什么是一个数学事实的解释?

  1. 8周前

    FatFish

    1楼 5月22日 物理版主, 茶馆馆长, 优秀回答者, 十周年庆典纪念

    1.数学解释
    这是一个很常见,但是其准确含义非常难以澄清的事情,即很多人看完一个数学事实,甚至验证过整个证明流程之后依然会疑惑:“这件事的解释是什么?”
    如果另一个人没有对此产生困惑,那么这件事几乎无法交流。因为证明就是一个字面意义上的解释,你到底在寻求什么?
    一种解读( @Toy Box 提供)认为,寻求某个解释实际上只是寻找一个当事人自己最熟悉的证明路线,因此不同人会对不同的叙事表示满意,这其中并不存在一个绝对的解释。

    我认同不同人基于自己的知识背景,对什么样的解释满意可能是比较个人化的事情,但是我本人并不完全认同这种解读,我认为客观上
    “做一个解释”就是比“陈述一个证明”提供了更多的信息,因此才能安抚一部分人的需求。

    我本人有一个很典型的经历,正好适合作为例子:https://chaoli.club/index.php/2444

    ——时隔十年再看,这个帖子正文写的比较啰嗦,当时我对于“什么是解释”的陈述也非常凌乱,我在这重述一下核心内容。

    长话短说,这个问题的“疑惑”是为什么傅里叶系数余弦项对于第0项有一个额外的$1/2$因子。
    直接按照定义计算的话,答案是内积积分$(\cos kx,\cos kx)=1+\frac{\sin 4k\pi}{4k\pi}=1+\mathrm{sinc}(4k\pi)$
    仅在$k=0$时为2(可去奇点),对其他整数为1。
    我认为这不是一个“可接受的解释”(以下称之为解释1),然后我自己最后满意于下面这个回答:
    如果我们使用e指数而不是三角函数在复数域进行傅里叶展开,那么所有系数表达式是统一的。
    同时,余弦项来自于两个正负频的e指数$\pm k$项的复合。
    因此,答案揭晓(以下称之为解释2):0没有相反数,所以零频率项天然比其他频率少一半。

    @Toy Box 的观点是,这两个解答并没有什么差异,我之所以满足于第二个是因为数数要比算积分更简单。或者说用冯诺依曼的话说“你还没有适应数学”。
    原帖 @海龙 也做了类似的意见,他觉得第一个解答已经很简洁了,“一个可去奇点的解释听起来就很有道理了,为什么胖鱼对这一解释并不那么满意呢?”。

    我当时没有想到很好的解答方式,最后写了一份很长的关于数学认知的长篇大论。现在我觉得可以有一个相对比较简单的解答方式。

    考虑两个命题:
    A:傅里叶余弦系数的对$k\neq0$时是$a_k=(\cos kx,f)$,$k=0$时是$a_k=\frac{1}{2}(\cos kx,f)$
    B:对方程$|x|=k$,$k=0$时其解的数量是$k\neq0$时解数量的$1/2$

    那么解释2给出了由命题B推出命题A的推理关联。而第一个解答完全可以在绕开命题B的情况下得到结果,我们说第二个给出了一些全新的命题间依赖关系。
    ——一种颇为丑陋但是具有统一格式的公式写法是$a_k=\frac{\#\{x|k=|x|\}}{2}(\cos kx,f)$,其中#表示集合的大小。

    解释1是我们在实数域推导傅里叶系数的归一化必然要做的积分,因此我们只是得到了命题A这个“现象”。用“积分就是这么算的”并不算回答,因为他不提供任何未知的新推理关系,一切需要用积分得到A的命题都已经在推出命题A的过程中出现过了。

    因此,解释2就提供了一个全新的推理关联B→A。这是客观上新的信息。B此前没有也不出现在解释1的推理链中。
    当然,很多时候这个客观信息并不能安抚其他人,这一步可能是个人倾向发挥效用的地方。
    ——客观上,我们完全可以把0频率项的内积不写成$\cos kx$的形式,直接写成$(1,1)=2$,连$\rm{sinc}$函数都不出现,这个我们称之为解释0,毫无疑问解释1还是在某种程度上提供了关于$\rm{sinc}$函数的新结果,所以也是一个解释,在这个角度他让我不满的原因是这条推理链和原来的推理链重合内容太多了,作为一个解释没有提供“足够不同”的推理链。而解释0本身是一个问题,因此这还是太像用问题本身回答问题了。

