解決了數學危機,卻被逼瘋死在精神病院

2021-01-15 數學與人工智慧


在上篇文章中,我們說到由柯西與康託爾為代表的數學家們,通過建立起了嚴謹的極限理論,和實數理論成功解決第二次數學危機。(傳送門:互掐了半輩子的兩個數學巨頭,到最後連單身問題都沒解決)


就當大家覺得總算可以消停會時,第三次危機又來了



    又是一個找茬的    


然而這次危機的引發者,恰恰也是解決了第二次危機的數學家——康託爾。


格奧爾格·康託爾Cantor,Georg Ferdinand Ludwig Philipp1845.3.3-1918.1.6)


格奧爾格·康託爾,德國數學家,出生於俄國聖彼得堡,1856年全家遷居德國的法蘭克福,先在一所中學,後在威斯巴登的一所大學預科學校學習。


1873年11月29日,康託爾給戴德金(Julius Wilhelm Richard Dedekind )寄了一封信,信中提到:正整數的集合(n)與實數的集合(x)之間能否把它們一一對應起來。


同年12月7日,康託爾又寫信給戴德金,說他已能成功地證明實數的「集體」是不可數的,也就是不能同正整數的「集體」一一對應起來。這標誌著集合論的誕生。


十九世紀下半葉,他創立了著名的集合論。但在集合論剛產生時,遭到了許多人的猛烈攻擊。



尤其有一個叫克羅耐克的數學家,處處與康託爾作對,跟針對牛頓的貝克萊 一樣,克羅耐克也有一句名言:「上帝創造了正整數,其餘的是人的工作」。


克羅內克認為,數學的對象必須是可構造出來的,不可用有限步驟構造出來的都是可疑的,不應作為數學的對象。他反對無理數和連續函數的理論,並且說康託爾的集合論空空洞洞毫無內容。


由於連續統假設長期得不到證明,以及克羅耐克在當時的數學界權勢很大,康託爾不斷的受到各方面打壓,甚至由於過度緊張得了精神病,最後死在了精神病院裡。



後來有越來越多的數學家,接受了康託爾這一開創性成果,認為從自然數與康託爾集合論出發,可建立起整個數學大廈—「一切數學成果可建立在集合論基礎上」。


   一波未平一波又起    


但好景不長,又有一個震驚數學界的消息傳出來了:集合論是有漏洞的!


1903年,數學家羅素(Bertrand Russell,1872—1970)提出的一個悖論:若S由一切不是自身元素的集合所組成,那S包含S嗎?



通俗的描述就是:有一位理髮師,他只給所有不給自己理髮的人理髮,不給那些給自己理髮的人理髮。問:他要不要給自己理髮呢?


如果他給自己理髮,他就屬於那些給自己理髮的人,因此他不能給自己理髮。如果他不給自己理髮,他就屬於那些不給自己理髮的人,因此他就應該給自己理髮。


說到這個羅素,也是大有來頭,不僅是哲學家、數學家、邏輯學家、歷史學家、文學家,也是分析哲學的主要創始人,世界和平運動的倡導者和組織者。




羅素出生在英國的一個貴族家庭,祖父曾擔任英國首相。雖然家裡很有錢,但不幸的是,在羅素年幼的時候,父母和祖父相繼離世,他從小由祖母照顧。



祖母出身於一個貴族的虔誠教徒的家庭,特別講究規矩和清教徒的美德,而且不允許懷疑。但數學是可以懷疑的,因為數學沒有倫理內容,於是羅素喜歡上了數學。


同樣的,羅素也有一句名言:在數學中最令我欣喜的,是那些能夠被證明的東西。



羅素的這個悖論看似簡單明了,卻輕輕鬆鬆的摧毀了集合理論!許多把數學作為信仰的數學家,心態爆炸。


他還把自己的發現告訴了德國著名邏輯學家弗雷格(Friedrich Ludwig Gottlob Frege)。

弗雷格(Friedrich Ludwig Gottlob Frege,1848.11.8-1925.7.26)

然而,看完信後的費雷格差點吐血。因為這時候,弗雷格的關於集合的基礎理論正好完稿付印。


因為這個悖論的誕生,導致了他的著作《算術原理》中的第五公理是錯的。


最後他在自己著作的末尾寫道:


「一個科學家所碰到的最倒黴的事,莫過於是在他的工作即將完成時卻發現所幹的工作的基礎崩潰了。」


    第三次數學危機的解決方案    


為了解決這次數學危機,數學家們紛紛提出自己的解決方案。


首先進行這個工作的是德國數學家策梅羅( Zermelo),他提出七條公理,建立了一種不會產生悖論的集合論。


又經過德國的另一位數學家弗芝克爾(Fraenkel-Conrat,Heinz)的改進,形成了一個無矛盾的集合論公理系統。即所謂ZF公理系統。


(1)外延公理(容積公理):一個集合完全由它的元素所決定。如果兩個集合含有的元素相同,則它們是相等 [1]  的。


(2)分離公理模式:「對任意集合X和任意對X的元素有定義的邏輯謂詞P(z),存在集合Y,使z∈Y 若且唯若z∈X而且P(z)為真」

也就是說:若A是一個集合,那麼可以斷定,B={x∈A|P(x)}也是一個集合。


(3)配對公理:對任意a和b是對象,則存在一個集合{a,b},其僅有的元素是a和b。

也就是說:我們可以用一個集合Z={X,Y}來表示任給的兩個集合X,Y,稱之為X與Y的無序對。


(4)併集公理:任給一族M,存在UM(稱為M的並)它的元素恰好為M中所含元素的元素。

也就是說:我們可以把族M的元素的元素匯集到一起,組成一個新集合。

註:為了方便描述,定義族表示其元素全為集合的集合。


(5)冪集公理(子集之集公理):對任意集合X,存在集合P(X),它的元素恰好就是X的一切子集。

也就是說:存在以已知集合的一切子集為元素的集合。


(6)無窮公理:存在歸納集。(存在一個集合,空集是其元素,且對其任意元素x,x+=x∪{x}也是其元素)

也就是說,存在一集合x,它有無窮多元素。


(7)替換公理模式(置換公理):也就是說,對於任意的函數F(x),對於任意的集合T,當x屬於T時,F(x)都有定義(ZF中唯一的對象是集合,所以F(x)必然是集合)成立的前提下,就一定存在一集合S,使得對於所有的x屬於T,在集合S中都有一元素y,使y=F(x)。也就是說,由F(x)所定義的函數的定義域在T中的時候,那麼它的值域可限定在S中。


(8)正則公理:也叫基礎公理。所有集都是良基集。說明一個集合的元素都具有最小性質,例如,不允許出現x屬於x的情況。

準確的定義:「對任意非空集合x,x至少有一元素y使x∩y為空集。」


以上8條公理組成了ZF公理系統,再加上選擇公理,則組成了ZFC公理系統


即使歷史上的三次數學危機,給人們帶來了極大的麻煩,但危機的產生也使人們認識到了現有理論的缺陷,科學中悖論的產生常常預示著人類的認識將進入一個新階段。


所以悖論是科學發展的產物,又是科學發展源泉之一。

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  • 數學史上的3次數學危機
    在數學的發展史上,大大小小的矛盾出現過很多,但很少能威脅到整個數學基礎理論,甚至引起危機。即便是千百年來人們對歐幾裡得幾何公理第五公設的疑惑,也不曾造成數學上的危機,且最終成就了羅巴切夫斯基幾何和黎曼幾何。數學史上共出現三次數學危機,每次都是由於悖論的發現而深刻和廣泛的影響了數學基礎。
  • 數學上的三次危機
    在數學發展史中,始終貫穿著這些矛盾的鬥爭與解決,而在矛盾激化到涉及整個數學的根本基礎時,就會產生數學危機。所謂的數學危機,指的就是數學公理在定義上的不完全或者是不夠嚴謹,導致了在理性的推論下,得到錯誤結論的情況,不過所謂機遇與挑戰並存,數學家喜歡機遇,但也同時不畏挑戰,要想解決這些危機,就要對數學基礎理論進行修正和補充,而這樣的努力,也往往給數學帶來新內容。
  • 第三次數學危機已經存在了100多年了,至今還沒有解決嗎?
    其實這個問題的提到的兩個數學現象根本不在一個層次上。從遠古時代到現代,數學史上一共有三次危機。第一次是古希臘關於無理數的誕生產生的爭論,第二次是微積分裡無窮小量的爭論,第三次就是19世紀關於集合論定義的爭論。
  • 世界數學史上的三次數學危機
    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。至於埃及、巴比倫、中國、印度等國的數學,並沒有經歷過這樣的危機和革命,也就繼續走著以算為主,以用為主的道路。而由於第一次數學危機的發生和解決,希臘數學則走上完全不同的發展道路,形成了歐幾裡得《原本》的公理體系與亞里斯多德的邏輯體系,為世界數學作出了另一種傑出的貢獻。
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    畢達哥拉斯一看事情瞞不住就和自己愛徒一商量,既然解決不了問題,那就解決提出問題的人吧。可憐的希帕索斯被綁上石頭扔進了愛琴海裡淹死了。但希帕索斯的死並沒有將無理數帶走,反而把希臘的數學界翻了個底朝天。整個這件事,就被稱為第一次數學危機。
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    近代數學極限概念和計算方法的引入不僅解決了主體性的微積分理論的可能性問題,也解決了伴隨性的無理數概念的現實性問題,無窮小量和無窮大量的概念和計算方法既適用於主體性的微積分理論,也適用於解釋伴隨性的無理數的「數論」問題。