数学史上的三次危机.doc

数学史上的三次危机张清利第一次数学危机在古代的数学家看来与有理数对应的点充满了数轴，现在尚未深入了解数轴性质的人也会这样认为。因此，当发现在数轴上存在不与任何有理数对应的一些点时，在人们的心理上引起了极大震惊，这个发现是早期希腊人的重大成就之一。它是在公元前5世纪或6世纪的某一时期由毕达哥拉斯学派的成员首先获得的。这是数学史上的一个里程碑。毕达哥拉斯学派发现单位正方形的边与对角线不可公度，即对角线的长不能表为的形式，也就是说不存在作为公共度量单位的线段。后来，又发现数轴上还存在许多点也不对应于任何有理数。因此，必须发明一些新的数，使之与这样的点对应，因为这些数不能是有理数，所以把它们称为无理数。例如，等都是无理数。无理数的发现推翻了早期希腊人坚持的另一信念：给定任何两个线段，必定能找到第三线段，也许很短，使得给定的线段都是这个线段的整数倍。事实上，即使现代人也会这样认为，如果他还不知道情况并非如此的话。第一次数学危机表明，当时希腊的数学已经发展到这样的阶段：1 数学已由经验科学变为演绎科学；2 把证明引入了数学；3 演绎的思考首先出现在几何中，而不是在代数中，使几何具有更加重要的地位。这种状态一直保持到笛卡儿解析几何的诞生。中国、埃及、巴比伦、印度等国的数学没有经历这样的危机，因而一直停留在实验科学。即算术阶段。希腊则走上了完全不同的道路，形成了欧几里得的几何原本与亚里士多得的逻辑体系， 而成为现代科学的始祖。在当时的所有民族中为什么只有希腊人认为几何事实必须通过合乎逻辑的论证而不能通过实验来建立？这个原因被称为希腊的奥秘。总之，第一次数学危机是人类文明史上的重大事件。无理数与不可公度量的发现在毕达哥拉斯学派内部引起了极大的震动。首先，这是对毕达哥拉斯哲学思想的核心，即“万物皆依赖于整数”的致命一击；既然像这样的无理数不能写成两个整数之比，那么，它究竟怎样依赖于整数呢？其次，这与通常的直觉相矛盾，因为人们在直觉上总认为任何两个线段都是可以公度的。而毕达哥拉斯学派的比例和相似形的全部理论都是建立在这一假设之上的。突然之间基础坍塌了，已经建立的几何学的大部分内容必须抛弃，因为它们的证明失效了。数学基础的严重危机爆发了。这个“逻辑上的丑陋”是如此可怕，以致毕达哥拉斯学派对此严守秘密。据说，米太旁登的帕苏斯把这个秘密泄漏了出去，结果他被抛进了大海。还有一种说法是，将他逐出学派，并为他立了一个墓，说他已经死了。这个“逻辑上的丑陋”是数学基础的第一次危机，既不容易，也不能很快地消除。大约在公元前370年才华横溢的希腊数学家欧多科索斯以及柏拉图和毕达哥拉斯的学生阿契塔给出两个比相等的定义，从而巧妙地消除了这一逻辑上的丑陋.他们给出的定义与所涉及的量是否可公度无关。其实这也是自然的，因为两个线段的比本来与第三个线段无关。当然从理论上彻底克服这一危机还有待于现代实数理论的建立。在实数理论中，无理数可以定义为有理数的极限，这样又恢复了毕达哥拉斯的“万物皆依赖于整数”的思想。第二次数学危机公元前5世纪出现了数学基础第一次灾难性危机，这就是无理数的诞生。这次危机的产生和解决大大地推动了数学的发展。在微积分的发展过程中，一方面是成果丰硕，另一方面书记法的不稳固，出现了越来越多的谬论与悖论。数学的发展又遇到了深刻令人不安的危机。由微积分的基础所引发的危机在数学史上称为第二次数学危机。虽然在牛顿和莱布尼茨创立微积分之后的大约一百年中，很少注意到从逻辑上加强这门学科的基础，但绝不是对薄弱的基础没有人批评。