数学史上的三大数学危机

1朱业成2历史上，数学的发展有顺利也有曲折。大的挫折也可以叫做危机。危机也意味着挑战，危机的解决就意味着进步。所以，危机往往是数学发展的先导。数学发展史上有三次数学危机。每一次数学危机，都是数学的根基受到质疑。实际上，也恰恰是这三次危机，引发了数学上的三次思想解放，大大推动了数学科学的发展。31.毕达哥拉斯学派毕达哥拉斯Pythagoras(约前570年—前500年）是公元前500多年古希腊的哲学家、数学家、天文学家。一、与第一次数学危机2毕达哥拉斯(公元前570年～公元前500年)4毕达哥拉斯学派是一个宗教式的组织，也致力于哲学与数学的研究，促进了数学和理性哲学的发展，并对柏拉图和亚里士多德的思想产生很大影响。相传“哲学”（希腊原词意为“智力爱好”）和“数学”（希腊原词意为“可学到的知识”）这两个词是毕达哥拉斯本人所创。52.“万物皆数”学说①数，是世界的法则毕达哥拉斯说的“数”，是指自然数，即正整数，同时还包含它们的比，即正分数。②任意两条线段a、d都是可公度的“可公度的”，意即有公共的度量单位t。nmadtamtdnt6实例①形数（表示图形所用点的个数）7(1)122nnn213(21)nn(32)14(32)2nnn215(43)2nnn三边形数四边形数五边形数六边形数361015491625512223561528458②产生谐音的各个弦的长度成小整数比绷得一样紧的两根弦，若其长度成小整数比，就会发出谐音。例如，1︰2时短弦的音高8度，2︰3时短弦音高5度，3︰4时短弦音高4度；当三根弦的长度之比为3︰4︰6时，就得到谐音。9③同名正多边形覆盖平面只有三种情况：环绕平面上一个点可以紧密地放6个正三角形，或者4个正方形，或者3个正六边形，如图：10毕达哥拉斯学派确信：“宇宙的和谐在于数”，神是以数的规律创造世界的。“万物皆数”学说产生了很大的影响。113.的发现和危机的产生2C11根据毕达哥拉斯定理，边长为1的正方形，其对角线长度若记为，则，推出222112cc22c1）一个不能表成整数比的数但不能表成整数比。c142）不可公度的线段设正方形的边长为，对角线长为，如图：adaad由1）知，与就是不可公度线段。ad153）危机产生，封锁消息希帕索斯泄露秘密，被抛进大海。一个正方形的对角线与其一边的长度是不可公度的希帕索斯(Hippasus)161）无理数像这样的数，和其它一些不能表成整数比的数，称为无理数。22cc4.无理数与数系的扩张——危机的解决172）数轴①古代观点：数轴↔有理数②现代观点：数轴↔实数210183）数系的扩张——危机的解决数系扩张为实数系以后，第一次数学危机就彻底解决了。因为数的范围扩充以后，“万物皆数”的命题就是正确的了；不能表成整数比的数，即无理数，也是实数系中的数了。19二、第二次数学危机第二次数学危机发生在牛顿创立微积分的十七世纪。第一次数学危机是由毕达哥拉斯学派内部提出的，第二次数学危机则是由牛顿学派的外部、贝克莱大主教提出的，是对牛顿“无穷小量”说法的质疑引起的。201．危机的引发1）牛顿的“无穷小”牛顿的微积分是一项划时代的科学成就，蕴含着巨大的智慧和创新，但也有逻辑上的问题。我们来看一个例子。微积分的一个来源，是想求运动物体在某一时刻的瞬时速度。在牛顿之前，只能求一段时间内的平均速度，无法求某一时刻的瞬时速度。21例如，设自由落体在时间下落的距离为，有公式，其中是固定的重力加速度。我们要求物体在的瞬时速度，先求。∴（*）t)(tS221)(gttSg0ttS22101022200011()()2211[()][2()]22SStStgtgtgtttgttt01()2Sgtgtt22当变成无穷小时，右端的也变成无穷小，因而上式右端就可以认为是，这就是物体在时的瞬时速度，它是两个无穷小之比。