數(shù)學(xué)歷史的啟示
發(fā)布時間：2017-04-06 06:38:05瀏覽次數(shù)：3076
首先，我要感謝國際數(shù)學(xué)奧林匹克（香港）委員會及香港教育署讓我有機(jī)會在“數(shù)學(xué)普及講座及交流系列”上作講演。尤其要感謝國際數(shù)學(xué)奧林匹克（香港）委員會主席岑嘉評教授及譚炳均博士。我也要感謝今天來出席會議的各位香港的中學(xué)老師和同學(xué)。再過三天就要過春節(jié)了，大家都很忙，有很多事情要做，可是還抽空來聽我的講演，使我很感動。
這次講演，打算講以下幾點：
一、百年前的講演
二、百年前的講演的啟示
三、算術(shù)與代數(shù)
四、幾何與三角
五、微積分
六、幾點啟示
七、結(jié)束語
一、百年前的講演
今天是2001年1月20日，二十一世紀(jì)剛剛開始了20天。在100年前，即1904年8月5日，德國數(shù)學(xué)家DavidHilbert（1862―1943）在巴黎國際數(shù)學(xué)家大會上作了題為《數(shù)學(xué)問題》的著名講演。這是載入數(shù)學(xué)史冊的重要講演。他在講演的前言和結(jié)束語中，對數(shù)學(xué)的意義、源泉、發(fā)展過程及研究方法等，發(fā)表了許多精辟的見解。而整個講演的主體，則是他根據(jù)十九世紀(jì)數(shù)學(xué)研究的成果和發(fā)展趨勢而提出的23個數(shù)學(xué)問題，這些問題涉及現(xiàn)代數(shù)學(xué)的許多重要領(lǐng)域。一百年來，這些問題一直激發(fā)著數(shù)學(xué)家們濃厚的研究興趣，100年過去了，這些問題近一半已經(jīng)解決或基本解決，但還有些問題雖取得了重大進(jìn)展，但未最后解決，如：Riemann猜想，Goldbach猜想等。
100年過去了，對Hilbert在1900年提出的23個問題，現(xiàn)在回過頭來看，有不少評論。但是很多人認(rèn)為：這些問題，對推動二十世紀(jì)數(shù)學(xué)的發(fā)展起了很大的作用，當(dāng)然也有評論說其不足之處，例如：這23個問題中未能包括拓?fù)鋵W(xué)、微分幾何等在二十世紀(jì)成為前沿學(xué)科的領(lǐng)域中的數(shù)學(xué)問題；除數(shù)學(xué)物理外很少涉及應(yīng)用數(shù)學(xué)待等。當(dāng)然更不會想到二十世紀(jì)電腦的大發(fā)展及其對數(shù)學(xué)的重大影響。二十世紀(jì)數(shù)學(xué)的發(fā)展實際上是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了Hilbert問題所預(yù)示的范圍。
D。Hilbert是十九世紀(jì)和二十世紀(jì)數(shù)學(xué)交界線上高聳著的三位偉大數(shù)學(xué)家之一，另外二位是HenriPoincare（1854―1912）及FelixKlein（1849―1925），他們的數(shù)學(xué)思想及對數(shù)學(xué)的貢獻(xiàn)，既反射出十九世紀(jì)數(shù)學(xué)的光輝，也照耀著二十世紀(jì)數(shù)學(xué)前進(jìn)的道路。
D。Hilbert是在上一個世紀(jì)，新、舊世紀(jì)交替之際作的講演，現(xiàn)在又一個新的世紀(jì)開始了，再來看看他的講演，其中一些話，現(xiàn)在仍然適用，例如在講演一開始，他說“我們當(dāng)中有誰不想揭開未來的帷幕，看一看在今后的世紀(jì)里我們這門科學(xué)發(fā)展的前景和奧秘呢？我們下一代的主要數(shù)學(xué)思潮將追求什么樣的特殊目標(biāo)？在廣闊而豐富的數(shù)學(xué)思想領(lǐng)域，新世紀(jì)將會帶來什么樣的新方法和新成果？”他還接著說：“歷史教導(dǎo)我們，科學(xué)的發(fā)展具有連續(xù)性。我們知道，每個時代都有它自己的問題，這些問題后來或者得以解決，或者因為無所裨益而被拋到一邊并代之以新的問題。因為一個偉大時代的結(jié)束，不僅促使我們追潮過去，而且把我們的思想引向那未知的將來。”
