问题

如何让普通人明白数学有多复杂?

回答
当数学家推开那扇门:一个凡人的奇幻漂流

你有没有试过,在某个平凡的午后,看着窗外的阳光洒下,突然间,那个熟悉的、你以为你早就了然于胸的世界,在你眼前开始变得……陌生?不是那种闹鬼的陌生,而是那种,你突然发现你一直以来只看到了冰山一角,而那冰山之下,隐藏着一个你从未想象过的庞大而深邃的海洋。

对于大多数人来说,数学就是那个“你一直以来只看到了冰山一角”的玩意儿。我们接触到的数学,是考试里的应用题,是商店里的折扣计算,是工程图纸上的坐标。它看起来实用,但似乎也仅限于此。然而,对于那些真正沉浸在数学世界里的人来说,它远不止这些。它更像是一扇门,一旦推开,你就进入了一个全新的维度。

想象一下,我们来聊聊“数”。

你觉得“数”是什么?是1、2、3,还是1.5、π、√2?我们从小就被教导,数可以用来计数,用来测量。但这只是“数”的表面。

数学家眼中的“数”,是构成宇宙最基本的砖块,但这些砖块远比你想象的要多姿多彩。

从整数到分数: 这很好理解。但当你开始探索“分数”时,就有人跳出来说:“等等,分数是不是就代表着‘一部分’?” 但如果我问你,两个分数相加,答案还是分数吗?答案当然是肯定的。但为什么?是什么让这个“相加”的操作如此神奇,总能稳定地输出同一种性质的“数”?这是一个我们几乎不思考的答案,但在数学里,这就已经是一个值得探索的结构了。

无理数: 好了,现在我们遇到了π(圆周率)。它是一个无限不循环小数。是不是很奇怪?一条看似简单的圆,它的周长和直径之比,居然不是一个我们可以用有限小数或分数表示的“好”数字。这就像宇宙在告诉你:“我这里有些东西,不是你们习惯的那种。” 无理数的出现,不仅仅是一个小数点的延伸,它揭示了数轴上并非所有点都能被我们熟悉的“有理数”填满。数学家们为此着迷,他们开始思考,还有哪些“奇怪”的数?√2、√3、√5……它们为什么存在?它们的集合又是什么样的?

超越实数: 然后,我们遇到了“虚数”。是的,你没听错,虚数。一个数的平方居然可以是负数?这在我们的直观经验里是完全不可能的。负的乘以负的,不是等于正的吗?怎么会得到负的?但数学家们发现,一旦我们允许“i”(i²=1)的存在,世界就突然变得不一样了。复数(包含实数和虚数)的出现,不仅解释了某些物理现象(比如电路分析),更重要的是,它使得许多之前难以解决的方程,突然有了“解”。想象一下,一个看似死胡同的数学问题,因为引入了一个“虚幻”的概念,突然就柳暗花明了。这是一种多么奇妙的智力冒险。

再来聊聊“证明”。

我们考试的时候,经常需要“证明”题。比如证明三角形全等,或者证明一个不等式。但你知道数学家眼中的“证明”是什么吗?

数学证明,不是靠类比,不是靠经验,也不是靠“我觉得”,而是基于严谨的逻辑推导。它需要从最基本的公理(那些我们不假思索就接受的“真理”,比如“一条直线可以连接两点”)出发,一步一步,用逻辑的链条,将新的结论牢牢地固定在已知的“真理”之上。

皮亚诺公理: 即使是最简单的“数”,它们的定义也需要数学家去严格定义。比如,我们怎么证明1+1=2?你需要引入皮亚诺公理,定义“0”,定义“后继数”(下一个数),然后定义加法。通过这些公理,你可以一步一步地推导出:1是0的后继数,2是1的后继数。那么1+1,根据加法的定义,就是1的后继数,也就是2。听起来是不是有点绕?但正是这种严谨,保证了数学结论的普适性和确定性。

欧几里得几何: 为什么我们要学习几何?因为几何是构建空间感和逻辑思维的绝佳工具。欧几里得的《几何原本》就是一部经典的数学证明集。从五个公设出发,他推导出了几百个定理。其中最著名的就是“三角形内角和等于180度”。你觉得这是常识?是的,在平面几何里是。但你知道吗?在其他“非欧几何”的空间里,三角形的内角和可能大于180度,也可能小于180度。这就像是说,你对“空间”的理解,也可能受到“定义”的影响。

数学的复杂,在于它的“抽象”和“普适”。

抽象的艺术: 数学家们擅长将具体的事物抽象化。比如,一个班级的学生,他们的数学成绩,一个城市的交通流量,甚至是你手机上的一次通话,都可以被抽象成“数字”、“变量”、“函数”、“集合”。这种抽象能力,是他们能够发现事物背后隐藏的规律的关键。一个简单的函数y=ax+b,它可以描述一条直线,也可以代表商品的价格与数量关系,甚至可以是一种简单的人口增长模型。这种一层层的抽象,让数学的结论可以应用于无穷多的场景。

