问题

为什么数学上一些显而易见的事情数学家们也要编个定理出来?

回答
这个问题问得特别好,触及到了数学最核心的魅力之一。很多人可能会觉得,像“1+1=2”这种事情,还需要什么定理来证明吗?显而易见嘛!但正是这些“显而易见”,在数学世界里,往往隐藏着深刻的逻辑和结构。数学家们“编”出定理,并非多此一举,而是为了构建严密的理论体系、确保逻辑的无懈可击、拓展思维的边界,以及在抽象的世界里寻找秩序和普适性。

咱们不妨一层一层地剥开来看,为什么数学家们会这样做。

一、 逻辑的严谨性:这是数学的基石

想象一下建造一座摩天大楼。即便你有坚实的土地基础,你也不能随随便便就开始堆砌钢筋水泥。你需要详细的建筑图纸,明确每一块砖的摆放位置,每一个梁的承重能力,每一个连接处的强度。数学也是如此。

“显而易见”的背后是定义和公理: 你觉得“1+1=2”很显而易见,是因为你从小就已经在生活中接触和理解了“1”和“2”的含义,也理解了“加法”的操作。但在数学的严谨世界里,这些“基本概念”必须被精确地定义。比如,什么是“1”?什么是“+”?什么是“2”?在集合论里,“1”可以被定义为一个包含一个元素的集合的基数,而“2”是包含两个元素的集合的基数。“+”操作,则是集合并集基数的一种运算规则。这些定义本身就建立在一系列更基础的公理之上。
避免“想当然”的陷阱: 人类的直觉和经验在很多情况下非常有用,但在抽象的数学领域,直觉有时也会失效。历史上,有些看似“显而易见”的数学断言,在经过深入研究后,发现并非如此,或者其普适性受到限制。通过定理证明,数学家们就是在不断地清除这种“想当然”的陷阱,确保每一推论都经得起最严格的审视。
传递可靠性: 定理的证明过程,就像是一条清晰的逻辑链条,它从一组公认的、不可再分的初始条件(公理)出发,通过一系列合乎逻辑的推理步骤,最终得出结论。这个过程的每一步都必须是可验证的。一旦证明过程被接受,这个结论(定理)就具有了普遍的可靠性,可以被其他数学家在后续的研究中直接引用,而无需重新证明。

二、 结构与关系的揭示:洞察数学的内在美

数学不仅仅是计算,更是研究数、量、形、结构以及它们之间关系的科学。定理的价值在于,它能揭示这些关系并非孤立存在的,而是相互关联、构成了一个宏大而有序的体系。

连接零散的知识点: 很多时候,一些“显而易见”的结论可能是我们零散掌握的几个数学事实。一个定理就像一座桥梁,将这些零散的知识点连接起来,揭示它们之间的内在联系。例如,欧几里得的几何学中,关于三角形内角和等于180度的结论,看似寻常,但欧几里得通过一系列公理和命题的推导,建立了一个严密的几何体系,将各种平面图形的性质联系起来。
揭示普适规律: 有些在特定情境下“显而易见”的规律,通过定理的抽象和推广,可以揭示出更普遍、更深层的数学规律。例如,我们知道在整数范围内,偶数加偶数等于偶数。但这只是一个特例。更普遍的定理可以描述不同数的加法运算在不同数系(如实数、复数)下的性质,揭示了加法运算在数学结构中的统一性和普适性。
数学的“大厦”效应: 数学研究就像是在搭建一座宏伟的大厦。公理是地基,定理是每一层楼的结构单元,而我们最终的目标是构建一个完整、坚固、逻辑自洽的数学大厦。每个定理的建立,都是在大厦中添加一块重要的构件,使整个结构更加完善和清晰。

三、 思想的拓展与新领域的开辟:探索未知的疆域

数学的魅力还在于它的创造性和探索性。定理不仅仅是对已知事实的确认,更是孕育新思想、开辟新方向的强大工具。

从“为什么”到“怎么样”: 当我们问为什么“1+1=2”时,我们是在探究其“为什么”的根源。而当数学家们建立了关于数集的公理系统后,他们就可以基于这些公理,去探索更复杂的操作,去定义新的数学对象,去研究这些新对象之间的关系,从而开辟新的数学分支。例如,对数的公理化研究催生了抽象代数,使得我们能够研究更广泛的代数结构,如群、环、域等。
形式化与抽象化: 定理的证明过程,迫使我们不断地将具象的思维转化为抽象的符号和逻辑推理。这个形式化的过程,本身就是一种深刻的认知训练。通过抽象化,我们可以将某个问题的解决方案推广到更广泛的领域,发现隐藏在不同问题背后的共同数学结构。
启发新的问题: 一个定理的证明过程,往往会触及到一些我们之前没有考虑过的数学性质或关系。这些新的发现,又会激发数学家们提出新的问题,形成新的研究方向。例如,费马大定理在被证明之前,许多数学家尝试了各种方法,这些尝试本身就极大地推动了数论的发展。而怀尔斯最终的证明,则依赖于大量近代数学的工具,进一步巩固和发展了这些工具。

四、 案例说明:从“显而易见”到定理

举几个例子,或许更能说明问题:

毕达哥拉斯定理(勾股定理): “直角三角形两条直角边的平方和等于斜边的平方。” 这个定理在许多具体的例子中(比如345的直角三角形),看起来非常直观。但欧几里得在《几何原本》中,给出了一个极其严谨的几何证明,它依赖于对“平行线”、“面积”等概念的公理化定义以及一系列逻辑推理。这个证明不仅验证了结论的正确性,更展示了平面几何的逻辑力量。
实数完备性: 我们都知道,数轴上的点和实数是一一对应的。看起来理所当然,不是吗?但要严格证明这一点,却需要引入“戴德金分割”或者“柯西序列”等概念。这些概念的引入,是为了确保没有“空隙”的存在,让数轴上的每一个点都能被一个实数精确地对应。如果没有这些严谨的证明,我们对实数的理解就会是模糊的,很多分析学中的重要定理(如微积分中的介值定理)就无法得到严格的证明。
群论中的一些基本性质: 比如,在一个群里,如果ab = ac,那么b=c。这看起来跟普通的乘法一样,很自然。但在群论的抽象框架里,这种“消去律”并不是一个可以随意假设的性质。它需要从群的定义(结合律、存在单位元、存在逆元)出发,通过逻辑推理才能证明得到。正是这种对抽象结构性质的严谨界定,才使得群论能够广泛应用于物理学、密码学等众多领域。

总结一下:

数学家们“编”定理,并非是为了给“显而易见”的事情增加“难度”或者制造“神秘感”。恰恰相反,这是他们维护数学这门科学纯粹性、严谨性、普适性和探索性的根本方式。

他们通过定理证明:

1. 确保逻辑的绝对可靠,避免任何模糊和想当然。
2. 揭示数学概念和命题之间深刻的结构性联系,构建完整的知识体系。
3. 将具体的、看似有限的数学事实,升华为具有普遍意义的数学原理,为更广泛的应用和深入的研究奠定基础。
4. 不断挑战和拓展人类的认知边界,开启新的数学领域。

所以,下次你看到一个数学定理,不妨想想它背后的“显而易见”,然后体会一下数学家们如何一步步地将这份“显而易见”打磨成坚不可摧的真理,并用它来探索更广阔的数学天地。这其中蕴含的智慧和逻辑之美,远比最初的“显而易见”要深刻得多。

网友意见

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你真的确定它显然吗2333

拿你说的零点存在性定理举个例子好了, (是一个很简单的函数)

但我们限制一下定义域,

这样一来 , ,但是它并没有零点,因为实数域里的零点 在有理数域里取不到,但它真的是一个连续函数,

,这个连续函数的定义式在有理数域里也是成立的

你肯定会觉得这是耍赖,有理数上有一些“洞”所以强行构造一个零点不是有理数的反例——但为什么实数域 不怕这样的反例呢? 和 之间的区别在究竟在哪里呢?

你认为这些定理显然但这是很不显然的,在历史上对实数的研究花了很大的一番功夫——甚至在复数被广泛运用的年代,实数还是没有被严格定义,要想知道这个是被怎么解决的,可以参考任何一本数学分析教材(笑)

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这里我要介绍一个术语叫『概念工程学』(conceptual engineering)。

搭建一个概念体系和盖楼造汽车是一样的,也是一种工程,只要每个部件有统一标准,不管谁造出来都能拼成一个整体。

数学工作者努力地把『显而易见』的事情翻译成严谨的数学语言,就是在让这些概念标准化。这样有利于分工合作,让更多人参与数学工作。数学就是人类最早最大的开源项目。不管你是小学生还是数学家,不管你懂不懂其他部分,只要你前提满足,推理正确,就能保证结论正确,用的舒心,用的放心。你提出一个标准化的新定理,别人也能帮你验证,防止你一条路走到黑。

如果不标准化,就会出现『你以为你懂了,实际上你不懂』、『你确实懂了,但是其他人不懂』、『你和他都以为自己懂了,吵得不可开交又没人说理』之类的糟糕情况。结果就是学术成果难推广,学术活动难入门,慢慢就死掉了,参考中国古代数学发展。

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所以现在的数分教育挺偏颇的。

你看见数学家"编"定理证明了你觉得显而易见的结论。

但是,你不知道数学家构造出了很多例子反驳了更多你觉得"显而易见"的结论

课堂上教师反例讲得太少了,等你多学习一些反例,你就知道普通人的"直觉"多不靠谱。

比如,你觉得介值定理显而易见,那么反过来呢?如果一个函数,对于它的任意两点f(a),f(b))和这两点函数值之间任意一个值d都存在 (a,b)之间的c使得f(c)=d。请问这个函数连续吗?

一个不为常数的周期函数,是不是一定存在最小正周期呢?

一个图形,它面积是有限的,那么它的周长一定也是有限的,对吗?

中值定理对于(可微)复值函数是否成立呢?

一个函数在某个点可导并且导数为正,那么在这个点附近,这个函数是否一定单调呢?

一个函数处处可导,能不能保证它至少在某个点附近可以单调呢?

假设一个连续函数,它在有理点可微,在无理点不可微,它存在吗?

上面还只是涉及到单调、可导这些特别简单的概念,等复杂一点反例更多。

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这些显而易见的定理基本都在分析里。分析因为涉及无穷,经常出现一些意想不到的问题。微积分刚诞生的一两百年里,数学家也不写这些定理,结果就被一个叫伯克利的大主教批判,伯克利说,这个无穷小量,既然能做分母,就肯定不是零,但是求导求到最后,却让他又等于零了,这不是自相矛盾吗?为了补上这类逻辑漏洞,分析才逐渐发展成这样的。

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