數學危機系列一:第一次數學危機

2021-02-08 輕鬆學高等數學

所謂危機,就是激化了的矛盾,到了非解決不可的地步。發生危機並不是什麼壞事,甚至是大大的好事,通過危機的解決,會把以前不利於發展的因素清除或將以前不穩固的地基打牢,以便更快更健康地發展!

數學在發展過程中就經歷了多次危機,最著名的有三次。

 

第一次數學危機的產生與數的發展有關,我們從「自然數」這個根講起。

 

自然數

人類是動物進化的產物,最初也完全沒有數量的概念。但人類發達的大腦對客觀世界的認識已經達到更加理性和抽象的地步。這樣,在漫長的生活實踐中,由於記事和分配生活用品等方面的需要,才逐漸產生了數的概念。比如捕獲了一頭野獸,就用1塊石子代表。捕獲了3頭,就放3塊石子。

數的概念最初不論在哪個地區都是1、2、3、4……這樣的自然數開始的,所以德國科學家克羅內克說過:

上帝創造了自然數,其它都是人的作品。

有理數

古希臘數學是在幾個中心地點發展起來的,每個中心地點,總是由一兩個偉大學者組織成群的學者開展學術活動,為數學大廈的築起添磚加瓦。用現在的語言描述,就是創建學派,師徒相傳,推動數學的發展與傳播

其中最重要的一個學派叫做畢達哥拉斯學派。這個學派是以貴族式的觀念形態作為基礎,與在當時撒摩斯島(Samos,現土耳其西岸小島)的古希臘民主制的觀念形態,形成尖銳的對立,是具有神秘色彩的組織。

 

從某種意義上來講,現代意義下的數學,也就是作為演繹系統的純粹數學,來源予古希臘畢達哥拉斯學派。它是一個唯心主義學派,興旺的時期為公元前500年左右。他們認為,「萬物皆數」(指整數),數學的知識是可靠的、準確的,而且可以應用於現實的世界。

畢達哥拉斯學派相信任意兩條線段a與b都可公度,就是指存在一條小線段d作為a與b的共同度量單位,使得a=nd,b=md。這意味著b/a=m/n,其中m與n都是整數。因此,當畢達哥拉斯學派相信兩條線段a與b可公度時,用我們現在的語言表達就是指任意兩條線段的比是整數或分數。簡言之,是一個有理數。

有理數有一種簡單的幾何解釋。在一條水平直線上,標出一段線段作為單位長,如果令它的定端點和右端點分別表示數0和1,則可用這條直線上的間隔為單位長的點的集合來表示整數,正整數在0的右邊,負整數在0的左邊。以q為分母的分數,可以用每一單位間隔分為q等分的點表示。於是,每一個有理數都對應著直線上的一個點。

古代數學家認為,這樣能把直線上所有的點用完。

也就是說數軸上除了有理數,不會再有其它的數了。

 

危機出現

大約在公元前5世紀,畢達哥拉斯學派的希帕索斯發現了:等腰直角三角形的直角邊與其斜邊不可通約。新發現的數由於和之前的所謂「合理存在的數」——即有理數在學派內部形成了對立,所以被稱作了無理數。希帕索斯正是因為這一數學發現,而被畢達哥拉斯學派的人投進了大海,處以「淹死」的懲罰。 

直角三角形的直角邊與其斜邊不可通約,這個簡單的數學事實的發現使畢達哥拉斯學派的人感到迷惑不解。它不僅違背了畢達哥拉斯派的信條,而且衝擊著當時希臘人持有的「一切量都可以用有理數表示」的信仰。所以,通常人們就把希帕索斯發現的這個矛盾,叫做希帕索斯悖論。 

希帕索斯發現的√2是人類歷史上誕生的第一個無理數。以現在人的眼光來看,不可通約量或無理數的發現,或許是畢達哥拉斯學派最大的貢獻。然而,在當時它的發現為什麼會被古希臘人認為是悖論並引發如此嚴重的問題呢?我們有必要對此進一步說明。

首先,這一發現動搖了畢達哥拉斯學派的數學與哲學根基,它將推翻畢達哥拉斯學派「萬物皆數」的基本哲學信條。不可通約量的發現表明有些量不能用數來表示,這就宣告他們「一切事物和現象都可以歸結為整數與整數的比」的數的和諧論的破產;而他們建立在數的和諧論上的對宇宙本質的認識也是虛妄的。

 