普适性的力量: 当一个数学结论被证明时,它就适用于所有符合该定义的事物。牛顿的万有引力定律,就是基于数学模型,将苹果落地和行星运行统一在了同一个数学框架下。这是一个多么了不起的成就!它不仅仅是描述了现象,更是揭示了宇宙运作的底层逻辑。而支撑这一切的,正是数学的严谨和普适。

我们日常接触到的数学,只是数学的“应用层”。

就像你看着一架飞机在天上飞,你可能只关注它的速度、高度,但你很难想象,支撑它飞行的,是空气动力学、材料力学、控制论等等一系列极其复杂的数学模型和计算。

数学的复杂,也体现在它不断向前发展的过程中。

新的数学分支: 随着科学的发展,新的问题不断涌现,数学也随之产生新的分支。拓扑学研究空间的“连通性”,它不关心形状的扭曲,只关心“洞”的数量。群论研究“对称性”,它在密码学、物理学等领域有着广泛应用。范畴论则试图用更宏观的视角统一不同的数学结构。这些分支的名称,对大多数人来说可能闻所未闻,但它们是现代科学和技术进步的重要基石。

数学的边界: 即使是最顶尖的数学家,也并非无所不知。数学研究还在不断探索未知的领域。费马大定理、哥德巴赫猜想……这些看似简单的数学命题,却困扰了数学家们几个世纪。解决这些问题,往往需要发明全新的数学工具和理论。这就像是在一片未知的大陆上探险,每一步都可能 discovery 新的风景,但也意味着要面对更多的未知。

为什么普通人很难“明白”数学的复杂?

教育的断层: 我们的数学教育,很大程度上侧重于“应用”和“解题技巧”,而对于数学的“思想”、“方法”和“美感”的介绍却相对较少。我们被训练着去“做题”,而不是去“思考数学本身”。

缺乏直观体验: 许多高级数学概念,缺乏直观的具象化表达。就像前面提到的虚数,它不像一个苹果或一辆汽车那样容易理解。你需要通过抽象思维去把握。

焦虑与畏惧: 很多人在学习数学的过程中,可能经历过挫折,留下了“我学不好数学”的心理阴影,这种焦虑感会阻碍他们进一步去探索。

那么,如何让普通人感受到数学的复杂和魅力呢?

或许,我们不需要让每个人都成为数学家,但我们可以尝试着让他们看到数学的“另一面”。

从“为什么”开始: 试着解释一些数学概念背后的“为什么”,而不是仅仅告诉他们“怎么做”。比如,为什么会有负数?负负得正的背后,是为了保持运算的“一致性”。

连接生活与数学: 寻找生活中的数学“巧思”。比如,观察生活中存在的黄金分割,了解一些简单的概率如何影响我们的决策。

介绍数学家的故事: 很多数学家并非是枯燥乏味的,他们的人生充满传奇。比如,伽罗瓦在决斗前夜写下了一生最后的数学笔记,这本身就是一个关于数学精神的动人故事。

可视化和互动: 利用现代技术,将抽象的数学概念通过可视化或互动的方式呈现出来。很多数学博物馆和科普网站都在做这样的尝试。

数学的复杂,不在于它有多么晦涩难懂,而在于它所揭示的世界的深度、广度和精妙。它是一种语言,一种思考方式,更是一种对宇宙秩序的探索。当我们看到一个数学公式,不妨想象一下,在它背后,可能隐藏着无数个日夜的思考、无数次的尝试和无数次的灵感碰撞。

数学,就像一位沉默的智者,它静静地在那里,等待着那些愿意推开门、深入探索的人,去发现它那令人惊叹的、超乎想象的宇宙。而你,或许只需要从一个好奇的眼神开始,就能踏上这段奇幻的漂流。

网友意见

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这种一定要玩反差。

要找那种,问题本身非常简单,但是求解却比问题本身复杂非常多的。

让普通人一看,诶,这个题目里的概念我都懂,我也能举例子。

某些不知天高地厚的人或许真会以为是小学生作业题难度了。

有的人可能还想自己试试推导证明的。

你先让他自己琢磨一段时间,之后再把答案甩给他。

他就知道数学的复杂性远超他的想象了。


别整那些黎曼猜想群论之类的非数学专业的都看不懂的东西。

如果理解题目本身都需要高等数学或者以上的知识,就无法带来这种震撼了。

人是无法对自己无法理解的东西产生敬畏的。

也别整奥赛题目,那种只能体现应试的复杂,不能体现数学的复杂。


至于好的例子,我想到了几个,欢迎补充:


1 斐波那契数列

一个成绩中等的中学生,了解等差,等比数列,算是普通人吧?