    用“找到一个新命题与原始陈述的推理链”来描述“数学事实的解释”,大概能较好的刻划很多人寻求解释的行为。事实上,许多时候数学家说的“解释”往往是对某些很简单的初等陈述,引用颇为深奥的抽象结构或者复杂构造来解释,甚至他们会寻找到一些从没见过因此不可能熟悉的新构造。这无法视为“转换到自己熟悉的领域”。用我的这种解读来说的话,原因是这些构造在制造多样化的推理链方面功能非常强大,可以把大量此前看起来无关的命题关联起来,因此更被描述为一种“解释”。


    2.数学巧合
    数学巧合能够用类似的视角解读吗?因为回答数学上什么是一个巧合很困难。我们并没有随机生成一个公理集,那“偶然事件”似乎并没有意义。一种策略是给命题赋予一些参数,通过观察这些参数的调整来模拟一个随机变量的集合,不过并不是每种命题都能找到合适的变量来分析。也许另一种策略就是查看他有多少不同的论证路线与不同的命题关联来推断,关联越多这个命题看起来就越不像是巧合。反之,如果命题 A, B, C, D, E…………都能经由基本无关的推理链给出同一个结果Z,那么不管Z是不是巧合,单个命题A看起来都有点偶然,或者至少不那么必然。

    ——一种案例是组合命题,很多陈述比较宽泛的组合命题都可以得到大量完全不同的构造,那么这些构造中的每一个“恰好存在”都无法让人感觉到多么“巧合”,因为即使他不存在其实也没什么大不了的。

    ——有一个数学笑话:“$0\times1=0$的本质是哪个?0乘以任何数都等于0,还是1乘以任何数都等于原数?”
    这个笑话非常浅显的说明了为什么有些命题似乎有多种无关的成立原因。更抽象的描述应该被视为一种更广泛的描述而不是针对单个命题的“底层本质”。很多命题其实生活在许多不同的奇迹与魔法的交界之处。


    3.反数学解释
    另一个数学笑话:
    有位中国数学家去法国访问,问一个小学生,3+4等于几啊?
    法国小学生说:“不知道,但我知道3+4等于4+3.”
    中国数学家说:“知道这个也很好啊,那你知道为什么吗?”
    法国小学生说:“因为整数加法构成了阿贝尔群。”

    这个笑话传统上是讽刺某些试图过早引入抽象概念的教育尝试,这只会让学生瞎背一堆名词,完全不理解更不会计算。(一个不那么笑话的严肃批评可见法国数学家迪厄多内《无穷小计算》的前言,他批评的是大学生和当时过于抽象的数学教学设计)

    但是这个笑话其实还有一个隐藏笑点,那就是,原则上,你得先得出结论说整数加法有交换律,然后才能说整数加法构成阿贝尔群。因为阿贝尔群的定义条件就是群运算具备交换律。
    所以,阿贝尔群不只是作为解释过于抽象的问题,而是在推理顺序上就不能作为一个解释。

    ——一种绕开这个矛盾的潜在策略是证明整数加法与某个已知是阿贝尔群的群和其运算同构,从而自动得到交换律,考虑到整数加法的基础性,很难想象要怎么构造这么一种崎岖的推理链,不过如果真有这种外星数学我还挺想开开眼的。我有限的数学知识里,唯一一个类似的(具备合理性的)案例是椭圆曲线的加法群。直接根据其定义检验这个加法是不是满足结合律从而成群,将会是疯狂的代数爆算,更符合人类认知的证明路线是构造一个容易验证群结构的新群,然后再建立二者间的同构使其自动满足结合律。

  2. 8周前Kutta 重新编辑

    做一些可能有关的摘录:
    Mark Steiner - Mathematical explanation (1977)