二十世紀(jì)無疑是一個數(shù)學(xué)的偉大時代，二十一世紀(jì)的數(shù)學(xué)將會更加輝煌。“每個時代都有它自己的問題”，二十世紀(jì)來臨時，Hilbert提出了他認(rèn)為是那個世紀(jì)的23個問題。這些問題對二十世紀(jì)數(shù)學(xué)的發(fā)展起了很大的推動作用，但二十世紀(jì)數(shù)學(xué)的成就卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出他所提出的問題。那么二十一世紀(jì)的問題又是什么呢？Hilbert1900年在巴黎國際數(shù)學(xué)家大會上提出這些問題時，才38歲，但已經(jīng)是當(dāng)時舉世公認(rèn)的德高望重的領(lǐng)袖數(shù)學(xué)家之一。大家知道，2002年國際數(shù)學(xué)家大會將在中國北京召開，這是國際數(shù)學(xué)家大會第一次在第三世界召開，那么在這新舊世紀(jì)交替之際，會不會有像Hilbert這樣崇高威望的人在會上提出他認(rèn)為的二十一世紀(jì)的數(shù)學(xué)問題或是以其他的形式展望二十一世紀(jì)的數(shù)學(xué)？這個我當(dāng)然不知道，但這些年來，已有不少數(shù)學(xué)家提出他自己認(rèn)為的二十一世紀(jì)的數(shù)學(xué)問題，但往往是“仁者見仁，智者見智”。
二、百年前的講演的啟示
對Hilbert的23個問題不在這里介紹了，因為它超越了中學(xué)數(shù)學(xué)的范圍。但百年前，Hilbert演講中對數(shù)學(xué)的一些見解都是非常的深刻，百年過去了，重讀他的演講，依然得到很多啟示，我也不可能在這短短的一個多小時內(nèi)，對他的演講的各個部分來闡述自己的體會，我只想講一點對他說的其中的一段話自己的粗淺認(rèn)識。
從十七世紀(jì)六十年代，微積分發(fā)明以來，數(shù)學(xué)得到了極大的發(fā)展，分支也愈來愈多。開始時一些大數(shù)學(xué)家，對各個分支都懂，并且做出了很重大的貢獻(xiàn)。但后來數(shù)學(xué)的分支愈分愈細(xì)，全面懂得各個分支的數(shù)學(xué)家愈來愈少，到十九世紀(jì)末，Hilbert做講演時，已經(jīng)是這種情況，于是在講演中，他說了這樣一段話：“然而，我們不禁要問，隨著數(shù)學(xué)知識的不斷擴(kuò)展，單個的研究者想要了解這些知識的所有部門豈不是變得不可能了嗎？為了回答這個問題，我想指出：數(shù)學(xué)中每一步真正的進(jìn)展都與更有力的工具和更簡單的方法的發(fā)現(xiàn)密切聯(lián)系著，這些工具和方法同時會有助于理解已有的理論并把陳舊的、復(fù)雜的東西拋到一邊，數(shù)學(xué)科學(xué)發(fā)展的這種特點是根深蒂固的。因此，對于個別的數(shù)學(xué)工作者來說，只要掌握了這些有力的工具和簡單的方法，他就有可能在數(shù)學(xué)的各個分支中比其它科學(xué)更容易地找到前進(jìn)的道路。”。一百年過去了，數(shù)學(xué)發(fā)展得更為廣闊與深人，分支愈來愈多，現(xiàn)在數(shù)學(xué)已有六十個二級學(xué)科、四百多個三級學(xué)科，更是不得了，所以Hilbert的上述這段話現(xiàn)在顯得更為重要。