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【初中数学演义】既然点没有大小,那线段为什么会有长度?——几何公理体系的建立(2)

2021-05-28知识
★ 从那么少的几条原理,就能取得那么多的成果,这是几何学的光荣. ——牛顿

从欧几里得的【几何原本】问世,几何大厦的地基算是正式打下来了,在欧几里得创建的几何公理体系下,几何大厦拔地而起,刺入苍穹.

然而与此同时,对于其的争议也从未停歇.

我们现在来回答为什么它没能解决我们一开始提的这个问题.

【几何原本】的硬伤

在【几何原本】中,欧几里得很努力地想要给点、线、面一个定义,我们来看看这几条定义:

第一条:点是没有部分的.

首先这个并不是一个规范化的定义,按照逻辑学对定义的观点, 定义是指以简短的形式揭示概念的内涵和外延,使人们明确它们的意义及其使用范围的逻辑方法. 很显然,这条定义并没有清晰告诉我们什么样的东西可以称为「点」;

其次, 什么叫「部分」? 你不能拿一个本身就模糊不清的概念去定义另一个概念...

第二条:线只有长度而没有宽度.

和「点」的定义存在一样的问题,「线」的内涵与外延不清晰,而且不知道何为「长度,宽度」.

第四条:直线是它上面的点一样地平放着的线;

什么叫「平放」?

而且, 倘若我们接受第四条,那就意味着:线是由点组成的. 可是点没有部分,没有大小,那线怎么会有长度呢?同样的,如果面是由线组成的,那线没有宽度,面的宽是从哪来的呢?

我们可以用「线是点的运动轨迹」来解释吗?

很遗憾同样不可以, 何为运动轨迹?符合一定条件的点的全体所组成的集合,叫做满足该条件的点的轨迹,所以轨迹也是由无数个点组成的.

当然,我不是否定这本书,正相反,这本书每一位数学老师以及几何爱好者都应该读一读. 我们不能因为它存在不足之处就否定其价值,同样也不能因为其巨大成就就不去正视它的问题. 真正的数学家并不会回避其存在的问题,他们会不停地想尽办法将其地基打得更牢固,而不仅仅是将这座大厦建得高高的.

在此后的两千年中,数学家们不断尝试给「点、线、面」一个严谨的、恰如其分的定义,但结果并不理想. 慢慢大家开始接受一个事实,就是 在任何一组几何公理体系中,就像它必然存在某些无法证明的基本事实一样,它也必然会存在一些无法定义的概念,如点、线、面.

可是,如果不能定义这三个家伙,那几何岂不成了空中楼阁了?

在欧几里得的几何大厦摇摇欲坠之际,天降猛男了. 在数学史上,几乎每一个重大问题的突破的背后,都有着一个个人英雄主义一样的故事.

而这次的英雄,是德国数学家,上个世纪最伟大的数学家之一, 大卫·希尔伯特( \rm David\space \space Hilbert,1862—1943 ).

希尔伯特几何公理体系

很惭愧的是,关于曾经学过的那些属于希尔伯特的研究成果,我已悉数还给了母校\rm hhh ...但是他的传奇英雄故事依旧深深印在我的脑海中,这是一个以一己之力推动二十世纪数学蓬勃发展的大佬. 在1900 那一年,当时几乎所有的数学家都相信他们已经完成了数学的伟大版图,直到当年的巴黎国际数学家大会上,希尔伯特提出了著名的23 个问题.

这23 个问题犹如平地惊雷,将当时的数学界原地炸开,炸出了多大的坑呢?1900 年时,世界上所有的数学知识可以装入大约八十部书籍之中;而时至今日,数学则需要数十万部书籍才能容纳…

而在前一年的1899 年,他还写了一本书—— 【几何基础】 ,为数学界带来了希尔伯特的公理体系.

我们来看一看,他怎么解决欧几里得的几何公理体系中的遗留问题的.

在他的体系中,他 将点、线、面这三个作为不加定义的基础概念,称之为几何的基本元素 ,大家可以设想一下这个场景,站在我们面前的有三个东西,这三个东西分别叫做点、线、面.

通过点、线、面的适当组合,我们就可以得到任意的几何图形了. 恰如希尔伯特所言: 「我们必定可以用桌子、椅子和啤酒杯带代替点、线、面」.

在这个体系中,点、线、面被进一步抽象,它们将不用欧几里得体系中那些直观上看得见、摸得着的东西来定义了,它们成了 纯粹的抽象元素符号.

这个处理方法完美解决了开篇的那个问题, 它避开了「线是由点构成的,面是由线构成的」这一设定,我们不再纠结于线和点、面和线之间的父子关系,而是将点、线、面设定为了三个互相独立的元素个体 ,真是巧妙啊!

那么,如何让这三个元素之间产生联系呢?它们的性质该如何体现呢?这就需要在三者之间设定一些关系和公理了.

希尔伯特在体系中构建了三种元素之间的基本关系: 关联关系、顺序关系、合同关系 ,通过这三种关系,在三者之间架起关系的桥梁. 如「点在线上」就称为「点和线相互关联」,当直线上有3 个及以上的点时,这些点之间就需要一个顺序关系了.

同时,希尔伯特还像欧几里得一样,设定了20 个公理,作为体系的基石,这里我就不粘贴了.

另外说一句,公理体系的标准 相容性,独立性,完备性 也是希尔伯特提出来的,你就说牛不牛吧~

高枕无忧了吗?

然而就是这位大佬,一位几乎完美解决几何公理体系的大佬,竟然被另一位大佬浇了一盆冷水. 这位大佬又是谁呢?[吃瓜×1]

除了我们开篇的问题外,欧几里得的几何公理体系中,其实还有一个更致命的问题,这个问题直接导致了几何世界的分裂!是什 么问题呢?[吃瓜×2]

我们现行的初中课本所讲授的,真的是欧几里得的几何体系吗?[吃瓜×3]