    数学解释是存在的。数学家们在日常工作中,往往会将仅用于推演(demonstrate)的证明与具有解释力(explain)的证明区分开来。所罗门·费弗曼(Solomon Feferman)这样说道:
    “为了对零散的个别结果给出真正令人满意的解释,人们不断地追求抽象化与一般化,以此作为达成该目标的手段。特别是,要想真正洞察自然数的行为,代数和分析领域的长足发展似乎是必不可少的。”²

    ……

    按照费弗曼的思路,一个很自然的想法就是把解释等同于一般性或抽象性。复分析目前为我们认识素数(特别是素数的整体行为)提供了最深刻的洞见,而它确实带有某种一般与抽象的色彩。我们可以将费弗曼的论题至少拆分为三个版本:

    (a) 如果一个证明在某种(尚待明确的)绝对意义上是抽象的(或一般的),那么它本身就具有解释力。
    (b) 如果一个证明比它所证明的结论更抽象(或更一般),那么它本身就具有解释力。⁴
    (c) 对于同一条定理的两个证明,解释力更强的那个必然更抽象(或更一般)。

    虽然费弗曼的本意多半不是 (a),但他给出的解析数论的例子倒是印证了 (b) 或 (c)。克雷塞尔(Kreisel)在一次私人通信中明确采纳了 (c),他写道:“只要根据一个证明中(出现的定理)比另一个证明(中的定理)具有更大的普遍性,来进行人们所熟悉的公理化分析,就‘足以’识别出证明的解释价值了。”

    当然,费弗曼或克雷塞尔需要先澄清“一般性”或“抽象性”的确切含义。就后者而言,从一阶算术跃升到高阶算术,抽象程度无疑是递增的(二阶算术涉及数的集合;三阶涉及数集的集合;依此类推)。费弗曼完全可以拿下面这个简单的定理来佐证:

    $$S(n) = 1 + 2 + 3 + \cdots + n = n(n+1)/2$$

    我们可以通过归纳法来证明这一点,只需指出:

    $$\begin{array}{l}
    S(n+1) = S(n) + (n+1) = n(n+1)/2 + 2(n+1)/2 = \\
    (n+1)(n+2)/2
    \end{array}$$

    但下面这个证明则更具启发性:

    $$\begin{array}{rl}
    1 & + \quad 2 \quad + \quad 3 \quad + \cdots + \quad n \quad = S \\
    n & + (n-1) + (n-2) + \cdots + \quad 1 \quad = S' = S \\
    \hline
    (n+1) & + (n+1) + (n+1) + \cdots + (n+1) = n(n+1)
    \end{array}$$

    这个证明一旦形式化,就会运用蒯因《集合论及其逻辑》中阐述的技巧,对自然数序列进行量化;而第一个证明只需和自然数本身打交道,因而抽象程度没那么高。

    但我怀疑,让后者胜出的仅仅是它的抽象性吗?更可能的原因在于它的图示特征,抽象序列只不过是用来形式化这幅图景的必要工具。事实上,也许还有一个比后者更具解释力的证明,它是纯几何的:

    将一个边长为 $n$ 的点阵正方形沿对角线分开,我们能得到一个包含下面这个点数的等腰直角三角形:

    $$S(n) = 1 + 2 + 3 + \cdots + n$$

    由 $n^2$ 个点组成的正方形包含两个这样的三角形——不过在拼合它们时,对角线(包含 $n$ 个点)被我们多算了一次。因此我们得到:

    $$S(n) + S(n) = n^2 + n, \text{ 证毕。}$$

    那么“一般性”又当如何?

    另附MinerU解析的此文的Markdown文档:BF00354494.md (41.2K)

  3. 8周前Kutta 重新编辑

    虽然可能更注重经验科学与因果中的解释,但其中许多思路可能可以参考:Causal Approaches to Scientific Explanation, 20th Century Theories of Scientific Explanation
    尤其是这本比较新的书Because Without Cause: Non-Causal Explanations in Science and Mathematics (2016)专门各有一章讨论数学解释与数学巧合
    以及The Philosophy of Mathematical Practice (2008)的第5章。
    这两本书和2L所贴的文章一样,常以自然数与复分析视角的关联为例考虑。

  4. 说得好,那么什么是一个量子力学的诠释?

