在社会的发展进程中,作为文化现象的数学,受到人们的重视,近年来,数学文化及其相关研究得到了较大发展。在确认数学是一种文化之后,应该进一步理解数学文化的内涵,在数学世界中,数学经历了三次危机,大家知道吗?
数学手抄报数学小报:第三次数学危机产生的背景第三次数学危机产生于十九世纪末和二十世纪初,当时正是数学空前兴旺发达的时期。首先是逻辑的数学化,促使了数理逻辑这门学科诞生。十九世纪七十年代康托尔创立的集合论是现代数学的基础,也是产生危机的直接来源。十九世纪末,戴德金及皮亚诺对算术及实数理论进行公理化,推动了公理化运动。而公理化运动的最大成就则是希尔伯特在1899年对于初等几何的公理化。
公理化方法是现代数学最重要的方法之一,对于数学基础和数理逻辑的研究也有影响。当时也是现代数学一些新分支兴起的时期,如抽象代数学、点集拓扑学和代数拓扑学、泛函分析、测度与积分理论等学科。这些学科的发展一直与数学基础及数理逻辑的发展有着密切的关系。数学的更新与发展也对数学哲学有许多新的探讨,数学的陈腐哲学观念在当时已经几乎一扫而空了。
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数学手抄报数学小报:数理逻辑的兴起数学的主要内容是计算和证明。在十七世纪,算术因符号化促使了代数学的产生,代数使计算变得精确和方便,也使计算方法系统化。费尔马和笛卡儿的解析几何把几何学代数化,大大扩展了几何的领域,而且使得少数天才的推理变成机械化的步骤。这反映了代数学作为普遍科学方法的效力,于是笛卡儿尝试也把逻辑代数化。与笛卡儿同时代的英国哲学家霍布斯也认为推理带有计算性质,不过他并没有系统地发展这种思想。
现在公认的数理逻辑创始人是莱布尼兹。他的目的是选出一种“通用代数”,其中把一切推理都化归为计算。实际上这正是数理逻辑的总纲领。他希望建立一套普遍的符号语言,其中的符号是表义的,这样就可以象数字一样进行演算,他的确将某些命题形式表达为符号形式,但他的工作只是一个开头,大部分没有发表,因此影响不大。
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真正使逻辑代数化的是英国数学家布尔,他在1847年出版了《逻辑的数学分析》,给出了现代所谓的“布尔代数”的原型。布尔确信符号化会使逻辑变得严密。他的对象是事物的类,1表示全类,0表示空类;xy表示x和y的共同分子所组成的类,运算是逻辑乘法;x+y表示x和y两类所合成的类,运算是逻辑加法。所以逻辑命题可以表示如下:凡x是y可以表示成x(1-y)=0;没有x是y可以表示成xy=0。它还可以表示矛盾律 x(1-x)=0;排中律x+(1-x)=1。
布尔看出类的演算也可解释为命题的演算。当x、y不是类而是命题,则x=1表示的是命题 x为真,x=0表示命题x为假,1-x表示x的否定等等。显然布尔的演算构成一个代数系统,遵守着某些规律,这就是布尔代数。特别是它遵从德·莫尔根定律。
美国哲学家、数学家小皮尔斯推进了命题演算,他区别了命题和命题函数。一个命题总是真的或假的,而一个命题函数包含着变元,随着变元值选取的不同,它可以是真也可以是假。皮尔斯还引进了两个变元的命题函数以及量词和谓词的演算。对现代数理逻辑贡献最大的是德国耶拿大学教授、数学家弗雷格。弗雷格在1879年出版的《概念文字》一书中不仅完备地发展了命题演算,而且引进了量词概念以及实质蕴涵的概念,他还给出一个一阶谓词演算的公理系统,这可以说是历史上第一个符号逻辑的公理系统。因此在这本只有88页的小册子中,包含着现代数理逻辑的一个颇为完备的基础。
1884年,弗雷格的《算术基础》出版,后来又扩展成《算术的基本规律》。不过由于他的符号系统烦琐复杂,从而限制了它的普及,因此在十九世纪时,他的著作流传不广。后来由于罗素的独立工作,才使得弗雷格的工作受到重视。用符号语言对数学进行公理化的是意大利数学家皮亚诺,他在1889年用拉丁文写了一本小册子《用新方法陈述的算术原理》。在这之前,皮亚诺已经把布尔和施罗德的逻辑用在数学研究上,并且引进了一系列对于他前人工作的更新。例如对逻辑运算和数学运算使用不同的符号,区别范畴命题和条件命题,这引导他得出量词理论。
这些改进都是对于布尔和施罗德理论的改进,而不是对弗雷格理论的改进,因为当时皮亚诺还不知道弗雷格的工作。在《算术原理》中,他在引进逻辑概念相公式之后,开始用符号的记法来重写算术,在这本书中他讨论了分数、实数、甚至极限和点集论中的概念。
皮亚诺引进最原始的算术概念是“数”“1”“后继”和“等于”,并且陈述了关于这些概念的九条公理。今天我们认为其中公理2、3、4、5都是讨论恒等的,应该属于逻辑公理,所以就剩下了五条公理。这就是现在众所周知的皮亚诺公理。最后一条公理即公理9,就是所谓数学归纳法原理,他用类的词句来表述,其中包含一个类变元。皮亚诺承认他的公理化来自戴德金。
从1开始,皮亚诺用x+1来表示后继函数。然后作为定义引进了加法和乘法。这些定义是递归的定义。虽然在他的系统中,皮亚诺没有象戴德金那样有力的定理可资利用,但皮亚诺并没有公开地宣称这些定义可以去掉。这本书的逻辑部分还列出命题演算的公式,类演算的公式,还有一部分量词的理论。皮亚诺的符号要比布尔和施罗德的符号高明得多,标志着向近代逻辑的重要转变。他还对于命题的演算和类演算做了某些区别。这就是我们现在的两种不同演算,而不是同一种演算的两种不同解释。它的普遍量词记号是新的,而且是便利的。
不过书里还是存在缺点,如公式只是列出来的,而不是推导出来的;因为没有给出推导规则,皮亚诺引进了代入规则的概念,但是也没有给出任何规则;更严重的是他没有给出任何分离规则,结果尽管他的系统有许多优点,但他没有可供使用的逻辑。一直到后来,他才在一系列文章,特别是1895年发表的《数学论集》中,对这些逻辑公式进行了证明。然而他这些证明还是缺少推演规则,在这方面他受到了弗雷格的批评。后来皮亚诺尽力想比弗雷格的《概念文字》有更多的内容,但是他做得并不够。不过他的这些著作在数学界仍有很大影响,得到广泛的传播。