一些数学家进行过长期的争论，并且，两位创立者本人对此学科的有关概念也不满意。对有缺陷的基础强有力批评来自一位非数学家，这就是著名的唯心主义哲学家贝克莱主教。他坚持：微积分的发展包含了偷换假设的逻辑错误。我们以考察牛顿对现在称作为微分所采用的方法，来弄明白这个特殊的批评。早期的微积分常称为“无穷小分析”，其原因在于微积分建立在无穷小概念之上。牛顿、莱布尼茨概莫能外。当时所谓的无穷小并不是“以零为极限的变量”。后者的概念是清晰的，而前者是一种含糊不清的东西，从牛顿的流数法中便可窥见一斑。牛顿称变量为“流量”，流量的微小改变量称为“瞬”，即无穷小，变量的变化率称为“流数”。以求函数的导数为例来说明牛顿的流数法。设流量有一改变量“瞬”，牛顿记作“”，相应地，便从变为，则的改变量为求比值在舍去含乘积的项，于是得到的流数。这一做法似乎与求导数的方法与步骤一样，其实有着天壤之别。求导数步骤中的前两步是算术运算，第三步是求极限，都是合乎逻辑的、毋庸置疑的；但牛顿的流数法却充满了逻辑混乱。首先，作为瞬的“”，与费尔马的“”、莱布尼茨的“”一样，都是所谓的无穷小量，但是什么是无穷小量，他们谁也说不清。牛顿认为他引入的无穷小量“”是一个非零增量，但又说“被他所乘的那些量可以算作没有”。牛顿本人也力图摆脱无穷小量的困惑，提出“最初比”、“最终比”等仍然说不清的新词语。莱布尼茨也发生怀疑，提出“无穷小是不是真正存在？它们有没有严格的根据？”最后说：“我想这可能仍是疑问”。其次，牛顿求流数的方法也不合乎逻辑，先认为“”不是零，求出的改变量，而后又认为“”是零，这违背了逻辑学中的同一律。初期的微积分由于逻辑混乱，引起了不少数学家的非议和责难。英国大主教贝克莱的抨击最为激烈，由此围绕微积分基础大论战便开始了。数学家、哲学家和神学家都纷纷卷入其中，被称为第二次数学危机。历史要求给微积分以严格的基础。第一个为补救第二次数学危机提出真正有见地的意见的是达朗贝尔。他在1754年指出，必须用可靠的理论去代替当时使用的粗糙的极限理论。但是他本人未能提供这样的理论。最早使微积分严谨化的拉格朗日。为了避免使用无穷小推断和当时还不明确的极限概念，拉格朗日曾试图把整个微积分建立在泰勒式的基础上。但是，这样一来，考虑的函数范围太窄了，而且不用极限概念也无法讨论无穷级数的收敛问题。所以，拉格朗日的以幂级数为工具的代数方法也未能解决微积分的奠基问题。到了十九世纪，出现了一批杰出的数学家，他们积极地为微积分学的奠基工作而努力。首先要提到的是捷克的哲学家和数学家波尔查诺。他开始将严格的论证引入导数学分析中。1816年他在二项展开公式的证明中，明确地提出了级数收敛的概念。同时对极限、连续、变量有了较深入的理解。特别是他曾写出无穷的悖论一书，书中包含许多真知灼见。可惜，在他去世两年后该书才得以出版。分析学的奠基人，公认为法国多产数学家柯西。柯西在数学分析和置换群理论方面做了开拓性的工作，是最伟大的近代数学家之一。他在1821年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。在那里他给出了数学分析一系列基础概念的精确定义，例如，他给出了精确的极限定义，然后用极限定义连续性、导数、微分、定积分、无穷级数的收敛性。这些定义基本上就是我们今天微积分课本中使用的定义，不过现在写得的更加严格一点。第三次数学危机到了十九世纪末，康托尔的集合论已经得到了数学家们的承认。集合论成功地应用到了其它的数学分支。