    @SpacetimeCat 时空猫曾经表达过,不应该将退相干视作诠释,因为它只是量子力学框架内的东西。我认为这种看法跟本帖子的观点非常相似。其他根正苗红的诠释可能都比量子力学框架多给出了一些命题,例如非线性坍缩(很幸运或者很不幸地可以由实验验证而且已被证伪,所以在几乎是诠释的情况下更多地还是一个修正理论)、存在但绝对不可与之发生相互作用的世界,或者粒子与导航波的隐秘互动,而退相干没有。

    时空猫还指出过退相干本身就是一个现象。从最字面的角度上看,这给退相干带来了类似于非线性态坍缩的理论地位——它提出了可以被实验检验的现象,所以也应该至少因此成为一个衍生理论(或者修正理论,如果这些现象暂时难以实验或者被实验证伪),而不是诠释。当然,像一个正常的衍生理论一样,退相干理论确实预言了退相干现象发生的速度与多种内外条件的关系,在退相干理论建立后,这些内容已经不断得到实验验证。但是退相干现象的发生本身却是大伙很早就知道的——至少到退相干理论建立的时候,大家都知道量子态普遍娇贵了吧。退相干现象本身并不是退相干理论所预言的,而退相干理论作为“解释”的核心依据就是退相干现象的普遍发生本身,并不显著地涉及其所预言过的具体速度。所以我认为这里出现了一定的模糊性,不一定能简单地说退相干给出过新的预言所以不是诠释。

    物理理论相比数学事实还多出了一个独特的议题:理论世界之外还存在一个现实世界。一个物理理论的诠释,除了调和理论世界内的困惑,还需要解决现实世界中的本体论问题。@Toy Box 指出,退相干只能给出形式上等价的经典世界,但没有处理本体论问题。

    以及,退相干对“为什么会有量子与经典之别”的解释也比较特殊。它给出的回答是,通过大规模退相干过程,量子世界中可以自然地产生经典世界,也就是量子世界的存在不需要解释,需要解释的是经典世界。当然,多世界也干了。(很抱歉我一时之间找不到如何处理这个用词冲撞,两者的“世界”不是同一个意思)

    退相干没有回答单个结果问题,这个任务可能要推给多世界来完成。而至于波恩规则的起源,多世界也没有回答。

    我们发现,退相干是否是诠释的问题上,随角度的不同,可以给出是诠释、不是诠释、比诠释做得多、比诠释做得少等多种答案。它所作的诠释本身也有一些把问题本身掀了的倾向——尽管我本人认为这部分确实该掀。除了本体论问题,我想剩下的部分应该跟数学事实的解释可以借用相似的讨论框架,供大家参考。


    @FatFish 一种绕开这个矛盾的潜在策略是证明整数加法与某个已知是阿贝尔群的群和其运算同构

    $\mathrm{e}$的正整数次幂及其倒数构成的集合及其乘法就是符合条件的群及其运算,可以通过自然对数同构到整数加法。

  5. Sun_12357

    5楼 5月23日 物理版主

    和胖鱼的想法有点感同身受,我经常读懂了数学证明却完全不“理解”一个命题在干什么,需要一个“解释”。不过对我而言,“命题动机”和“知识点间联系”往往就构成可接受的一种解释。
    我联想到,我以前和 AI 讨论过一个想法:近代数学的重点究竟在不在于**证明**?我们当然知道,证明是重点,但是我们做这样一个思想实验:如果给一个人工智能告知一切逻辑推理规则,让它自己通过逻辑推理自己发现命题,它能发现好的命题吗?虽然还没有实验,我个人对此的看法是:不能。因为 AI 并不知道哪些东西对人类“有用”。
    我想,除了证明以外,数学研究还有一套隐含的标准:价值。人类从自然生活中产生了自然数、有理数、实数的模糊概念,这些是有用的,而数学的任务之一就是提出合理的定义,在合理的定义下它们的性质一定程度上符合直觉。这个价值不一定是直接服务于现实应用,但一定在某个角度上有意义。
    例如,定义这件事就不是完全的的逻辑推理过程。定义当然和推理联系密切,很多定义要先建立在定理(真命题)上,但是定义过程引入了人类对数学对象价值的判断:这堆性质是有用的,所以我们提炼为一个定义。而提出一个普遍接受的定义,就需要解释它为什么有用。

