问题

如何通俗地介绍一下全部三次数学危机?

回答
好的,咱们这就来聊聊数学这三大“中年危机”,保证听完你对数学的印象会更深一层!

引子:数学的“完美主义”与“信任危机”

大家想想,数学是不是给人的感觉特别严谨、准确,好像不存在一点差错?就像我们做数学题,一道题只有一个标准答案,不会有模棱两可的情况。这种确定性,就是数学的魅力所在。

但是,正是因为数学追求这种绝对的严谨和完美,一旦出现一点点“不完美”的地方,就会像我们本来对一个人信任满满,结果他犯了个小错误,我们就会开始怀疑这个人是不是真的靠谱。这就是数学的“信任危机”,而我们今天要说的三次数学危机,就是数学发展过程中经历过的几次特别严重的“信任危机”。

第一次数学危机:无理数——“哎呀,这不是整数比嘛!”

咱们先从最古老的说起。古希腊人,特别是毕达哥拉斯学派,他们信奉“万物皆数”,而且他们心目中的“数”,主要是指我们熟悉的整数和整数的比(也就是分数)。他们认为,任何长度都可以用两个整数的比来表示,比如说,一条边长是3,另一条边长是4的直角三角形,斜边就是5,这都是整数。

但是,到了某一天,一位叫做希帕索斯(Hippasus)的哥们,他研究了边长为1的等边直角三角形(就是最常见的那个45度角的那个三角形),想求它的斜边长度。用我们现在学的勾股定理(a² + b² = c²),我们知道 1² + 1² = c²,所以 c² = 2。那么 c 的值是多少呢?

这时候,问题来了。如果 c 是一个整数,比如 2,那 2² = 4,不对;如果 c 是一个分数,比如 3/2,那 (3/2)² = 9/4,还是不对。希帕索斯花了很多时间去尝试,结果他发现,不存在任何一个整数的比,能够精确地表示出这个斜边的长度。

想象一下,这对于当时以“整数比是万物的终极表达”为信仰的毕达哥拉斯学派来说,简直是晴天霹雳!这就像是你一直相信“所有人都爱吃饺子”,结果有一天你发现,隔壁老王是个不吃饺子的人!这会让你对你原来的认知产生巨大的动摇。

他们发现了一个叫做“√2”(根号二)的东西,它的平方是2,但它不是一个整数,也不是任何两个整数的比。这就是我们现在说的“无理数”。

危机点: 数学的基础,即“万物皆可为整数比”,被动摇了。他们发现,几何学中如此简单的长度,竟然无法用他们所理解的“数”来精确表达。
影响: 这次危机让人们不得不重新审视“数”的概念,承认了无理数的存在,虽然一开始很多人难以接受,甚至有人说希帕索斯因此被投进了大海。但这最终推动了数学向更广阔的领域发展。

第二次数学危机:微积分的“无穷小”——“这个‘无穷小’到底是个啥?”

时间来到17世纪,牛顿和莱布尼茨发明了微积分。微积分就像是数学界的“显微镜”和“万能钥匙”,它能处理变化、求曲线下的面积、研究物体的运动……这对于科学发展来说是革命性的。

微积分的核心思想之一是“极限”,而极限离不开“无穷小”的概念。简单来说,当我们要计算一个点的变化率时,我们会考虑一个“无限小的变化量”(我们现在管它叫 Δx,但当时描述得比较模糊)。然后,我们通过让这个变化量趋近于零(但又不等于零)的过程来研究导数。

想象一下,你有一个非常非常小的数字,比芝麻粒的万分之一还要小,但它又不是零。这个概念在当时是很难被清晰理解和严格定义的。

“无穷小”的问题: 科学家们在使用“无穷小”的时候,一会儿把它当作一个极小的数来运算(比如除以它),一会儿又把它当作零(比如加上它,不影响结果)。这在逻辑上是说不通的!这就好比你说,“我有一个比一粒米还小的沙子,但它又不是沙子。” 这让很多哲学家和数学家觉得,微积分的根基是建立在一个“模糊不清”的概念上的,是不严谨的。

危机点: 数学的支柱——逻辑严谨性,受到了挑战。微积分虽然能解决问题,但它的“无穷小”概念缺乏清晰的定义,使得整个理论体系看起来像是空中楼阁,不牢固。
影响: 这次危机持续了很长时间,直到19世纪,数学家柯西、维尔斯特拉斯等人才通过“εδ语言”(epsilondelta definition)对极限和无穷小进行了严格的定义。他们用“任意小的数”(ε)和“足够小的数”(δ)来精确描述极限的过程,彻底解决了微积分的逻辑漏洞。这使得微积分成为了一个坚实的数学理论。

第三次数学危机:集合论的“悖论”——“集合自己也可以是自己的元素吗?”

