为什么发现个无理数,就引发了数学危机

百科   2024-10-24 07:21   北京  

两千五百年前,他因为发现了世界上第一个无理数而丧命,他是有记载以来第一位为了真理而献生的人——希帕索斯Hippasus),而杀死他的恰恰是他所加入的学术团体——毕达哥拉斯学派。

毕达哥拉斯学派

这是公元前500年左右,由古希腊数学家毕达哥拉斯(Pythagoras)倡导成立的,集数学、宗教、政治于一体的秘密学术团体。他们有一个基本观点,认为万物皆数”。也就是宇宙万物都可以由数字来解释,而这些数字必须由整数来表示。

按现在的观点,这些“数”都是有理数,也就是:整数、有限小数和无限循环小数,因为后两者都可以表示为整数之比。

比如:

0.25=1/4

0.33333……=1/3

0.427427427……=427/999

该学派还有另一个重要发现,就是毕达哥拉斯定理(Pythagorean theorem),也就是我们的“勾股定理”:一个直角三角形,两直角边的平方和等于斜边的平方。

而希帕索斯(Hippasus)正是在研究毕达哥拉斯定理时发现:正方形对角线与边长之比等于根号2,这是一个无理数,无法表示成两个整数之比,它的发现更是直接引发了第一次数学危机

发现了一个无限不循环小数,承认它的存在不就行了,为什么就引发数学危机了呢?

原来,毕达哥拉斯学派对“数”持有一种信仰,而这种信仰的基础是数学原子论观点。犹如当时的哲学观点认为:世间万物都是由最小的基本单位——原子构成的一样。

毕达哥拉斯学派认为“万物皆数”的数字,也必然有最基本的构成元素,这个元素就是整数,一切数字都可以通过整数有限次加减乘除运算得到,唯有这样,世界才是和谐的,就像音调的和谐是由弦长的整数比决定的一样。

毕达哥拉斯学派通过对音乐的研究,认为整数比是这个世界和谐的根源

这也意味着任意两个数字应该都是可公约的(也就是能用两个整数相除来表示的),但是根号2的出现,颠覆了“万物皆数”的数学与哲学基础。

既然无法解释,就索性将这个发现掩盖起来,惊恐的学派成员将希帕索斯绑起来,沉入了爱琴海。

这次危机被毕达哥拉斯的另一位学生欧多克索斯(Eudoxus)暂时化解了,他化解的方式是:将这些不可通约量(无法用两个整数相除来表示的量)从代数中抽离出来,仅作为几何中,运用逻辑关系构造出来的量来使用。

这些观点都在欧多克索斯提出的比例论中,被收录在欧几里得《几何原本》的第五卷内。

虽然他的应对方法,只是绕开了无理数在代数中的运用,并没有真正解决无理数的问题。但两千多年后,戴德金从中受到了启发,给出了无理数与实数的精确定义。

1872年,戴德金通过戴德金分割给出了实数的定义

如果我们更进一步,会发现第一次数学危机的本质来自于:无穷

因为按照“万物皆数”的观点,所有量只要能被通约,就应该都能被测量。

什么叫能被测量?

比如我们有一把1cm的尺子,如何测量一条长5.1cm的线段,因为能找到一个很短的长度0.1cm,能同时整除1cm与5.1cm,尺子是精确的,所以这个很短的长度也是精确的,这样线段就能被精确测量,只要两个量存在公比,就能被测量

但根号2这样的无理数,却需要不断地加细我们尺子的刻度,无穷无尽地去观测,依然无法找到那个精确的“公比”,这才是危机的本质。而这个无穷无尽的过程孕育了无穷小,也就是第二次数学危机的根源

第二次数学危机可详见往期文章:第二次数学危机

根号2还能写成这种无穷连分数的形式:

这也是一个无穷无尽的计算过程,我们称之为“递归”。所以它的值就相当于这个方程的解:

如果这个无穷连分数有精确值,那么再多加一层,不会改变它的值。

这是一个用自己来定义自己的形式,看过我之前视频的小伙伴,此时应该会有一种似曾相识的感觉。对!这就是“自指”,是罗素悖论与说谎者悖论的本质,也是第三次数学危机的根源

关于罗素悖论可详见往期文章:天才的画作竟然与数学悖论有关

所以,历史上三次数学危机是一脉相承的,最早的源头就来自于两千五百年前发现的这个根号2,直到今天,数学危机带来的问题都没有完全解决。

由无理数产生的逻辑困难,让代数学的发展受到了限制,但却促使了形式逻辑与公理化演绎体系的大发展,催生出了亚里士多德的逻辑学欧几里得的《几何原本》。

每次数学危机的产生,都是人类内省的开始。就长远而言,第一次数学危机,甚至间接促使了千年之后微积分与集合论的诞生,其影响不可谓不深远。

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