牛顿的这一方法很好用，解决了大量过去无法解决的科技问题。但是逻辑上不严格，遭到责难。t)(21tg0gt0t232）贝克莱的发难英国的贝克莱大主教发表文章猛烈攻击牛顿的理论。贝克莱问道：“无穷小”作为一个量，究竟是不是0？01()2Sgtgtt如果是0，上式左端当成无穷小后分母为0，就没有意义了。如果不是0，上式右端的就不能任意去掉。t1()2gt（*）24贝克莱还讽刺挖苦说：即然和都变成“无穷小”了，而无穷小作为一个量，既不是0，又不是非0，那它一定是“量的鬼魂”了。这就是著名的“贝克莱悖论”。对牛顿微积分的这一责难并不是由数学家提出的，但是，贝克莱的质问是击中要害的。St253）实践是检验真理的唯一标准应当承认，贝克莱的责难是有道理的。“无穷小”的方法在概念上和逻辑上都缺乏基础。牛顿和当时的其它数学家并不能在逻辑上严格说清“无穷小”的方法。数学家们相信它，只是由于它使用起来方便有效，并且得出的结果总是对的。特别是像海王星的发现那样鼓舞人心的例子，显示出牛顿的理论和方法的巨大威力。所以，人们不大相信贝克莱的指责。这表明，在大多数人的脑海里，“实践是检验真理的唯一标准。”262．危机的实质第二次数学危机的实质是什么？应该说，是极限的概念不清楚，极限的理论基础不牢固。也就是说，微积分理论缺乏逻辑基础。273．危机的解决（严格的极限理论的建立）①在18世纪时，人们已经建立了极限理论，但那是初步的、粗糙的。②19世纪初，捷克数学家波尔查诺开始将严格的论证引入数学分析，他写的《无穷的悖论》一书中包含许多真知灼见。28③做出决定性工作、可称为分析学的奠基人的是法国数学家柯西（A.L.Cauchy,1789—1857）。他在1821—1823年间出版的《分析教程》和《无穷小计算讲义》是数学史上划时代的著作。他对极限给出比较精确的定义，然后用它定义连续、导数、微分、定积分和无穷级数的收敛性，至此，才较好地反驳了贝克莱的责难。④后来，魏尔斯特拉斯创立“”语言，才彻底地反驳了贝克莱的责难。29总之，第二次数学危机的核心是微积分的基础不稳固。柯西的贡献在于，将微积分建立在极限论的基础。魏尔斯特拉斯的贡献在于，逻辑地构造了实数系，建立了严格的实数理论，使之成为极限理论的基础。所以，建立数学分析（或者说微积分）基础的“逻辑顺序”是：实数理论—极限理论—微积分。而“历史顺序”则正好相反。30三、第三次数学危机1．“数学基础”的曙光——集合论到19世纪，数学从各方面走向成熟。非欧几何的出现使几何理论更加扩展和完善；实数理论（和极限理论）的出现使微积分有了牢靠的基础；群的理论、算术公理的出现使算术、代数的逻辑基础更为明晰，等等。人们水到渠成地思索：整个数学的基础在哪里？正在这时，19世纪末，集合论出现了。人们感觉到，集合论有可能成为整个数学的基础。31其理由是：算术以整数、分数等为对象，微积分以变数、函数为对象，几何以点、线、面及其组成的图形为对象。同时，用集合论的语言，算术的对象可说成是“以整数、分数等组成的集合”；微积分的对象可说成是“以函数等组成的集合”；几何的对象可说成是“以点、线、面等组成的集合”。这样一来，都是以集合为对象了。于是，集合论似乎给数学家带来了曙光：可能会一劳永逸地摆脱“数学基础”的危机。庞加莱甚至在1900年巴黎国际数学家大会上宣称：“现在我们可以说，完全的严格性已经达到了！”322．罗素的“集合论悖论”引发危机1）悖论引起震憾和危机正当庞加莱宣布“完全严格的数学已经建立起来！”之后刚刚两年，即1902年，罗素的集合论悖论出来了。伯特兰·罗素（1872-1970）Russell,BertrandArthurWilliam(ThirdEarlRussell)332）罗素悖论在叙述罗素悖论之前,我们先注意到下边的事实：一个集合或者是它本身的成员(元素),或者不是它本身的成员(元素)，两者必居其一。