 其次,這一發現摧毀了建立在「任意線段都是可通約的」這一觀點背後的數學觀念。具體而言,畢達哥拉斯學派接受一種數學原子論的觀點。這種質樸的觀念認為:線是由原子次第連接而成,有如項鍊是由一串珠子組成一樣。原子可能非常小,但都質地一樣,大小一樣,它們可以作為度量的最後單位。這一認識構成了畢達哥拉斯學派的幾何基礎。

 

更重要的是,這一發現摧毀了人們通過經驗與直覺獲得的一些常識。根據經驗以及各式各樣的實驗,任何量,在任何精度的範圍內都可以表示成有理數。這不但是古希臘人普遍接受的信仰,就是在今天,測量技術已經高度發展時,這個斷言也毫無例外是正確的!對於日常生活來說,有理數是足夠用了。對於科學研究而言,僅有理數也夠用了。就度量的所有實際目的來說,有理數都是完全夠用了。

 

而不可通約量的存在,意味著當我們用輾轉相除法比較兩線段的長度時,這個過程將會無限進行下去,永無休止;意味著我們即便有一根刻有非常非常精細刻度的理想的尺子,我們也無法量出所有長度,因為當我們面對不可通約量時,我們需要無限次地看尺子上的刻度,而且永遠看不完;意味著在比較兩條線段的長度時,有時候你永遠也找不到一個共同的度量單位;意味著就度量的所有實際目的來說完全夠用的有理數,對數學來說卻是不夠的……

面對不可公度量,古希臘人陷入困惑與混亂之中。更糟糕的是,面對由不可公度量帶來的多重毀滅性打擊,人們竟然毫無辦法。這就在當時直接引起人們認識上的危機,從而導致了西方數學史上一場大的風波,史稱「第一次數學危機。

但真理終究是真理,危機爆發30年後,柏拉圖的學生攸多克薩斯解決了關於無理數的問題。他純粹用公理化方法創立了新的比例理論。這種理論最終得到了大眾的接受與認可,也標誌著第一次數學危機的結束