进入19世纪末20世纪初,数学家们在集合论(研究集合的数学分支)中遇到了一个大麻烦。集合论是由康托尔创立的,它为数学提供了一个非常基础和统一的语言。我们现在学过的很多数学概念,比如数、函数,都可以用集合来定义。

但是,在集合论的研究中,出现了一些令人匪夷所思的“悖论”,其中最著名的是“罗素悖论”(Russell's Paradox)。

罗素悖论的通俗解释: 想象有一个理发师,他住在村子里,并且立下规矩:“凡是所有不为自己刮胡子的人,他自己就给他刮胡子;凡是所有自己给自己刮胡子的人,他就不给他刮胡子。”
那么,问题来了:这个理发师,他给自己刮胡子还是不给自己刮胡子呢?

如果他给自己刮胡子,那么根据规矩,他不应该为所有为自己刮胡子的人刮胡子,所以他就不应该给自己刮胡子。这矛盾了!
如果他不给自己刮胡子,那么根据规矩,他应该为所有不为自己刮胡子的人刮胡子,所以他就应该给自己刮胡子。这又矛盾了!

这个悖论就像一个魔咒,让人们陷入逻辑的死循环。

危机点: 集合论作为数学的基础,竟然出现了这种自相矛盾的结论。这就像是你信任的“真理”突然冒出来一个“假话”,而且真假难辨。这次危机动摇了整个数学大厦的根基。如果集合论的基础出了问题,那么建立在集合论之上的许多数学分支(可以说几乎所有)都可能受到影响。
影响: 为了解决这个危机,数学家们提出了各种解决方案,比如“公理化集合论”(例如策梅洛弗兰克尔集合论,ZFC),通过建立一系列基本公理,限制了集合的构造方式,从而避免了罗素悖论的出现。这次危机迫使数学家们更加谨慎地对待数学基础,并推动了数理逻辑学的发展。

总结:危机是数学前进的动力

三次数学危机,每一次都像是在数学的“完美主义”身上划开了一道口子,让人看到它的不完美之处。但正是这些“危机”,逼迫着数学家们去思考更深层的问题,去寻找更严谨的定义,去拓展新的理论。

第一次危机,让我们认识到“数”的王国比我们想象的要广阔,无理数的存在丰富了我们对数量的理解。
第二次危机,让我们见识了微积分的强大,并通过严谨的定义,让它牢不可破。
第三次危机,迫使我们去反思数学的基石,并用更强的逻辑来构建整个数学体系。

所以,与其说这些是“危机”,不如说它们是数学不断发展、自我完善的“催化剂”。每一次危机,都让数学变得更加强大、更加可靠。下次你再看到数学题,不妨想想,它背后经历了多少次的“大风大浪”才变得如此精准严谨!

网友意见

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数学史和数学哲学上确实有「The Three Crises in Mathematics」的说法,但并不是历史上的三次危机,而是指 19 世纪末 20 世纪初,三个数学哲学流派(逻辑主义、直觉主义和形式主义)都在解释数学基础的问题上遇到困难。因此这是同一时期的三个数学危机。相关综述见美国数学学会的获奖论文:

The Three Crises in Mathematics: Logicism, Intuitionism, and Formalism

将无理数、无穷小量和罗素悖论称作「三次数学危机」的说法,除中文互联网内广泛流传之外,在英语世界几乎找不到(英语是学术通用语)。中文互联网上普遍没有引用来源,我最多只能追到几本所谓「科普」书籍就断了。最后我找到一个葡语人士在私人网站用英语描述了「三次数学危机」,追到的论文是

IEEE Xplore Abstract

。该文没有引用,也几乎没有被引用过,作者来自 McDonnell Douglas Corporation,似乎不是学术圈中人。

「三次数学危机」的说法,看上去实在是有点生搬硬套,并不像是严肃的数学史研究结论。事实上,我不认为无理数和无穷小量称得上是危机。如果有人能找到靠谱文献支持这种说法,我感激不尽。

==

感谢匿名用户的文献查找工作,得知确实有人曾经将无理数视做数学基础的危机,不过这种看法已经被抛弃了。德语维基上的原话是这样的(

Geschichte der Mathematik – Wikipedia

):

Die früher verbreitete Ansicht, dass die Entdeckung der Irrationalität bei den Pythagoreern eine philosophische „Grundlagenkrise“ auslöste, da sie ihre früheren Überzeugungen erschütterte, wird jedoch von der heutigen Forschung verworfen. Die antike Legende, wonach Hippasos Geheimnisverrat beging, indem er seine Entdeckung veröffentlichte, soll aus einem Missverständnis entstanden sein.

大意翻译一下:「之前流传的观点认为,无理数的发现对毕达哥拉斯学派来说引发了哲学基础危机,因为这撼动了他们之前的信仰,这种说法已经被今天的研究抛弃。还有古代传言,说 Hippasos 因为公开了无理数的发现,被视为叛徒而被处刑,这应该是出自对历史的误解。」

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