  6. 7周前
    7周前Kutta 重新编辑

    有坛友在一段随意的会话中恰好提供了如下感想:

    我想到我遇到过的一个奇怪例子
    一个环里(a)=(b)但是a和b不相差全局可逆元
    一个反例是这个: 考虑k[x,y]/(x^2y^2), 然后这里考虑x^2和x^2(1+y), 这里x^2(1+y)(1-y)=x^2, 所以它们的理想相同, 但是1+y并不可逆, 它们也不可能差某个全局可逆元
    我之所以能找到这个反例就是我当时把A看作函数环, (a)直接看作对应的closed subscheme这样的, 否则我比如说以"类似整数/多项式环的东西"这种直观去理解它可能就很难找到这种反例

    或者另一个神秘直观的例子 想到indecomposable但可能不irr时候,心里想到就是一个可能类似(0,0.7)之于(0,1)的线段,它占大部分长度,对应没有不变子空间直和补这样的,这个有限空间直和分解在我脑子里的“形状”类似分块矩阵

    或者还有很多类似的例子, 就是我某种意义上数学的理解某个东西之后, 相关一个很冗长的证明我扫一眼就get到了某些"形状", 然后一下子就懂得了

    比如说还有一个神秘例子, 像是我看到这种
    13a602765d05eefc312c27cacc583253.png
    的时候, 我理解了这个题在说什么, 然后扫一眼下面的过程, 因为我对图表交换这个有一种难以描述的 (但我完全确信是某种直观! ) 的感觉, 所以我完全不用追踪它具体的指标

    反之我经常碰见我在数学上不很理解一个东西的时候, 如果它指标比较复杂, 我就得先语文上仔细确定它在说什么, 确定的比较详细再一步步转化成数学上在说什么, 前面这个步骤尤其它需要同时追踪的指标很多时候, 我读起来就会特别困难, 可能先理解它"在说什么"语文上可以花我20分钟去转换成数学, 但是往往建立起数学理解之后想两下就立即明白了

  7. FatFish

    7楼 5月26日 物理版主, 茶馆馆长, 优秀回答者, 十周年庆典纪念

    我觉得数学归纳法是一个有点微妙的例子,很多时候,这类证明带来的困惑要远大于单纯的“我觉得这不构成解释”。
    很多时候你只有猜到了正确的通项,才能顺利进行归纳,然而这个通项的形式很难一眼看出来,特别缺乏动机。对我来说,比那种“非解释证明”,这类天外构造还带来了额外的困惑。
    依然用我一楼傅立叶系数的那个案例,计算内积的过程是不需要任何猜测和试探的,任何了解相关概念的人都可以独立得出结论。只是结果让我感觉“没有解释原因”,而许多数学归纳法提供的是某种无法理解的构造,“你怎么知道的”。
    某种意义上,考虑到皮亚诺算术里数学归纳法实际上是自然数定义的一部分,我们不能说任何使用数学归纳法的证明都“不解释原因”,这已经解释到最原初的公理去了。对于数学归纳式证明都疑惑主要集中于“用于归纳到表达式你是怎么想到的”这种技术层面,或者说,我认为这时候“寻求解释”是另一个不同的问题,他的目的是寻求一个“思路更自然,不需要调用太复杂的猜测”的证明路线。当然,原则上调用数学归纳法可能是不可避免的,但是至少我们可以把他约简到最简单的公式形式,简单的$S_{n+1}=S_n+k$或者$S_{n+1}=S_n\times k$,毕竟在自然数上,乘法和乘方的定义几乎就是用同样的式子去递归定义,因此你面对这种式子直接调用定义就行了。(另一方面,也由于他们就是用归纳法定义的,我们不再认为,到这一步要求更简单的绕开归纳法的证明路线是合理的诉求了)
    ——不过现实中,很多定理的归纳法证明实际上也就是不断的拼凑和尝试之后得到的。有些场景递归有很自然的构造动机,虽然没有把握一定能行但是可以试试,另一些则是“我试过了所以我要准备一些构造用于递归”,大家对后者寻求更简单的解释(其他证明路线)的动力可能会更强。