不僅如此，Hilbert的這段話實際上講的是數(shù)學(xué)發(fā)展的歷史過程，十分深刻地揭示了數(shù)學(xué)發(fā)展是一個新陳代謝，吐故納新的過程，是一些新的有力的工具，更簡單的方法的發(fā)現(xiàn)，與一些陳舊的、復(fù)雜的東西被拋棄的過程，是“高級”的數(shù)學(xué)替代“低級”的數(shù)學(xué)的過程，而“數(shù)學(xué)科學(xué)發(fā)展的這種特點是根深蒂固的。”事實上，在數(shù)學(xué)的歷史中，一些新的有力的工具，更簡單的方法的發(fā)現(xiàn)，往往標(biāo)志著一個或多個數(shù)學(xué)分支的產(chǎn)生，是一些老的分支的衰落甚至結(jié)束。
回顧一下我們從小開始學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的過程，就是在重復(fù)這個數(shù)學(xué)發(fā)展的過程。一些數(shù)學(xué)雖然后來被更有力的工具和更簡單的方法所產(chǎn)生的新的數(shù)學(xué)所替代了，即“低級”的被“高級”的所替代了，但在人們一生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的過程中，卻不能只學(xué)習(xí)“高級”的，而完全不學(xué)習(xí)“低級”的，完全省略掉學(xué)習(xí)“低級”的過程。這是因為人們隨著年齡的不斷增加，學(xué)習(xí)與他的年齡與智力相當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)才是最佳選擇，學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)是一個循序漸進(jìn)的過程，沒有“低級”的數(shù)學(xué)打好基礎(chǔ)，很難理解與學(xué)習(xí)好“高級”的數(shù)學(xué)。
以下我們從Hilbert講演中的這一段精辟的論述的角度來認(rèn)識我們的中小學(xué)的數(shù)學(xué)課程。我只是從數(shù)學(xué)發(fā)展的歷史的角度來討論問題，為大家從數(shù)學(xué)教育的角度來討論問題作參考。但我必須強調(diào)的是：從數(shù)學(xué)發(fā)展的歷史的角度來考慮問題與從數(shù)學(xué)教育的角度來考慮問題雖有聯(lián)系，但是是不一樣的。
三、算術(shù)與代數(shù)
人類有數(shù)的概念，與人類開始用火一樣古老，大約在三十萬年前就有了。但是有文字記載的數(shù)學(xué)到公元前3400年左右才出現(xiàn)。至于數(shù)字的四則運算則更晚，在我國，《九章算術(shù)》是古代數(shù)學(xué)最重要的著作，是從先秦到西漢中葉的眾多學(xué)者不斷修改、補充而成的一部數(shù)學(xué)著作，成書年代至遲在公元前一世紀(jì)。這是一本問題集形式的書，全書共246個題，分成九章，包含十分豐富的內(nèi)容。在這本書中有分?jǐn)?shù)的四則運算法則、比例算法、盈不足術(shù)、解三元線性代數(shù)方程組、正負(fù)數(shù)、開方以及一些計算幾何圖形的面積與體積等。在西方，也或遲或早地出現(xiàn)了這些內(nèi)容，而這些內(nèi)容包括我們從小學(xué)一直到中學(xué)所學(xué)習(xí)“算術(shù)”課程的全部內(nèi)容。也就是說人類經(jīng)過了幾千年才逐步弄明白建立起來的“算術(shù)”的內(nèi)容，現(xiàn)在每個人在童年時代花幾年才逐步弄明白建立起來的“算術(shù)”的內(nèi)容，現(xiàn)在每個人在童年時代花幾年就全部學(xué)會了。對于“算術(shù)”來講，“真正的進(jìn)展”是由于“更有力的工具和更簡單的方法的發(fā)現(xiàn)”，這個工具與方法是“數(shù)字符號化”，從而產(chǎn)生了另一門數(shù)學(xué)“代數(shù)”，即現(xiàn)在中學(xué)中的“代數(shù)”課程的內(nèi)容。在我國，這已是宋元時代（約十三世
