读书随笔:数学通识讲义(6-1)

文摘   2024-07-14 08:07   湖南  

得到出版的系列讲义之一。2021年敝号随笔过《贾宁财务讲义》,2023年又随笔了《金融学讲义》。

进行数学通识教育的目的在于,一是增强人的判断力,所谓判断力,就是运用逻辑分析和逻辑想象的能力;二是增强分析问题的能力,没有说解决问题,解决问题的前提就是分析问题,把问题分析清楚了,自然就有应对办法,而分析问题,仍然是以逻辑的方法来抽丝剥茧,找准问题本质;三是增强使用工具和方法解决问题的能力。

从以上三个目的就可以看出,通识教育与学科教育的差异,通识教育重在解决人思维的广度和深度问题,不像学科教育那样是熟练一门方法或技术(如背诵乘法口诀表,口算能力等)。通识教育是从特定学科门类中,抽象出共通的思维模式和方法,得以让人可以普遍性的应用。

举的例子就是毕达哥拉斯定理或者说勾股定理。之所以我们说是“勾股定理”,是因为认为公元一千年前周公就跟商高谈论到了“勾三股四弦五”,比毕达哥拉斯提出“两个直角边的平方等于斜边平方”要早500年。

我们忽略了两件事,其一是有没有人比周公更早提到了这组数?其二是“勾三股四”与“平方”之间是不是一回事。

对于第一点,当然有,公元前三千年,比周公还早一千五百年,埃及人已经在用勾股来测算建筑金字塔了,公元前一千八百年,美索不达米亚人就记录了诸多三元数组,他们甚至发现了一组满足上述平方定理的很大的数:185411270913500

人家可没说这是埃及定理或者美索不达米亚定理。

原因是什么?我们的勾三股四弦五,在本质上,与埃及人的金字塔数,美索不达米亚的三元数,没有差异——其实都只是特例,是在说数字现象,而不是在谈及抽象定理

这就是第二点,勾三股四弦五只是说了这三个数之间可以满足特定运算关系,而毕达哥拉斯之所以能更牛,是因为他抽象掉了具体的数,提出了一个可以普及的定理“直角三角形两个直角边的平方和等于斜边的平方”,并且,他运用逻辑证明了这个定理是成立的

很遗憾,我们的周公和商高没有谈及这个定理,更没有提出证明的方法。确证的证明方法,是在后来的《九章算术》中提出的,这已经比毕达哥拉斯晚了400年。

为啥很多事情不能深究。

定理,theorem,而不是具体的数字关系,才象征着人类在思维上的巨大飞跃。

从基本理论线索来看,数学之与其他自然科学,有三个显著的差异:

第一是逻辑推力与实际测量之间的差异。

实际测量总是会有偏差的,我们没有办法在实际操作过程中,把测量精确到就是3米,4米,5米,总会有稍许偏差。

只要有了偏差,就不可能得出精确的结果。所以,测量是不能作为数学结论的依据的,明确的数学结论,只能从主观的定义和公理出发,运用逻辑规则来加以证明,才能成立

数学结论或定理,一定不是从实际经验中观察和总结归纳出来的。

第二是事实证实和逻辑证明的差异。

自然科学领域,观察现象,理清逻辑,提出假说,然后用实验证实,可以得出定律law

因为是用实验证实,或者用测量的方法,所以,自然科学领域的定律law,总是存在一定的偏差,或者说,存在不适用的可能性,尽管这个可能性很小。因为实验操作本身不可能做到绝对的精确。

在数学领域,不可能使用观察性实验证据来证明一个定理theorem定理只能通过定义、公理和逻辑运算,毫无瑕疵地予以证明。容不得一点误差或者偏差——定理要么完全成立,要么就是完全错误

如费马大定理,在1996年怀尔斯以纯数学证明之前,都只能说是猜想,被公认确证无误之后,就成为定理(详细过程可见敝号2022年随笔的《费马大定理》)。

而哥德巴赫猜想,即便是当代计算机做到了人类所能想像到的极限数字的验证,可就是尚未从数学角度加以理论证明,那么就只能是猜想。

第三是科学结论的相对性和数学结论的绝对性。

科学结论的相对性,指的是,科学结论总存在可被证伪的可能性——无法证伪的言说,只有迷信和政治上宣布的真理。现有的物理学、化学、生物学,在地球上可能适用,到了黑洞领域可能就不适用,到了另外一个宇宙,可能完全是另一套。

但是数学不一样,平面三角形内角和180°,不论在那个星球,也不论是在哪个宇宙,都可以适用。

自然科学每前进一步,就会产生诸多新的发现和应用;同样,数学每前进一步,每证明一个定理,就可以依托这个定理,产生诸多逻辑推论,通过这些推论,创造出一些新的数学工具。

