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數(shù)學(xué)歷史上的三次危機

來源:人教網(wǎng) 文章作者:楊銀舟 2009-08-11 09:11:59

  經(jīng)濟上有危機,歷史上數(shù)學(xué)也有三次危機。第一次危機發(fā)生在公元前580~568年之間的古希臘,數(shù)學(xué)家畢達哥拉斯建立了畢達哥拉斯學(xué)派。這個學(xué)派集宗教、科學(xué)和哲學(xué)于一體,該學(xué)派人數(shù)固定,知識保密,所有發(fā)明創(chuàng)造都歸于學(xué)派領(lǐng)袖。當(dāng)時人們對有理數(shù)的認識還很有限,對于無理數(shù)的概念更是一無所知,畢達哥拉斯學(xué)派所說的數(shù),原來是指整數(shù),他們不把分數(shù)看成一種數(shù),而僅看作兩個整數(shù)之比,他們錯誤地認為,宇宙間的一切現(xiàn)象都歸結(jié)為整數(shù)或整數(shù)之比。該學(xué)派的成員希伯索斯根據(jù)勾股定理(西方稱為畢達哥拉斯定理)通過邏輯推理發(fā)現(xiàn),邊長為l的正方形的對角線長度既不是整數(shù),也不是整數(shù)的比所能表示。希伯索斯的發(fā)現(xiàn)被認為是“荒謬”和違反常識的事。它不僅嚴重地違背了畢達哥拉斯學(xué)派的信條,也沖擊了當(dāng)時希臘人的傳統(tǒng)見解。使當(dāng)時希臘數(shù)學(xué)家們深感不安,相傳希伯索斯因這一發(fā)現(xiàn)被投入海中淹死。

  這就是第一次數(shù)學(xué)危機,這場危機通過在幾何學(xué)中引進不可通約量概念而得到解決。兩個幾何線段,如果存在一個第三線段能同時量盡它們,就稱這兩個線段是可通約的,否則稱為不可通約的。正方形的一邊與對角線,就不存在能同時量盡它們的第三線段,因此它們是不可通約的。很顯然,只要承認不可通約量的存在使幾何量不再受整數(shù)的限制,所謂的數(shù)學(xué)危機也就不復(fù)存在了。不可通約量的研究開始于公元前4世紀的歐多克斯,其成果被歐幾里得所吸收,部分被收人他的《幾何原本》中。

  第二次數(shù)學(xué)危機發(fā)生在十七世紀。十七世紀微積分誕生后,由于推敲微積分的理論基礎(chǔ)問題,數(shù)學(xué)界出現(xiàn)混亂局面,即第二次數(shù)學(xué)危機。微積分的形成給數(shù)學(xué)界帶來革命性變化,在各個科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但微積分在理論上存在矛盾的地方。無窮小量是微積分的基礎(chǔ)概念之一。微積分的主要創(chuàng)始人牛頓在一些典型的推導(dǎo)過程中,第一步用了無窮小量作分母進行除法,當(dāng)然無窮小量不能為零;第二步牛頓又把無窮小量看作零,去掉那些包含它的項,從而得到所要的公式,在力學(xué)和幾何學(xué)的應(yīng)用證明了這些公式是正確的,但它的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程卻在邏輯上自相矛盾。焦點是:無窮小量是零還是非零?如果是零,怎么能用它做除數(shù)?如果不是零,又怎么能把包含著無窮小量的那些項去掉呢?直到19世紀,柯西詳細而有系統(tǒng)地發(fā)展了極限理論。柯西認為把無窮小量作為確定的量,即使是零,都說不過去,它會與極限的定義發(fā)生矛盾。無窮小量應(yīng)該是要怎樣小就怎樣小的量,因此本質(zhì)上它是變量,而且是以零為極限的量,至此柯西澄清了前人的無窮小的概念,而且把無窮小量從形而上學(xué)的束縛中解放出來,第二次數(shù)學(xué)危機基本解決。

  第二次數(shù)學(xué)危機的解決使微積分更完善。

  第三次數(shù)學(xué)危機,發(fā)生在十九世紀末。當(dāng)時英國數(shù)學(xué)家羅素把集合分成兩種。

  第一種集合:集合本身不是它的元素,即aa;第二種集合:集合本身是它的一個元素a∈a,例如一切集合所組成的集合。那么對于任何一個集合b,不是第一種集合就是第二種集合。

  假設(shè)第一種集合的全體構(gòu)成一個集合m,那么m屬于第一種集合還是屬于第二種集合。

  如果m屬于第一種集合,那么m應(yīng)該是m的一個元素,即m∈m,但是滿足m∈m關(guān)系的集合應(yīng)屬于第二種集合,出現(xiàn)矛盾。

  如果m屬于第二種集合,那么m應(yīng)該是滿足m∈m的關(guān)系,這樣m又是屬于第一種集合矛盾。

  以上推理過程所形成的俘論叫羅素悖論。由于嚴格的極限理論的建立,數(shù)學(xué)上的第一次第二次危機已經(jīng)解決,但極限理論是以實數(shù)理論為基礎(chǔ)的,而實數(shù)理論又是以集合論為基礎(chǔ)的,現(xiàn)在集合論又出現(xiàn)了羅素悖論,因而形成了數(shù)學(xué)史上更大的危機。從此,數(shù)學(xué)家們就開始為這場危機尋找解決的辦法,其中之一是把集合論建立在一組公理之上,以回避悖論。首先進行這個工作的是德國數(shù)學(xué)家策梅羅,他提出七條公理,建立了一種不會產(chǎn)生悖論的集合論,又經(jīng)過德國的另一位數(shù)學(xué)家弗芝克爾的改進,形成了一個無矛盾的集合論公理系統(tǒng)。即所謂zf公理系統(tǒng)。這場數(shù)學(xué)危機到此緩和下來。數(shù)學(xué)危機給數(shù)學(xué)發(fā)展帶來了新的動力。在這場危機中集合論得到較快的發(fā)展,數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的進步更快,數(shù)理邏輯也更加成熟。然而,矛盾和人們意想不到的事仍然不斷出現(xiàn),而且今后仍然會這樣。

 

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