紀(jì)五六十年代），當(dāng)時的著作中，有“天元術(shù)”和“四元術(shù)”，也就是讓未知數(shù)記作為“天元”、“x”，后來將二個、三個及四個未知數(shù)記作為“天”、“地”、“人”、“物”等四元，也就是相當(dāng)于現(xiàn)在用x，y，z，w來表達(dá)四個未知數(shù)，有了這些“元”，也就可以解一些代數(shù)方程與聯(lián)立線性代數(shù)方程組了。在西方徹底完成數(shù)字符號化是在十六世紀(jì)?，F(xiàn)在中學(xué)生學(xué)習(xí)的“代數(shù)”的內(nèi)容：包括一元二次方程的解，多元（一般為二元，三元至多四元）聯(lián)立方程的解等。當(dāng)然在“數(shù)字符號化”之前，一元二次方程的解，多元聯(lián)立方程的解也是已經(jīng)出現(xiàn)，例如我國古代已經(jīng)有一些解一般數(shù)字系數(shù)的代數(shù)方程的“算法程序”，但這些都是用文字來表達(dá)的，直到“數(shù)字符號化”之后，才出現(xiàn)了現(xiàn)在中學(xué)代數(shù)的內(nèi)容的形式。
由“數(shù)字符號化”而產(chǎn)生的中學(xué)“代數(shù)”的內(nèi)容，的的確確是“數(shù)學(xué)中真正的進(jìn)展”。“代數(shù)”的確是“更有力的工具和更簡單的方法”，“算術(shù)”顧名思義，可以理解為“計算的方法”，而“代數(shù)”可以理解為“以符號替代數(shù)字”，即“數(shù)字符號化”。人類從“算術(shù)”走向“代數(shù)”經(jīng)歷了千年。但在中學(xué)的課程中，卻只花短短的幾年，就可以全部學(xué)會這些內(nèi)容。
回憶我在童年時代，在小學(xué)學(xué)習(xí)“算術(shù)”課程時，感到很難，例如：求解“雞兔同籠”題，即：一個籠子中關(guān)著若干只雞，若干只兔，已知共有多少個頭，多少只腳，求有多少只雞，多少只兔？當(dāng)時老師講的求解的方法，現(xiàn)在已完全記不得了，留下的印象是感到很難，而且納悶的是：雞與兔為何要關(guān)在一個籠子里？既數(shù)得清有多少個頭及多少只腳？為何數(shù)不清有多少只雞與多少只兔？等到初中時，學(xué)習(xí)了“代數(shù)”課程，才恍然大悟，這不過是二元一次聯(lián)立代數(shù)方程組，解方程組十分簡單方便，這不僅可以用來解“雞兔同籠”，即使將鴨與狗關(guān)在一個房間中，來數(shù)頭數(shù)與腳數(shù)，不妨叫做“鴨狗同室”問題，對這樣的問題一樣可以解。因之，“代數(shù)”顯然比“算術(shù)”來得“高級”，這的確是“更有力的工具和更簡單的方法”，而這些工具和方法同時會有助于理解已有的理論并把“陳舊的、復(fù)雜的東西拋到一邊”，也就是從“代數(shù)”的角度來理解“算術(shù)”可以理解得更深刻，而可以把“算術(shù)”中一些復(fù)雜的，處理個別問題的方法拋到一邊去。
在這里，我要重復(fù)說一遍，盡管中學(xué)的“代數(shù)”比小學(xué)的“算術(shù)”來得“高級”，是“更有力的工具與更簡單的方法”，但并不意味著小學(xué)的“算術(shù)”就可以不必學(xué)了，因為：
（1）“算術(shù)”中的一些內(nèi)容不能完全被“代數(shù)”所替代，如四則運算等；
