《数学思维公开课》试译

说明:译稿为原书2.1节。该书将由其他译者进行翻译。

近代以来,纯数学主要关注于数学对象命题

数学对象包括以下事物:整数、实数、集合、函数,等等。数学命题的例子有:

  1. 存在无穷多个素数。

  2. 对每个实数$a$,方程$x^2+a=0$都有一个实根。

  3. $\sqrt{2}$是无理数。

  4. 如果$p(n)$表示小于或等于自然数$n$的素数的个数,那么随着$n$越来越大,
    $p(n)$将接近于$n/\log_en$。

数学家不仅对以上这种数学命题感兴趣,而且对知晓命题的真假尤为感兴趣。举
例来说,在前文的命题例子中,(1)、(3)、(4)是真命题,但(2)是假命题。论证
每个命题是真命题还是假命题,不能像自然科学中那样进行观察、测量与试验,
而要进证明。关于证明,会在适当的时候进行进一步讨论。

可以通过人们所熟知的欧几里得的精妙论证来证明(1)为真命题。^1其思想是要证明,如果按升序列出素数
$$p_1,p_2,\dots,p_n,\dots$$
那么就一定可以永远列下去。(素数序列的前几个数是:$p_1=2$,$p_2=3$,
$p_3=5$,$p_4=7$,$p_5=11$,……)

考虑一下,已经将素数列到了第$n$个: $$p_1,p_2,p_3,\dots,p_n$$
目标是去证明,可以向这一素数列中再添加一个素数。如果可以在不设定特定$n$值的情况下完成证明,就会立即表明素数列是无限的。

将已列出的所有素数乘在一起,然后加$1$,并令该数为$N$,即
$$N=(p_1\cdot p_2\cdot p_3\cdot \dots \cdot p_n)+1$$
显然,$N$大于上一素数列中的所有素数,所以如果$N$为素数,那么就得知了
存在比$p_n$更大的素数,因此可以继续列出素数。(这里并没有说$N$是后一个
素数。实际上,$N$将比$p_n$大得多,所以$N$不可能是后一个素数。)

现在来考虑一下,如果$N$不是素数会发生什么。那么就一定会存在一个素数
$q<N$,使得$q$可以整除$N$。然而$p_1,p_2,\dots,p_n$都不能整除$N$,这是
因为用这些数除以$N$都会余$1$。所以,$q$一定会大于$p_n$。因此就会再次发
现,存在比$p_n$更大的素数,所以可以继续列下去。

由于以上论证在任何情况下都与$n$无关,所以就可以得出:存在无穷多个素数。

可以简单证明出(2)是假命题。由于实数的平方不会是负数,所以方程
$x^2+1=0$不会有实根。因为至少存在一个$a$使得方程$x^2+1=0$没有实根,
所以可以得出结论:命题(2)是假命题。

后文将会给出命题(3)的证明。而已知的命题(4)的证明是极为复杂的,远远复杂
于这本入门教材所能囊括的内容。

显然,在证明一个确定的命题是真是假之前,必须能够精确地理解命题的内容。
重要的是,数学是一门非常精确的学科,需要精确的进行表达。对于易于出现歧
义的单词而言,这就已经产生了困难,而现实生活中所使用的语言也很少是精确的。

要特别指出,我们在日常生活中使用语言时,通常要依靠上下文来确定单词所传递
的含义。美国人会诚实地说:“七月份是夏天”,但澳大利亚人说这句话时就是错
误的。单词“夏天”在两种陈述中有相同的含义(指一年中最热的三个月),但是
美国与澳大利亚一年中的季节是不同的。

再举一个例子。短语“小型啮齿动物”中的单词“小”,其含义(就大小而言)不同
于短语“小象”中“小”的含义。很多人都会认同,小型啮齿动物是一种小动物,但
小象肯定不是小动物。单词“小”所涉及的大小范围,可能会随着其所描述的实
体而变化。

在日常生活中,我们通过上下文,以及对万物与生活的常识认识,来弥补书写与
阅读时所缺少的信息,并同时消除可能产生歧义的错误理解。

举例来说,我们需要了解某些上下文,来正确地理解这句话:

  • The man saw the woman with a telescope.

谁有望远镜?男人还是女人?

报纸头条存在的歧义——一般而言是“急就章”——有时可能会产生出人意料又饶有趣
味的第二种解读。近些年出现过的我最喜欢的头条有:

  • Sisters reunited after ten years in checkout line at Safeway.

  • Prostitutes appeal to the Pope.

  • Large hole appears in High Street. City authorities are looking into
    it.

  • Mayor says bus passengers should be belted.

系统地将英语精确化(精确定义每个单词的含义)是一项不可能完成
的任务。这样做也是没有必要的,因为一般而言人们依靠上下文与背景知识就可以很好地
理解单词的含义。

但是在数学中,情况就不同了。精确性是至关重要的,不可能假定所有数学团体通
过相同的上下文与背景知识来消除歧义。此外,由于数学的结果经常会用于自
然科学与工程学中,因而歧义所带来的错误传递含义的代价是高昂的,甚至可能是致
命的。

初看起来,将数学语言足够精确化,似乎是一项艰巨的任务。但幸运的是,数
学命题特殊而高度受限的属性,使数学的精确化成为可能。每个关键的数学命题
(公理、猜想、假设与定理)都是以下四种语言形式的正面或反面的变体:

  1. 对象$a$拥有性质$P$

  2. 类型$T$的所有对象都拥有性质$P$

  3. 存在类型$T$的对象,其拥有性质$P$

  4. 如果命题A,那么命题B

或者使用连接词,将这四种形式的 命题简单地进行组合。

举例来说,

  1. $3$是素数。/$10$不是素数。

  2. 所有多项式方程都有复根。/并非在所有情况下多项式方程都有实根。

  3. 20与25之间存在一个素数。/不存在大于2的偶数素数。

  4. 如果$p$是形如$4n+1$的素数,那么$p$是两个平方数之和。

最后一个命题是关于形如$4n+1$的素数的,这一定理由高斯贡献。