给他讲讲兔子繁殖的故事,然后引出斐波那契数列,

前两项是1,之后的每一项是前两项之和。

1,1,2,3,5,8,...

很容易理解吧?

让他算第10项,第25项,算一会能算出来吧?


那么,第4396项呢?第114514项呢?硬算太慢了

接着,请他推导斐波那契数列的通项公式。

对力量一无所知的热血少年,或许会仗着自己数学中考分数还不错,拿出草稿纸猛算一整天

然后当他准备放弃,上网找正确答案的时候,才发现

一个每项都是自然数的数列,通项公式竟然带根号?


当然,斐波那契数列数列只是小菜,它的通项公式推导也没那么复杂,找个线代基础不错,会算特征根的的大二学生,也能推出来的。

接下来才是正餐。


2 费马大定理

平方,普通人很容易理解吧?

勾股定理,一般人也知道吧?


好,把费马大定理告诉他。

x^n+y^n=z^n

这么个方程,n=2时,勾股定理对吧。3,4,5;5,12,13,随便找个人,说上几组解不难哈。

然而,n>2时,方程没有正整数解。


普通人的反应大概是:

不会吧?你说没有就没有?肯定是你们还没找到!

然后你可以邀请他找一个,找到了给中科院写信,绝对有大奖。


如果是对数学小有敬畏的,你可以告诉他,这个结论虽然看起来有点奇怪,但是已经得到证明了。

有人可能说了,哦,感觉就是小学或者初中生难度吧?毕竟都是平方,都是整数?

你:如果你能证明这个,可以拿大奖,世界各国轮着给你发奖金,全世界所有顶尖大学抢着请你去当终身教授,各国科学院抢着请你当院士。

他肯定不信,毕竟看起来是这么简单的东西。

然后你可以把安德鲁怀尔斯的百科页面发给他。



费马大定理曾经使德国实业家放弃自杀,这不就是让普通人意识到了数学的复杂的绝妙例子吗?


“勾股定理”在初中数学中讲过,是这样的: x^2+y^2=z^2 那么,这个方程是有解的,最经典的解是x=3,y=4,z=5,称为“勾三股四弦五”。 数学家费马认为当这个方程各个“未知数”的指数都为“大于2的整数”时,就不会有整数解。而且还声称已经得到了“美妙的证明”,但因为“空白的地方太小”写不下,才没有写下证明的过程。 这就是著名的猜想“费马大定理”。 不知道费马是吹牛还是真的得出了证明,反正300多年来,把数学界的各路大神们累得够呛,也没能证明出来。 1847年,当时著名数学家“拉梅”和“柯西”先后宣布证明了费马大定理,然而经过审阅,人们发现“拉梅”和“柯西”的证明都是错的。
这件事情被德国数学家“库默尔”写成论文,发表到了一本数学期刊之上,论文对“拉梅”和“柯西”证明进行了一番周密的分析。 说来也是巧得很,想自杀的这位年轻实业家在写完遗书之后,准备坐等午夜的来临。然而在这段无聊的时间里,他随意地翻了翻订阅的期刊来消磨时间,却正好看到了这篇论文,便饶有兴致地看了起来,越看越有意思,还找来纸和笔细细地演算了一番,这一演算,居然兴致勃勃地鼓捣了一整晚,完全忘记了自杀这回事儿。 等他回想起正事儿的时候,天已经亮了,心胸也变得豁然开朗起来,觉得所谓的爱情跟美妙的数学比起来,那是根本没法儿比啊,为个儿女情长而寻短见,那可真是太荒唐了。 于是,年轻的实业家将遗书修改了一下,改成奖励将来能够证明“费马大定理”的人,该奖定名为“沃尔夫斯凯尔奖”,奖金10万马克。



3

大招来了,我看了一圈竟然没人说这个。


论知名度,小学毕业的人都知道。

论题面之简单,很多小学作业题都比它看起来更复杂。

论证明之困难,目前依然无解。

论吸引人的程度,中科院曾经专门印了一批信纸,用来回复尝试证明它的人。


这个最好的例子,当然就是

哥德巴赫猜想


任一大于2的偶数都可写成两个质数之和。

多么优雅,多么简洁的本体。


质数,偶数,小学知识点。

理解哥德巴赫猜想的题面,只需要小学知识。

证明它,需要多少知识?目前没人知道。

最接近正确答案的,陈景润的答卷,地球上能看懂的,有多少人?

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主人公穿着朴素的新疆棉长衫,

端起一杯82年的二锅头,

往桌子上撒一把茴香豆,

问:请用四种数学工具定义这个域,并延展讨论其开放性或封闭性,如可能请阐明其离散或是连续。

答:WC。

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