（2）即使能被替代的內(nèi)容，適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)一些，有利于對“代數(shù)”內(nèi)容的認(rèn)識與理解；
（3）從教育學(xué)的角度考慮，這里有循序漸進(jìn)的問題，有學(xué)生不同年齡段的接受能力的問題等等。
作為中學(xué)“代數(shù)”中的一個重要內(nèi)容是解多元一次聯(lián)立方程組，在中學(xué)“代數(shù)”的教材中，一般著重講二元或三元一次聯(lián)立方程組，所用的方法往往是消元法。但是如果變元為四個或更多時，就得另想辦法來建立起多元一次聯(lián)立方程組的理論。經(jīng)過很多年的努力，矩陣的想法產(chǎn)生了，這不但給出了多元一次聯(lián)立代數(shù)方程組的一般理論，而且由此建立起一門新的學(xué)科“線性代數(shù)”。這是又一次“數(shù)學(xué)中真正的進(jìn)展”，由于“更有力的工具和更簡單的方法”，即“矩陣”的發(fā)現(xiàn)，不僅對多元一次聯(lián)立代數(shù)方程組的理解更為清楚、更為深刻，由于有了統(tǒng)一處理方法，可以把個別地處理方程組的方法“拋到一邊”。
當(dāng)然，“線性代數(shù)”是大學(xué)的課程，但它的產(chǎn)生的確再次印證了Hilbert所說的那段話。在中學(xué)“代數(shù)”中的另一個重要內(nèi)容是解一元二次方程，在古代，例如《九章算術(shù)》中已有解一般一元二次方程的算法，后來有很多的發(fā)展，直到al-khowarizmi（約783―850）相當(dāng)于給出了一般形式的一元二次方程。
1545年G.Cardano（1501-1576）公布了由N.Fontana（1499－1557）發(fā)現(xiàn)了解一元三次方程的解，而一元四次方程的解由L.Ferrari（1522―1565）所解決。于是當(dāng)時大批的數(shù)學(xué)家致力于更高次方程的求根式解，即企圖只對方程的系數(shù)作加、減、乘、除和求正整數(shù)次方根等運算來表達(dá)方程的解。經(jīng)過了二個世紀(jì)的努力，大批數(shù)學(xué)家都失敗了，直到1770年J.?Lagrange（1736―1813）看到了五次及高次方程不可能做到這點，又過了半個世紀(jì)，1824年，N.?Abel（1802―1829）解決了這個問題，即對于一般的五次和五次以上的方程求根式解是不可能的。但什么樣的特殊的代數(shù)方程能用根式來求解，這是E?Galois（1811―1832）所解決，而更為重要的是：為了解決這個問題，他建立起“群”的概念，這就意味著現(xiàn)代代數(shù)理論的產(chǎn)生，這是又一次“數(shù)學(xué)中真正的進(jìn)展”。它是由于“更有力的工具和更簡單的方法”，即“群”的發(fā)現(xiàn)而造成的，有了“群”以及后來發(fā)展起來的現(xiàn)代代數(shù)理論，可以更清楚、更深刻地理解以往高次代數(shù)方程求根式解的問題，而的確可以把以往那些“陳舊的、復(fù)雜的東西拋到一邊”。
雖然“群”等近代代數(shù)的內(nèi)容已超出中學(xué)教學(xué)的內(nèi)容，但代數(shù)方程求根式解問題的提出到徹底解決，這三百年的過程，十分確切地印證了前面不斷重復(fù)的Hilbert所說的那段話。
“群”的作用在歷史上及現(xiàn)代數(shù)學(xué)中都是不可估量的。例如：1872年Klein提出著名的ErlangerProgramm，即認(rèn)為各種幾何學(xué)就是研究各種不同變換群下的不變性質(zhì)。這個數(shù)學(xué)思想，不僅對幾何學(xué)的發(fā)展，而且對整個數(shù)學(xué)的發(fā)展起了巨大的作用。