罗素把前者称为“异常集合”，把后者称为“正常集合”。34例如,所有抽象概念的集合，本身还是抽象概念。即，它是这一集合本身的元素，所以是“异常集合”。但是，所有人的集合，不是人，即，它不是这一集合本身的元素，所以是“正常集合”。再例如，所有集合的集合，本身还是集合，即，它是这一集合本身的元素，所以是“异常集合”。但是，所有星星的集合不是星星，即，它不是这一集合本身的元素，所以是“正常集合”。35罗素悖论是：以表示“是其本身成员的所有集合的集合”（所有异常集合的集合），而以表示“不是它本身成员的所有集合的集合”（所有正常集合的集合），于是任一集合或者属于，或者属于，两者必居其一，且只居其一。然后问：集合是否是它本身的成员？（集合是否是异常集合？）MMNNNN36如果是它本身的成员，则按及的定义，是的成员，而不是的成员，即不是它本身的成员，这与假设矛盾。即如果不是它本身的成员，则按及的定义，是的成员，而不是的成员，即是它本身的成员，这又与假设矛盾。即悖论在于：无论哪一种情况，都得出矛盾。NMNNMNNNNNMNNNMNNNMN()NNNNNM37罗素悖论的通俗化——“理发师悖论”：某村的一个理发师宣称，他给且只给村里自己不给自己刮脸的人刮脸。问：理发师是否给自己刮脸？如果他给自己刮脸，他就属于自己给自己刮脸的人，按宣称的原则，理发师不应该给他自己刮脸，这与假设矛盾。如果他不给自己刮脸，他就属于自己不给自己刮脸的，按宣称的原则，理发师应该给他自己刮脸，这又与假设矛盾。383．危机的消除危机出现以后，包括罗素本人在内的许多数学家作了巨大的努力来消除悖论。当时消除悖论的选择有两种，一种是抛弃集合论，再寻找新的理论基础，另一种是分析悖论产生的原因，改造集合论，探讨消除悖论的可能。人们选择了后一条路，希望在消除悖论的同时，尽量把原有理论中有价值的东西保留下来。39这种选择的理由是，原有的集合论虽然简明，但并不是建立在明晰的公理基础之上的，这就留下了解决问题的余地。罗素等人分析后认为，这些悖论的共同特征（悖论的实质）是“自我指谓”。即，一个待定义的概念，用了包含该概念在内的一些概念来定义，造成恶性循环。例如，悖论中定义“不属于自身的集合”时，涉及到“自身”这个待定义的对象。40为了消除悖论，数学家们将“朴素的集合论”加以公理化；并且规定构造集合的原则，例如，不允许出现“所有集合的集合”、“一切属于自身的集合”这样的集合。1908年，策梅洛（E.F.F.Zermelo,1871—1953）提出了由7条公理组成的集合论体系，称为Z-系统。1922年，弗兰克（A.A.Fraenkel）又加进一条公理，还把公理用符号逻辑表示出来，形成了集合论的ZF-系统。再后来，还有改进的ZFC-系统。这样，大体完成了由朴素集合论到公理集合论的发展过程，悖论消除了。41但是，新的系统的相容性尚未证明。因此，庞加莱在策梅洛的公理化集合论出来后不久，形象地评论道：“为了防狼，羊群已经用篱笆圈起来了，但却不知道圈内有没有狼”。这就是说，第三次数学危机的解决，并不是完全令人满意的。42四、三次数学危机与“无穷”的联系三次数学危机都与无穷有关，也与人们对无穷的认识有关。第一次数学危机的要害是不认识无理数，而无理数是无限不循环小数，它可以看成是无穷个有理数组成的数列的极限。43第二次数学危机的要害，是极限理论的逻辑基础不完善，而极限正是“有穷过渡到无穷”的重要手段。贝克莱的责难，也集中在“无穷小量”上。第三次数学危机的要害，是“所有不属于自身的集合”这样界定集合的说法有毛病。而且这里可能涉及到无穷多个集合，人们犯了“自我指谓”、恶性循环的错误。44以上事实告诉我们，由于人们习惯于有穷，习惯于有穷情况下的思维，所以一旦遇到无穷时，要格外地小心。ThankYou！