    我记得高中时候数学归纳法的例题是二项式定理,我觉得这是一个特别差的案例,让数学归纳法看起来特别像是魔法:你是怎么猜出系数的表达式的?
    当然,我们有组合学论证,说明二项式其实就是组合数的母函数,但是任何用这种方法推测出二项式系数的论证都自动给出证明了,我们不再需要你额外归纳任何东西。(当然,证明组合数写成阶乘形式,本身是需要数学归纳的,不过,考虑到阶乘本身是在自然数上递归定义的,我认为这属于“完全自然的数学归纳法”)
    而如果你不知道二项式系数是组合数,那么似乎没有任何动机去假设这个形式,学生们只能在完全的困惑中得到结论,这表达式是对的,但是这是一个上屋抽梯型的证明。

    @民科 说得好,那么什么是一个量子力学的诠释?

    物理学诠释的困境我觉得和数学也不太一样,特别是大家其实并没有严格证明不同诠释实际上是同一个数学框架的不同解读,完全等价。某种意义上大家都在许愿某种未来物理学实验可能会揭示的、有更好的理论体系可以描写的量子力学扩展包。真的数学上等价的,像是经典的牛顿力学、拉格朗日力学、哈密顿力学的,反而没人讨论谁更基本什么是诠释,反正他们都不如量子力学基本。

    数学这里的困境是你有时候很难“实验”什么东西,我在一楼提到的那个早期帖子里就尝试类比过我为什么觉得傅立叶系数的解释1是“实验现象”,解释2是“一个理论解释”,但是显然不太成功,希望这个帖子提供了更有效的区分方式(和更多命题的关联程度)。说到底物理学本身似乎根本不需要费力去区分,这本身就是物理学和数学在这方面的一个显著差别。(当然,纯理论物理视角可能和数学会更接近一些)

    @民科 $\mathrm{e}$的正整数次幂及其倒数构成的集合及其乘法就是符合条件的群及其运算,可以通过自然对数同构到整数加法。

    这里的困难就在于你不依赖加法交换律的话要怎么建设一个指数和对数函数的理论,还要证明这个结构和自然数加法同构,我们知道传统上实数是经由整数一步步扩展来的,这一过程顺带建立了数字的对应和四则运算的对应。所以在没有自然数加法交换律的情况下一切似乎都会卡住。

  8. FatFish

    8楼 5月27日 物理版主, 茶馆馆长, 优秀回答者, 十周年庆典纪念
    7周前FatFish 重新编辑

    @FatFish 我们知道传统上实数是经由整数一步步扩展来的,这一过程顺带建立了数字的对应和四则运算的对应。所以在没有自然数加法交换律的情况下一切似乎都会卡住。

    写完这段话之后我突然意识到,有一种绕开传统的皮亚诺体系建立实数体系的著名方法:康威的超现实数,可以实现这个超现实的任务。

    康威写了一本 On Numbers and Games 详细介绍这个系统。想看简单一点的中文介绍,读者也可以阅读高德纳写的《研究之美(Surreal Numbers)》,这是一本对话体的超现实数介绍(超现实数这个名字就是他发明的,康威就是毫无创意的叫Numbers)。

    该体系中的每个数由左右集合构成,集合由其他超现实数构成。记为$x=\{x^L|x^R\}$通过$0=\{\varnothing|\varnothing\}$开始递归构造。然后可以定义加法为$$x \oplus y = \{ x^L \oplus y, x \oplus y^L \mid x^R \oplus y, x \oplus y^R \}$$
    按照递归出现的顺序进行归纳,我们可以直接证明这个运算满足交换律、结合律,等等。
    然后根据$1=\{0|\varnothing\}$递归构造$n+1=n \oplus 1$
    我们可以直接就把这些超现实数和自然数等同了。
    当然,原则上还需要做一些验证表明他和经典定义的自然数是同构的,进而导出通常意义上的加法交换律。我懒得写了,就让Gemini帮我写了一个证明,大致看了一下没什么问题:

    surreal_commutativity.pdf (144.6K)