集合论是数学的基础，由于集合论的使用，数学似乎已经达到了“绝对的严格”。但是，正当大家兴高采烈地庆祝数学的绝对严格时，数学王国的大地爆发了另一次强烈的地震。数学基础的第三次危机是由1897年的突然冲击而出现的。这次危机是由于在康托尔的一般集合论的边缘发现的悖论造成的。因为那么多数学分支都建立在集合论的基础上，所以集合论中悖论的发现自然引起了对数学的整个基础结构的有效性的怀疑。1897年意大利数学家福蒂揭示了集合论中的第一个悖论。他的悖论的实质可以用康托尔在两年以后很相似的悖论来描述。康托尔曾证明了：对于任意给定的超限数，总存在一个比它大的超限数，所以不存在最大的超限数。现在考虑这样一个集合，它的元素是所有可能的集合。肯定地，没有一个集合含的元素个数比这个集合的元素个数多。但是，如果情况真如此，怎么可能有一个超限数比这个集合的超限数大呢？福蒂和康托尔的悖论深入到集合论，但英国数学家罗素于1902年发现一个悖论，它除了集合概念本身外不需要别的概念。在描述罗素悖论之前，我们注意下面的事实：一个集合或者是它本身的成员，或者不是它本身的成员。例如，抽象概念的集合本身是抽象概念，但是，所有人的集合不是一个人；所有集合的集合本身是一个集合，但是，所有星的集合不是一个星。我们以表示是它们本身的成员的所有集合的集合，而以表示不是它们本身成员的所有集合的集合。现在我们问：集合是否是它本身的成员，如果是它本身的成员，则是的成员， 而不是的成员，于是不是它本身的成员。另一方面，如果不是它本身的成员，则是的成员， 而不是的成员，于是，是它本身的成员。悖论在于无论哪一种情况我们都得到矛盾。罗素悖论曾以多种形式通俗化。这些形式中最著名的是罗素1919年给出的，称为理发师悖论。某村的一个理发师宣称，他给所有不给自己刮脸的刮脸。于是出现这样的困境：理发师是否给自己刮脸呢？如果他给自己刮脸，那他就违背了自己的原则；如果他不给自己刮脸，那他就应该为自己刮脸。罗素的悖论在数学中引起了真正的麻烦。罗素将他的悖论写信告诉了数理逻辑的先驱弗雷格，而弗雷格正好完成他的关于算术基础的二卷巨著。弗雷格接到信后，在其著作的末尾伤心地写道：“一个科学家遇到的最不愉快的事莫过于，当他的工作完成时，基础崩塌了。当本书的印刷要完成时，罗素先生的信就使我陷入这样的境地。”这样就出现了数学史上的第三次危机。第三次数学危机使数学家们意识到，应当建立某种公理系统来对集合论作出必要的规定，以排除“罗素悖论”和其它悖论。于是数学家们便忙碌起来，不久就出现了好几种公理系统。康托尔的集合论产生悖论的原因之一是，康托尔的集合论中有“一切集合的集合”的概念，为了不产生悖论，策海洛在1908年提出一种公理系统，这种公理系统由弗兰克尔在1821年加以改进，形成了目前公认的彼此无矛盾的公理系统，简称ZF公理系统。第三次数学危机从整体看来还没有解决到令人满意的程度。悖论浅谈数学悖论是数学发展过程中的一个重要存在形态，它使数学理论体系中出现一种尖锐矛盾，对于这一矛盾的处理与研究，丰富了数学内容，促进了数学的发展。下面先列出几个历史上有名的悖论，然后给出悖论的含义，阐述数学悖论的产生、实质和意义。1.历史上有名的几个悖论（1）阿基里斯悖论 公元前400多年，古希腊埃里亚学派巴门尼德的门徒芝诺提出了阿基里斯悖论，用来反对赫拉克利特的流动说，以维护埃利亚学派的静止说。古代神话中一位跑得最快的人叫阿基里斯，他永远追不上爬得很慢的乌龟。，这就是所谓的阿基里斯悖论。