萬物皆數:數學危機
古希臘哲學家們在探索世界本原的過程中,提出了紛呈的本體論學說。畢達哥拉斯關于世界本質是數的思想獨具一格。而柏拉圖跟在畢達哥拉斯學派后面,對數學進行了富有哲學思韻的解讀。柏拉圖認為,在暫存世界表面的混亂和無規(guī)則的背后存在著一種更深一層的、永恒的絕對事物的秩序。在數學方面對大腦進行訓練,對從事哲學事業(yè)是絕對必要的,因此,按照傳統,在他建立的學園大門的上方刻有這樣幾個字:“不懂幾何學者不得入內。”
“數學”是人類文明進步的基石,中國古代數學著作《孫子算經》中認為“數學是天地萬物最根本的東西”,也有人認為數學是“科學之王”。仔細思考一下就可以發(fā)現,大部分促進人類文明發(fā)展的學科都是以數學為基礎的,大部分成果都需要數學計算來證實,在大數據的工業(yè)化社會,人類的社會就是建立在數字之上!
早在古希臘時代,數學就已經有了一定的基礎,公元前5世紀,數學發(fā)展迎來了第一次“數學危機”,也就是我們常說的“畢達哥拉斯悖論”,隨著希巴斯發(fā)現了第一個無理數,解決了這個問題,人類的數學基礎再次發(fā)展。
“數學危機”在人類的歷史上發(fā)生了三次,其實數學危機叫做“數學革命”可能會更加恰當一些, 因為“數學危機”發(fā)生的根本原因是當時的數學理論不夠全面, 遇到一些無法解決的問題時自然就會產生危機。
第一次數學危機是因為當時的人們沒有無理數的概念,因此一個問題的出現引發(fā)了人們的恐懼,也顛覆了當時的理論,在當時的數學界,話語權ZD的學派是“畢達哥拉斯學派”,他們認為“萬物皆數”,數學是萬物的本源。這個學派的人們認為“一切數均可表示成整數或整數之比”。
在“畢達哥拉斯學派”有一個人叫做希巴斯,他突發(fā)奇想,提出了這樣一個問題“邊長為1的正方形其對角線長度是多少呢?”,這個數字用整數和分數都無法表示,希巴斯創(chuàng)造了一個新數√2(根號二)用來表示這個數值。
或許你認為,希巴斯的這個發(fā)現沒什么大不了的,但是對于當時的希臘人來說,這個發(fā)現直接動搖了他們的世界觀,因為當時“畢達哥拉斯學派”是最主流的觀點,而“畢達哥拉斯學派”不是一個簡簡單單的學派,而是一個集合“宗教”“政治”“學術”為一體的組織,對全社會有巨大的影響力。希巴斯的發(fā)現引發(fā)了當時人們的認知危機,但是也促進了數學的發(fā)展。
第二次數學危機的開端也發(fā)生在古希臘,但是直到十七世紀伴隨著微積分的出現在被世人知曉。“芝諾的烏龜”是一個很奇怪的悖論,我們明明知道它是錯誤的,但是如果你沒有微積分的相關知識,又無法去反駁這個悖論,可以說這個問題困擾了人們很多年,但是在牛頓和萊布尼茲創(chuàng)立了微積分后,這個問題得到了很好的解答。
在微積分被當時的人類廣泛運用的時候,一個問題出現了,“無限小量”是否等于0 ?牛頓和萊布尼茲都不能很好地解決這個問題。那么什么是“無限小量”呢?
首先我們來思考這樣一個問題,0.9999……無限循環(huán)是否可以等于1?
從數學的角度來看,0.999的無限循環(huán)不能等于1,但是在實際生活的運用中,0.999的無限循環(huán)就是等于1,比如,有質量的物體的運動速度是無法實現光速的,我們只能去無限接近光速,在接近光速的過程中,物體的質量會趨于無限大。
接近光速的過程就等于0.999的無限循環(huán),雖然我們無法實現光速,但是在接近光速的過程中會無限趨于光速,因此在實際生活中,0.999的無限循環(huán)和1的實際意義相同。
牛頓和萊布尼茲為了解釋這個問題,引入了這樣一個概念“無窮小量”,比如,0.9999的無限循環(huán)和1之間的差距就是一個“無窮小量”,可以說,無窮小量無限接近于0,第二次數學危機就因為這個問題而誕生。
無窮小量是否等于0和0.999的無限循環(huán)是否等于1,這兩個問題其實相同,自相矛盾引發(fā)了第二次數學危機,牛頓本人對無窮小量的概念進行了多次的解釋,但是每次都無法真正地解決這個問題。
仔細思考一下,這個問題其實十分有趣,數學是科學的基礎,但是實際生活和計算是有一定差距的,或許這也是為什么當時的人們對這個問題感到疑惑的原因,在半個世界的時間內,學術界都對這個問題爭論不休。
之所以會發(fā)生第二次數學危機,并且還是因為一個看似很簡單的問題,原因就是當時的數學不夠嚴謹直觀,只強調形式上的計算,不去思考計算的基礎,對于無窮小量的概念尚不明確的情況下就進行微分計算。
1821年,柯西引入了“極限”的概念去解釋無限小量成功解決了這個問題,第二次數學危機得到了很好的解決。
而第三次數學危機是“羅素悖論”,直到今天也沒有被很好的解決,也就是說我們仍然在第三次數學危機中,“完美的理論”并不存在,任何理論都需要不斷完善才能一直迸發(fā)出生命了,人類的數學就是這樣在一次次“危機”中發(fā)展前進!
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