文档介绍：第四章数学中的公理化方法 与结构方法
公理化方法在近代数学的发展中起着基本的作用,它的思想对各门现代数学理论的系统形成有着深刻的影响,而数学结构方法则是全面整理和分析数学的一种十分合理的方法,其观点曾导致一场几乎席卷世界的数学教学改革运动,即“新数学”运动。
两种方法均是用来构建数学理论体系的,一个是局部,一个是整体。
本章将概括介绍这两种思想方法,从中领略数学理论构建的一般思想方法。
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公理化方法的基本思想
数学是撇开现实世界的具体内容来研究其量性特征形式与关系的。其结果只有经过证明才可信,而数学证明采用的是逻辑推理方法,根据逻辑推理的规则,每步推理都要有个大前提,我们不难想象到,最初的那个大前提是不可能再由另外的大前提导出的,既是说,我们的逆推过程总有个“尽头”,同样,概念需要定义,新概念由前此概念定义,必也出现这样的情况最原始的概念无法定义。
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因此,我们要想建立一门科学的严格的理论体系,只能采取如下方法:让该门学科的某些概念以及与之有关的某些关系作为不加定义的原始概念与公设或公理,而以后的全部概念及其性质要求均由原始概念与公设或公理经过精确定义与逻辑推理的方法演绎出来,这种从尽可能少的一组原始概念和公设或公理出发,运用逻辑推理原则,建立科学体系的方法叫做公理化方法。
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公理化方法的历史考察
众所周知,在长达一千多年的光辉灿烂的希腊文化中,哲学、逻辑学、几何学得到了很大的发展,特别是哲学家和逻辑学家亚里斯多德,总结了前人所发现和创立的逻辑知识,以完全三段论作为出发点,用演绎的方法推导出其余十九个不同格式的所有三段论,创立了人类历史上第一个公理化方法,即逻辑公理化方法,从而为数学公理化方法创造了条件。
亚里斯多德的思想方法深深地影响了公元前3世纪的希腊数学家欧几里德,后者把形式逻辑的公理演绎方法应用于几何学,从而完成了数学史上重要著作《几何原本》。
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欧几里德《几何原本》是有史以来用公理化思想方法建立起来的第一门演绎数学,而且成为以后很长时期严格证明的典范。《几何原本》在数学发展史上树立了一座不朽的丰碑,对数学的发展起了巨大的作用,基本上完善了初等几何体系。当然,现在看来由于受当时整个科学水平的限制,这种公理化方法还是很原始的,其公理体系还是不完备的。所以,称这一阶段为公理化方法的初期阶段。
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欧几里德《几何原本》孕育了一种理性精神,成为展示人类智慧和认识能力的一个光辉典范。
欧几里德的《原本》所表述的数学观是:
⑴几何理论是封闭的演绎体系。《原本》成功地将零散的数学理论编为一个以基本假设到最复杂结论的整体结构。从逻辑结构来看,《原本》是一个最早形成的演绎体系,除所用的逻辑规则外,具备了其理论推导的所有前提,从理论发展形势来看是一个封闭的理论演绎体系。
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特别是《原本》中第五公设的陈述从字面上看很不自明,所以人们从两个方面对它产生了怀疑:第一,第五公设是否正确地反映了空间的性质;其二、它本身很可能是一个定理。
对于这两个问题,人们从以下几个方面进行了探讨:一是它能否从其他公理推出;二是换一个与它等价而本身却又是很自明的公设;三是换一个与它相反的公设。
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通过很多第一流的数学家近两千年的大量工作,第一方案尚未成功。到了十八世纪中叶,意大利数学家萨克利吸取了前人正面直接证明而失败的教训,反其道而行之,改用反证法来证明(将第五公设换成它的否定,然后推出矛盾,那么就可以证明第五公设就是一个定理,即不独立于其它公理),并于1733年公布了他的证明,但随后不久数学家们发现他的证明有问题。