比如毕达哥拉斯定理,在此基础上产生了三角学,由三角学,产生了解析几何,从解析几何,产生了微积分!微积分对于自然科学的贡献,已经毋庸置喙——见2023年随笔的《微积分的力量》。

上述三个特征,决定了数学相对于自然科学和人文学科的傲然独立性。

自然科学和人文学科在绝大多数情况下都需要诉诸人类的感官经验,唯独数学可以脱离客观、脱离经验。

这个特点给了数学方法一种独到的优势——借助它,可以避开我们感官、情感和既有知识结构给我们造成的错觉和限制,直击事物背后的本质联系

换句话说,如果数学逻辑过程没有错误,那么通过它得出的结论,即便有违我们的认知、感官,这个结论也有可能是正确的

典型的如“哥白尼反转”——说地球绕太阳转,并不是观察、经验和既有知识积累的结果,而是数学推导的结果——让地球绕太阳转,在数学处理上更加简洁方便。

再就是作者举例的天文学家亚当·赖斯讲课介绍的情况——他们通过数学建模计算之后,发现宇宙的质量是负数!这又怎么可能?于是检查是否推导证明过程错了,检查来检查去,数学过程没有问题。

那么就只能说这个结果超出了我们现有的认知,也超出了现有的所有观测仪器——最终,赖斯团队基于负质量提出了“暗能量”假说,获得2011年诺奖。

毕达哥拉斯也一样,他的定理发现了一个问题——存在与他的认知不符的“无理数”,即非整数,也非整数构成的分数——无限不循环小数,也就是著名的根号2,2开方,即两个直角边为1时的斜边长度。他无法忍受这个东西的存在。

这里也再次提示了敝号在诸多科普随笔中提到的——人类历史上遇到过无数的问题,绝大多数的问题,其实都没有被解决,只不过是时过境迁,人们的认知范围扩大,认识程度加深,原来的问题,过了那个阶段,就不再是问题了。

像无理数这个东西,毕达哥拉斯穷极一生无法解决,到后来,大家承认了无理数也是一种数,接着还有无穷小、无穷大这种东西,因此,之前“如何解决无理数”就不是问题了

反过来说,数学逻辑本身,能够让我们超出既有的认知局限,超出既有的感官局限!

再进一步,把握诸如数学逻辑这样的一些方法和准则,人类甚至都不需要去亲历实践,就能对现象做出准确的判断。

判断!

今天的生活中,那些被人为信息隔离和宣传鼓动制造出来的云山雾罩的事情,只要我们稍微能运用逻辑进行独立分析,就能看清楚。

什么是数学思维?

数学思维就是从不变的事实出发,运用逻辑推导,分析并解答问题。有没有不变的事实?当然有,比如,现有宇宙的总粒子数是有限的,任何经济增长都不可能是长期翻番的,人的寿命是有限的等等。

作者提到,08年金融危机中,股市腰斩的情况下,依然有诸如文艺复兴科技公司、迈克尔·伯里这样的人,依赖数学思维,依然赚得盆满钵满。

他们依据的就是一个简单的数学事实——任何建立在空中楼阁之上的复利增长,都是不可持续的

比如金融危机中的CDS(信用违约掉期)这种东西,经过层层包装,作为新的证券上市出售之后,已经没有人能看清楚其中的结构了,投资者和投资机构只能相信包装者的各种演算和证明,以及短期的经济指标、价格走势之类的。

大家以为根据历史趋势和政策预期,通过计算机模型来测算的结果,就是在用数学思维来解析问题,那是大错特错。

真正的数学思维,恰恰是不依赖任何外部来的经验佐证,既不依赖大家的看法,也不依赖政府的宣传,更不依赖专家见解,也不会依据历史经验、时间序列之类的,而是不变的事实,以及并不复杂的逻辑推导。

对于CDS,数学思维的分析方式是,一是没有任何复利增长是长期可持续的,二是资源投入的边际效益总是递减的。

应用到CDS上,伯里们就发现,大家包装来包装去,炒来炒去,其实就赌了一件事——房价永远维持现有涨势,你觉得这有可能吗?不可能,那么就一定会有破灭的一天。

具体这一天是哪天,不可能准确预测,但根据当时市场资金流向和总盘,比如CDS的总盘子已经是房产市值的多少倍,可以大致判断其危险期在什么时候。

所以说,数学思维并不是指算某一笔投资什么时候回收,赚多少,那不是数学思维,因为投资的回收受到很多其它因素的影响,数学思维实际上是一种大趋势判断。


书虫小记
个人阅读史,随笔记录。毛主席教诲,不动笔墨不读书。读了不少,资质鲁钝,多半读过就忘。于是只好边读边想,边想边记,读后就记。绝不停留于摘要书评,力求全景记录,夹叙夹议。完全业余爱好,非专职读书写作,还得打工糊口。
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