    虽然小学生学超现实数听起来是字面意义上有点超现实的场景,但是这件事某种意义上可能比学习阿贝尔群更现实一点,因为存在一种规则简单、充满童趣的红蓝伐木游戏(Hackenbush,也是康威发明的),其形式恰好可以写成超现实数:在红蓝伐木游戏里,左右两方分别每次移除一条红/蓝色的边,所有无法与地面联通的边都会被一起移除。首先无法行动的玩家输掉。
    下载 (1).png
    超现实数的左右部分就对应了两方玩家的优势步数。
    对此的详细介绍,读者可以参考伯莱坎普、康威、盖伊合著的数学游戏大作 Winning Ways for Your Mathematical Plays ,此书的第一版有中文版《稳操胜券》。
    ——或者这个简短的网络介绍:https://www.math.uchicago.edu/~may/VIGRE/VIGRE2006/PAPERS/Bartlett.pdf

    ——怎么说呢,至少这个游戏你可以真的尝试在小学生中推广一下,毕竟当时大家玩井字棋都不亦乐乎的。

  9. FatFish

    9楼 5月27日 物理版主, 茶馆馆长, 优秀回答者, 十周年庆典纪念
    7周前FatFish 重新编辑

    我尝试补充一些关于数学巧合或者数学解释额外例子。

    1.Sylvester-Gallai定理:对一个平面上不共线的有限点集,考虑所有连接不同点的直线,至少有一条直线上只有两个点集中的点。

    此定理以其简短且让人惊愕的证明闻名:考虑所有点到直线的最短距离(不计0距离),使用反证法可以轻易证明,该直线上只有两个点,不然第三个点会给出一个更短的距离。

    这我觉得属于典型的“即使你理解了证明也没有理解发生了什么”,证明的动机似乎是完全无法理解的,为什么会有人想到距离,以及,为什么这真的和距离有关?

    至少我还很小的时候,这个证明带给我的诡异感大于理解感。不过随着我了解更多数学,我觉得可以尝试给这种证明一种动机解释。

    数学上,射影几何就可以被视为一种放弃了度量公理,不再具备度量概念的几何体系,而射影几何里著名的Fano平面就完全满足射影几何公理并且每条直线上都有三个点,显然不满足定理要求。

    这个事情在一定程度上提示我们度量公理在Sylvester-Gallai定理成立的过程中可能起到了重要作用,那么既然如此,考虑利用距离寻找想要的直线在动机上就很自然了。

    从最基本的“解惑”角度,这本身可以视作一个满意的解释,他给出了合理的“动机探索”,也从公理体系的角度解释了“度量”概念出现的必要性。

    ——但是真的是必要的吗?

    H. S. M. Coxeter就觉得没必要,他认为这个证明属于大锤砸杏仁,用力过猛然后再探索一番后表明,即使去掉度量关系,仅靠顺序公理就够用了。
    他的原始论文太老了我没有找到,其观点转引自A Reverse Analysis of the Sylvester-Gallai Theorem. Victor Pambuccian. Notre Dame J. Formal Logic 50(3): 245-260 (2009). DOI: 10.1215/00294527-2009-010
    《数学天书的证明》一书的第11章和13章(第5、6版。第4版对应章节好是10和12章)对这个问题有比较详细的分析,给出了只基于顺序公理,利用欧拉公式的证明。

    而这引出了我们第二个话题——欧拉公式

    2.欧拉公式
    欧拉有很多公式,这里说的是俗称“多面体欧拉公式”那个,实际上这就是一个很好的多种证明的例子,欧拉最早的证明非常刚性,一块块移除多面体来保证结果不变,但是现在最流行的是柯西的那个图论证明,事实上这个更接近一个平面的拓扑性质,和多面体的距离尺度什么都完全无关。
    只不过,既然命题成立,那有一把过剩的大锤来砸并不奇怪。

