數學史海覽勝：第一次數學危機

　　從哲學上來看，矛盾是無處不存在的，即便以確定無疑著稱的數學也不例外。數學中有大大小小的許多矛盾，例如正與負、加與減、微分與積分、有理數與無理數、實數與虛數等等。在整個數學發(fā)展過程中，還有許多深刻的矛盾，例如有窮與無窮、連續(xù)與離散、存在與構造、邏輯與直觀、具體對象與抽象對象、概念與計算等等。

　　在數學史上，貫穿著矛盾的斗爭與解決。當矛盾激化到涉及整個數學的基礎時，就會產生數學危機。而危機的解決，往往能給數學帶來新的內容、新的發(fā)展，甚至引起革命性的變革。

　　數學的發(fā)展就經歷過三次關于基礎理論的危機。

　　第一次數學危機

　　從某種意義上來講，現代意義下的數學，也就是作為演繹系統(tǒng)的純粹數學，來源予古希臘畢達哥拉斯學派。它是一個唯心主義學派，興旺的時期為公元前500年左右。他們認為，“萬物皆數”(指整數)，數學的知識是可靠的、準確的，而且可以應用于現實的世界，數學的知識由于純粹的思維而獲得，不需要觀察、直覺和日常經驗。

　　整數是在對于對象的有限整合進行計算的過程中產生的抽象概念。日常生活中，不僅要計算單個的對象，還要度量各種量，例如長度、重量和時間。為了滿足這些簡單的度量需要，就要用到分數。于是，如果定義有理數為兩個整數的商，那么由于有理數系包括所有的整數和分數，所以對于進行實際量度是足夠的。

　　有理數有一種簡單的幾何解釋。在一條水平直線上，標出一段線段作為單位長，如果令它的定端點和右端點分別表示數0和1，則可用這條直線上的間隔為單位長的點的集合來表示整數，正整數在0的右邊，負整數在0的左邊。以q為分母的分數，可以用每一單位間隔分為q等分的點表示。于是，每一個有理數都對應著直線上的一個點。

　　古代數學家認為，這樣能把直線上所有的點用完。但是，畢氏學派大約在公元前400年發(fā)現：直線上存在不對應任何有理數的點。特別是，他們證明了：這條直線上存在點p不對應于有理數，這里距離op等于邊長為單位長的正方形的對角線。于是就必須發(fā)明新的數對應這樣的點，并且因為這些數不可能是有理數，只好稱它們?yōu)闊o理數。無理數的發(fā)現，是畢氏學派的最偉大成就之一，也是數學史上的重要里程碑。

　　無理數的發(fā)現，引起了第一次數學危機。首先，對于全部依靠整數的畢氏哲學，這是一次致命的打擊。其次，無理數看來與常識似乎相矛盾。在幾何上的對應情況同樣也是令人驚訝的，因為與直觀相反，存在不可通約的線段，即沒有公共的量度單位的線段。由于畢氏學派關于比例定義假定了任何兩個同類量是可通約的，所以畢氏學派比例理論中的所有命題都局限在可通約的量上，這樣，他們的關于相似形的一般理論也失效了。

　　“邏輯上的矛盾”是如此之大，以致于有一段時間，他們費了很大的精力將此事保密，不準外傳。但是人們很快發(fā)現不可通約性并不是罕見的現象。泰奧多勒斯指出，面積等于3、5、6、……17的正方形的邊與單位正方形的邊也不可通約，并對每一種情況都單獨予以了證明。隨著時間的推移，無理數的存在逐漸成為人所共知的事實。

　　誘發(fā)第一次數學危機的一個間接因素是之后“芝諾悖論”的出現，它更增加了數學家們的擔憂：數學作為一門精確的科學是否還有可能？宇宙的和諧性是否還存在？

　　在大約公元前370年，這個矛盾被畢氏學派的歐多克斯通過給比例下新定義的方法解決了。他的處理不可通約量的方法，出現在歐幾里得《原本》第5卷中，并且和狄德金于1872年繪出的無理數的現代解釋基本一致。今天中學幾何課本中對相似三角形的處理，仍然反映出由不可通約量而帶來的某些困難和微炒之處。

　　第一次數學危機表明，幾何學的某些真理與算術無關，幾何量不能完全由整數及其比來表示。反之，數卻可以由幾何量表示出來。整數的尊祟地位受到挑戰(zhàn)，古希臘的數學觀點受到極大的沖擊。于是，幾何學開始在希臘數學中占有特殊地位。同時也反映出，直覺和經驗不一定靠得住，而推理證明才是可靠的。從此希臘人開始從“自明的”公理出發(fā)，經過演繹推理，并由此建立幾何學體系。這是數學思想上的一次革命，是第一次數學危機的自然產物。

　　回顧在此以前的各種數學，無非都是“算”，也就是提供算法。即使在古希臘，數學也是從實際出發(fā)，應用到實際問題中去的。例如，泰勒斯預測日食、利用影子計算金字塔高度、測量船只離岸距離等等，都是屬于計算技術范圍的。至于埃及、巴比倫、中國、印度等國的數學，并沒有經歷過這樣的危機和革命，也就繼續(xù)走著以算為主，以用為主的道路。而由于第一次數學危機的發(fā)生和解決，希臘數學則走上完全不同的發(fā)展道路，形成了歐幾里得《原本》的公理體系與亞里士多德的邏輯體系，為世界數學作出了另一種杰出的貢獻。

　　但是，自此以后希臘人把幾何看成了全部數學的基礎，把數的研究隸屬于形的研究，割裂了它們之間的密切關系。這樣做的最大不幸是放棄了對無理數本身的研究，使算術和代數的發(fā)展受到很大的限制，基本理論十分薄溺。這種畸形發(fā)展的局面在歐洲持續(xù)了2000多年。