相關焦點

  • 數學的三次危機——第一次數學危機
    數學中有大大小小的許多矛盾,例如正與負、加與減、微分與積分、有理數與無理數、實數與虛數等等。在整個數學發展過程中,還有許多深刻的矛盾,例如有窮與無窮、連續與離散、存在與構造、邏輯與直觀、具體對象與抽象對象、概念與計算等等。在數學史上,貫穿著矛盾的鬥爭與解決。當矛盾激化到涉及整個數學的基礎時,就會產生數學危機。而危機的解決,往往能給數學帶來新的內容、新的發展,甚至引起革命性的變革。
  • √2與第一次數學危機
    √2與第一次數學危機每一次危機都是進步,數學如此,人類如此!第一個無理數啥,數學發展史上還有危機?什麼危機,難道是沒有人學數學了?當然不是,而是數學發展在當時遇到了挑戰,當時人們的認知水平沒有達到而引起的衝擊。
  • 第一次數學危機
    第一次數學危機1.1 背景第一次危機發生在公元前
  • 「第一次數學危機」是如何引發的
    這個不可通約量的發現和芝諾悖論一起引發了「第一次數學危機」。  希帕索斯正是因為這一數學發現,而被畢達哥拉斯學派的人投進了大海,處以「淹死」的懲罰。因為他竟然在宇宙間搞出了這樣一個東西來否定畢達哥拉斯學派的信條:宇宙間的一切現象都能歸結為整數或整數之比。  畢達哥拉斯學派是古希臘最古老的哲學學派之一。據說這個學派有兩條最能概括他們思想特色的格言:「什麼最智慧?
  • 第一次數學危機(數學愛好者必須了解的歷史)
    芝諾悖論古希臘著名哲學家芝諾(約公元前490年~前425年)曾提出四條著名的悖論,也被如今的數學史界認定為引發第一次數學危機的重要誘因之一。第一,「二分法」。運動著的東西在到達目的地之前須先完成行程的一半,而在完成行程的一半後,還須完成行程的一半的一半……如此分割,乃至無窮,因而它與目的地之間的距離是無限的,永遠也達不到目的地。
  • 勾股定理竟然引發了第一次數學危機?
    從某種角度來說,數學不能出現矛盾,也不能出現危機。不幸的是,在兩千多年的歷史進程裡,堅如磐石的數學大廈仍然出現了裂痕。第一次數學危機,就誕生在人們對整數和幾何的認識之中。(一)無理數的覺醒-畢達哥拉斯的怒火數與形,是人類最早認識世界的基礎。因此,作為數的代表-整數與事物形狀的代表-幾何,就這樣進入人們理性思辨的世界。第一次數學危機,就誕生在人們對整數和幾何的認識之中。"
  • 趣味課堂之第一次數學危機
    而危機的解決,往往能給數學帶來新的內容、新的發展,甚至引起革命性的變革。數學的發展就經歷過三次關於基礎理論的危機。        古希臘哲學家畢達哥拉斯 一、第一次數學危機起因畢達哥拉斯學派主張「數」是萬物的本原、始基,而宇宙中一切現象都可歸結為整數或整數之比。
  • 數學史上的三次數學危機
    第一次數學危機第一次數學危機第一次數學危機發生在公元前580~568年之間的古希臘, 無理數的發現,引起了第一次數學危機。 古希臘數學家畢達哥拉斯建立了畢達哥拉斯學派,由畢達哥拉斯提出的著名命題「萬物皆數」是該學派的哲學基石,而「一切數均可表成整數或整數之比」則是這一學派的數學信仰。
  • 第一次數學危機是什麼?
    這個過程就叫做第一次數學危機。很久以前做了這個視頻:最早的學霸是誰?再次發出來給大家複習一下。以下為我的科普書《十分鐘智商運動》中相關內容的文章。例如,他們提出了畢達哥拉斯定理,也就是我們熟知的勾股定理。這個定理告訴我們:一個直角三角形兩個直角邊的平方和等於斜邊的平方。
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  • 數學史上的第三次數學危機
    這個悖論引發了第三次數學危機!一、前兩次危機回顧第一次數學危機顛覆了畢達哥拉斯「萬物皆數」的哲學理念而發現無理數;第二次數學危機是萊布尼茨和牛頓的微積分工具所致。集合可以劃分為兩類,一是本身不是本身的元素,如自然數集;另一類是本身也是本身的元素,比如一切建築群組成的集合。二、羅素悖論及第三次數學危機數學家們發現,從自然數與康託爾集合論出發可建立起整個數學大廈。因而集合論成為現代數學的基石。
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    微博關於數學、網課的熱搜一個接一個。很多同學認為,上網課的效率不高,看著看著就想睡覺。那今天給大家講一個有趣的數學史故事。後面我們會專門開一個數學史系列,一起遇見數學,撩上數學,愛上數學。網課說到第1次數學危機,說說他的主角人物-畢達哥拉斯。何許人也?公元前5世紀,古希臘著名的數學家、哲學家。
  • 數學史上的3次數學危機
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  • 三次數學危機歷程中矛盾對於數學發展史的推動
    而以有無限之區分、連續還是發散、存在亦或是構造、具體抽象、概念計算為例的一系列矛盾,終於也是你方唱罷我登場,以一線貫穿但又枝狀發展的形態參與了整座部頭的數學史,以產生與解決兩大需求與動力作為燃料,燃起了數學的滿天光彩。歷史的前車之鑑告訴我們,在矛盾的激化蔓延到涉及整個數學的基礎時,數學危機就作為一種機制發生。而危機的解決,往往能給數學帶來一籮筐的新意:新內涵、新進步、新變革。
  • 數學的三次危機
    一、第一次數學危機從某種意義上來講,現代意義下的數學,也就是作為演繹系統的純粹數學,來源予古希臘畢達哥拉斯學派。它是一個唯心主義學派,興旺的時期為公元前500年左右。 誘發第一次數學危機的一個間接因素是之後「芝諾悖論」的出現,它更增加了數學家們的擔憂:數學作為一門精確的科學是否還有可能?宇宙的和諧性是否還存在? 在大約公元前370年,這個矛盾被畢氏學派的歐多克斯通過給比例下新定義的方法解決了。
  • 第二次數學危機
    《數學通識50講》1、貝克萊和牛頓的宗教信仰不同,從而挑戰後者。貝克萊提出的問題看似很小,卻引發了第二次數學危機(第一次就是畢達哥拉斯淹死叛逆學生的「無理數」事件)。對於貝克萊以及芝諾這樣愛較真,但講理的人,不要覺得他們討厭,他們對數學的完善是有貢獻的。
  • 數學史上三大危機
    在整個數學發展過程中,還有許多深刻的矛盾,例如有窮與無窮、連續與離散、存在與構造、邏輯與直觀、具體對象與抽象對象、概念與計算等等。在數學史上,貫穿著矛盾的鬥爭與解決。當矛盾激化到涉及整個數學的基礎時,就會產生數學危機。而危機的解決,往往能給數學帶來新的內容、新的發展,甚至引起革命性的變革。數學的發展就經歷過三次關於基礎理論的危機。