    这个问题我推荐大家读拉卡托斯的《证明与反驳:数学发现的逻辑》,里面讨论了各种证明策略以及如何恰当的定义多面体、如何推广等等。

  10. NJU-春风沂水

    10楼 5月28日 优秀回答者
    7周前NJU-春风沂水 重新编辑

    在一般意义上,我们会说解释二比解释一更本质吧,也就是使用到的数学技术外延更少

  11. 6周前

    FatFish

    11楼 6月1日 物理版主, 茶馆馆长, 优秀回答者, 十周年庆典纪念

    @NJU-春风沂水 在一般意义上,我们会说解释二比解释一更本质吧,也就是使用到的数学技术外延更少

    我不太确定你的“外延更少”是指什么,不过很多时候数学家会寻求解释寻求到某些非常复杂的地方,目的是寻求一个更具一般性的解释,似乎不是按照这个标准来的。

    https://mp.weixin.qq.com/s/P7VsxQSWoHTwbI-iWgqCmg

    发现一篇瑟斯顿写的文章,可以作为一个补充参考资料。

  12. NJU-春风沂水

    12楼 6月1日 优秀回答者
    6周前NJU-春风沂水 重新编辑

    @FatFish 我不太确定你的“外延更少”是指什么

    在解释力相同的情况下,牵涉到的数学技术更少。

    数学家那种寻求解释,很多时候是为了寻求广泛的、普遍的解释力。一些看起来是矩阵或线性代数的现象背后,可能是代数几何等深刻的数学结构。很多时候,看似无关的现象,需要通过这种高级的数学工具才能够联系起来。

  13. FatFish

    13楼 6月1日 物理版主, 茶馆馆长, 优秀回答者, 十周年庆典纪念

    @NJU-春风沂水 在解释力相同的情况下,牵涉到的数学技术更少。

    数学家那种寻求解释,很多时候是为了寻求广泛的、普遍的解释力。一些看起来是矩阵或线性代数的现象背后,可能是代数几何等深刻的数学结构。很多时候,看似无关的现象,需要通过这种高级的数学工具才能够联系起来。

    我觉得即使参考傅里叶系数的例子,也很难说第二个解释需要更少的技术,比如说,这个解释引入了虚数、引入了欧拉公式,同样需要微积分来进行计算。引入复变函数来解释许多实数问题还是很常见的,这本身也牵扯了很多新的数学技术。

  14. 4周前

    FatFish

    14楼 6月16日 物理版主, 茶馆馆长, 优秀回答者, 十周年庆典纪念
    4周前FatFish 重新编辑

    @FatFish 很多命题其实生活在许多不同的奇迹与魔法的交界之处。

    补充一些新的可参考内容:

    [1] John H. Conway & Joseph Shipman . Extreme Proofs I:: The Irrationality of $\sqrt{2}$
    https://dev.mccme.ru/~merzon/mirror/mathtabletalks/files/irrational-conway.pdf

    irrational-conway.pdf (484.4K)
    (虽然标题暗示这只是系列文章的第一篇,但是直到康威去世,都没有第二篇)

    作者用$\sqrt{2}$ 的无理性证明作为例子分析了不同证明之间的差异,如何依赖于不同的定理、以及,这个策略是否具有可推广性。某个命题的多种证明很常见,但是我很少见到有人详细讨论他们各自的可推广方案、推广程度,我觉得这对于【理解】一个证明有很大好处。


    [2] John W. Dawson, Jr. Why Prove it Again? Alternative Proofs in Mathematical Practice

    本书收录了很多比较简单的命题的多种常见证明,不过比较遗憾的是我认为作者对于题目的“为什么”讨论不算很充分,当然他确实做了一些讨论,但是主体还是欣赏各类证明,没有太过深入这些证明的差异,例如本书也有一章讲$\sqrt{2}$ 的无理性的,就没有Conway&Shipman的讨论深入。

 

后才能发言