意思是说，阿基里斯的速度永远大于乌龟，但乌龟比阿基里斯先行一段距离AB，阿基里斯在A点作为起跑线，乌龟在B点作为起跑线，当阿基里斯跑到B点时，乌龟已爬到B1点；当阿基里斯跑到B1点时，乌龟又前进到B2点；当阿基里斯跑到B2点时，乌龟该爬到B3点；如此下去，以至于阿基里斯永远也追不上乌龟。（2）伽利略悖论 1638年，伽利略指出以下事实：对于每一个自然数，都有一个平方数与之对应，且仅有一个平方数与之对应，即1， 2， 3， ， ， ， ， ，所以，平方数的总数等于自然数的总数，平方数集是自然数集的部分，因此，部分等于全部。而全体大于部分，这就是伽利略悖论。（3）撒谎者悖论 公元4世纪欧几里得提出了如下的撒谎者悖论：我现在所说的是假话。如果这句话为真，则可推出它为假。反之，由它的假，可以导致它为真。这就构成了悖论。但是这样一个前提太强，给人的感觉似乎是人为地制造悖论。后来，人们构造了等价于撒谎者悖论的强化了的撒谎者悖论，即“永恒性撒谎者悖论”，其含义如下：“在本页本行里所写的那句话是谎话”。由于上述行里除了这句话本身之外别无它话，因此，若该话为真，则要承认说话之结论，从而推出该话为假。反之，若该话为假，则应肯定该话结论的反面为真，从而推出该话为真。形成悖论的症结在于作论断的话与被论断的话混而为一。要排除这种悖论在于语言的分层，这是语义学所研究的内容。2.悖论的含义阿基里斯悖论是对极限的片面理解所造成的，伽利略悖论是属于基于传统观念而形成的。“整体大于部分”这一结论，只适用于有限量，对于无限量是不适用的。悖论有各种不同的说法，弗伦克尔和巴西勒尔对悖论作了如下定义：如果某一理论的公理和推论原则上看是合理的，但在这个理论中却推出了两个互相矛盾的命题，或者证明了这样一个复杂命题，它表现为两个互相矛盾的命题的等价式。那么，我们就说这个命题包含了一个悖论。罗素悖论正是体现了了这一含义。3 .悖论的产生在数学的发展过程中，经历了第一、第二数学危机之后，人们把数学基础理论的不矛盾归结到集合论的不矛盾性，看来集合论似乎不会存在矛盾，数学的严格性的目标快要达到了。正由于康托尔的集合论解决了数学的基础问题，所以1900年大数学家庞加莱在巴黎召开的国际数学会议上宣称：“数学的严格性，看来直到今天才可以说是实现了”。事实上，当时的数学界对数学大厦的建造十分满意。可是，在庞加莱宣称“数学严格化已经达到了”还不到两年，罗素于1902年宣布了一条惊人的消息：集合论是自相矛盾的，没有相容性！这就是罗素在集合论中发现的矛盾，史学家称之为罗素悖论。这一发现震惊了整个数学界，尽管在这之前，人们在数学中也发现了悖论，但由于涉及的数学概念多，没有引起人们的注意。而罗素悖论只涉及集合论中的一个基本概念集合，和一条基本原则。于是集合论本身含有矛盾的事实大白于世，从而引起了数学界激烈的争论，同时又伴随出现了尖锐哲学思想的论证，数学史上称为第三次数学危机。罗素悖论产生的原因在于集合的辩证性与数学方法的形式特性或者形而上学思维方法的矛盾。集合既是一种完成了的对象，又具有无限扩张的可能性，它是完成与过程的统一。而人们在认识集合这种辩证性时，由于形式逻辑的驱使或者形而上学的思维方法，往往是片面强调矛盾一方，且把它推向极端，然后又把对立的双方机械地重新联结起来，这样出现的矛盾就不可避免了。在罗素悖论的形成中，它一方面肯定的是集合本身无限扩张的可能性，即强调集合的过程性；另一方面，又对不能再予以扩张的集合即全集的绝对肯定，即又强调了集合的完成性。这样一来，把绝对化了的双方又机械地联