔·魏尔斯特拉斯发展了极限理论 (Limit Theory),为微积分提供了坚实的逻辑基础,将无穷小量的概念“取代”为对趋近于零的变量的描述。

详细解释:

无穷小的“问题”: 牛顿和莱布尼茨的直觉是,微积分是关于“变化的量”的。例如,他们会考虑当一个变量$dx$“趋近于零”时,$f(x+dx) f(x)$ 和 $dx$ 的比值。问题在于,在处理$dx$时,有时将其当作非零数(为了能除以它),有时又将其当作零(为了让它消失)。这种处理方式在逻辑上是不严谨的。
魏尔斯特拉斯的εδ定义: 魏尔斯特拉斯重新定义了“极限”,使得整个微积分的定义都变得严格。例如,函数$f(x)$在点$a$的极限是$L$,表示为 $lim_{x o a} f(x) = L$,其精确定义是:
对于任意给定的正数 $epsilon > 0$(无论多小),都存在一个正数 $delta > 0$(取决于 $epsilon$),使得只要 $0 < |x a| < delta$,就有 $|f(x) L| < epsilon$。
这个定义避免了使用“无穷小”这个概念,而是用“任意小的正数”来刻画“趋近”。
这如何改变了微积分?
逻辑严谨性: 它为微积分提供了坚实的数学基础,使其成为一门严谨的科学。
适用范围的扩展: 基于极限的定义,也更容易将微积分的思想推广到更复杂的数学结构中。

为什么不为大众所知?
“替代”而非“删除”: 大众学习微积分时,往往直接接触到基于极限的定义和计算方法。他们可能不知道曾经有过“无穷小”这个不那么严谨的概念。这个更新是“精炼”了基础概念,而不是带来了大众完全无法理解的新东西。
是教学和理论发展的过程: 这更像是数学理论内部的“升级”,而不是引入了全新的、与已有知识完全无关的概念。大众学习的是已经“更新”过的微积分。
计算的重要性: 大众学习微积分主要为了解决实际问题,计算能力和对导数、积分几何意义的理解比对基础定义的历史演变更重要。

4. 几何的“统一”:黎曼几何与广义相对论

什么是不为大众所知? 大众熟悉的几何是欧几里得几何,即我们从小学的平面几何和立体几何,它基于“平行公理”(过直线外一点有且只有一条直线与已知直线平行)。这是对我们日常经验中最直观的“平坦”空间的描述。

更新/改变是什么? 19世纪,数学家们发现欧几里得几何并非唯一的几何。通过否定平行公理,诞生了非欧几里得几何,最著名的是黎曼几何。黎曼几何能够描述弯曲的空间,并且在20世纪初成为爱因斯坦构建广义相对论的数学框架。广义相对论改变了我们对引力的理解,认为引力是时空弯曲的表现。

详细解释:

非欧几里得几何的诞生:
罗巴切夫斯基几何 (Hyperbolic Geometry): 否定平行公理,改为“过直线外一点有无数条直线与已知直线平行”。在这种几何中,三角形内角和小于180度。
黎曼几何 (Elliptic Geometry): 否定平行公理,改为“过直线外一点没有直线与已知直线平行”(例如,在球面上,任何两条“直线”——大圆——都会在两点相交,没有平行的直线)。另一种更精细的说法是,过直线外一点不存在与该直线平行的直线,或者过直线外一点存在无穷多条直线与该直线平行(这取决于对“平行”的定义)。在黎曼几何的某些版本中,三角形内角和大于180度。
黎曼几何的普适性: 黎曼几何并非仅限于几种特定的非欧几何,它提供了一个统一的框架来描述任何可以微分的流形 (differentiable manifold) 上的几何性质,无论空间是平坦的还是弯曲的。它使用度量张量 (metric tensor) 来定义距离和角度,这允许我们量化空间在不同方向上的弯曲程度。
与广义相对论的联系:
时空是弯曲的: 广义相对论的核心思想是,质量和能量会“弯曲”时空。我们感受到的“引力”并非是一种力,而是物体沿着弯曲时空中最“直”的路径(称为测地线 geodeiscs)运动的表现。
数学工具: 黎曼几何的度量张量和曲率张量(Riemann curvature tensor)是描述时空弯曲的精确数学工具。爱因斯坦方程将物质能量分布(用能量动量张量表示)与时空的几何(用度量张量及其导数表示)联系起来。

为什么不为大众所知?
反直觉和抽象性: 非欧几何和描述弯曲时空的数学,与我们日常的直观经验相悖,理解起来需要很高的抽象思维能力。
专业门槛高: 黎曼几何和广义相对论是现代物理学和高等数学的核心内容,需要深厚的数学和物理学功底才能掌握。
应用的高度专业化: 尽管广义相对论在天文学、宇宙学、GPS定位(相对论效应会影响卫星时钟精度)等方面有实际应用,但这些应用本身也是高度专业的领域。

总结

数学知识的更新和改变是一个持续的过程,很多时候是关于现有概念的深化、严谨化、抽象化或推广。这些更新之所以不为大众所知,主要是因为:

抽象性: 新的数学概念往往更加抽象,脱离了直观经验。
专业性: 它们通常是为解决数学内部的难题或发展高级理论而产生的,服务于更专业的领域。
基础性: 有些更新是对数学基础的“打地基”,虽然至关重要,但其过程和结果对普通使用者而言是隐藏的。
非颠覆性(在表面看来): 对于大众而言,很多数学工具(如微积分、概率)的使用方法并没有发生颠覆性的改变,他们只是在更严谨或更广阔的框架下得以建立。

这些例子展示了数学的生命力,它不是一成不变的教条,而是一个不断探索、完善和拓展的科学领域。

网友意见

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几何学。

初中都学过,平行线公理等等。

几何原本的公理体系不是最简的,大部分公理之间可以相互取代。希尔伯特的五组公理:

①关联公理

②顺序公理

③合同公理

④平行公理

⑤连续公理

相信大部分非数学专业的人都没听说过。


我相信大部分人喜欢数学都是从几何证明开始的,我自己就是。中学曾陶醉于自己的数学知识框架之严谨。直到去年带了一群初中生,回望自己曾学的平面几何,才发现许多基本概念的引入,基本定理的证明,都利用了一点几何的直观性,当然这对中学生来说是合理的。但是对我来说,中学的几何学好像是空中楼阁,学生证来证去算来算去,看上去很花哨,很愉快,实际上对自己所利用的证明依据一无所知……我自己何尝不也是如此。

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