數學發展史上的三次危機

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。在整個數學發展過程中，還有許多深刻的矛盾，例如有窮與無窮、連續與離散、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，貫穿著矛盾的鬥爭與解決。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、新的發展，甚至引起革命性的變革。

數學的發展就經歷過三次關於基礎理論的危機。

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一、第一次數學危機：無理數

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，而且可以應用於現實的世界，數學的知識由於純粹的思維而獲得，不需要觀察、直覺和日常經驗。

整數是在對於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。於是，如果定義有理數為兩個整數的商，那麼由於有理數系包括所有的整數和分數，所以對於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。於是，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不對應於有理數，這裡距離op等於邊長為單位長的正方形的對角線。於是就必須發明新的數對應這樣的點，並且因為這些數不可能是有理數，只好稱它們為無理數。無理數的發現，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。

無理數的發現，引起了第一次數學危機。首先，對於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。由於畢氏學派關於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侷限在可通約的量上，這樣，他們的關於相似形的一般理論也失效了。

“邏輯上的矛盾”是如此之大，以致於有一段時間，他們費了很大的精力將此事保密，不準外傳。但是人們很快發現不可通約性並不是罕見的現象。泰奧多勒斯指出，面積等於3、5、6、……17的正方形的邊與單位正方形的邊也不可通約，並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。

誘發第一次數學危機的一個間接因素是之後“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，並且和狄德金於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，古希臘的數學觀點受到極大的衝擊。於是，幾何學開始在希臘數學中佔有特殊地位。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，經過演繹推理，並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，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、測量船隻離岸距離等等，都是屬於計算技術範圍的。至於埃及、巴比倫、中國、印度等國的數學，並沒有經歷過這樣的危機和革命，也就繼續走著以算為主，以用為主的道路。而由於第一次數學危機的發生和解決，希臘數學則走上完全不同的發展道路，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傑出的貢獻。

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

二、第二次數學危機：微積分

十七、十八世紀關於微積分發生的激烈的爭論，被稱為第二次數學危機。從歷史或邏輯的觀點來看，它的發生也帶有必然性。

這次危機的萌芽出現在大約公元前450年，芝諾注意到由於對無限性的理解問題而產生的矛盾，提出了關於時空的有限與無限的四個悖論：

“兩分法”：向著一個目的地運動的物體，首先必須經過路程的中點，然而要經過這點，又必須先經過路程的1/4點……，如此類推以至無窮。——結論是：無窮是不可窮盡的過程，運動是不可能的。

“阿基里斯(《荷馬史詩》中的善跑的英雄)追不上烏龜”：阿基里斯總是首先必須到達烏龜的出發點，因而烏龜必定總是跑在前頭。這個論點同兩分法悖論一樣，所不同的是不必把所需通過的路程一再平分。

“飛矢不動”：意思是箭在運動過程中的任一瞬時間必在一確定位置上，因而是靜止的，所以箭就不能處於運動狀態。

“操場或遊行隊伍”：A、B兩件物體以等速向相反方向運動。從靜止的c來看，比如說A、B都在1小時內移動了2公里，可是從A看來，則B在1小時內就移動了4公里。運動是矛盾的，所以運動是不可能的。

芝諾揭示的矛盾是深刻而複雜的。前兩個悖論詰難了關於時間和空間無限可分，因而運動是連續的觀點，後兩個悖論詰難了時間和空間不能無限可分，因而運動是間斷的觀點。芝諾悖論的提出可能有更深刻的背景，不一定是專門針對數學的，但是它們在數學王國中卻掀起了一場軒然大被。它們說明了希臘人已經看到“無窮小”與“很小很小”的矛盾，但他們無法解決這些矛盾。其後果是，希臘幾何證明中從此就排除了無窮小。

經過許多人多年的努力，終於在17世紀晚期，形成了無窮小演算——微積分這門學科。牛頓和萊布尼茲被公認為微積分的奠基者，他們的功績主要在於：把各種有關問題的解法統一成微分法和積分法；有明確的計算步驟；微分法和積分法互為逆運算。由於運算的完整性和應用的廣泛性，微積分成為當時解決問題的重要工具。同時，關於微積分基礎的問題也越來越嚴重。關鍵問題就是無窮小量究競是不是零？無窮小及其分析是否合理？由此而引起了數學界甚至哲學界長達一個半世紀的爭論，造成了第二次數學危機。

無窮小量究竟是不是零？兩種答案都會導致矛盾。牛頓對它曾作過三種不同解釋：1669年說它是一種常量；1671年又說它是一個趨於零的變量；1676年它被“兩個正在消逝的量的最終比”所代替。但是，他始終無法解決上述矛盾。萊布尼茲曾試圖用和無窮小量成比例的有限量的差分來代替無窮小量，但是他也沒有找到從有限量過渡到無窮小量的橋樑。

英國大主教貝克萊於1734年寫文章，攻擊流數(導數)“是消失了的量的鬼魂……能消化得了二階、三階流數的人，是不會因吞食了神學論點就嘔吐的。”他說，用忽略高階無窮小而消除了原有的錯誤，“是依靠雙重的錯誤得到了雖然不科學卻是正確的結果”。貝克萊雖然也抓住了當時微積分、無窮小方法中一些不清楚不合邏輯的問題，不過他是出自對科學的厭惡和對宗教的維護，而不是出自對科學的追求和探索。

當時一些數學家和其他學者，也批判過微積分的一些問題，指出其缺乏必要的邏輯基礎。例如，羅爾曾說：“微積分是巧妙的謬論的彙集。”在那個勇於創造時代的初期，科學中邏輯上存在這樣那樣的問題，並不是個別現象。

18世紀的數學思想的確是不嚴密的、直觀的，強調形式的計算而不管基礎的可靠。其中特別是：沒有清楚的無窮小概念，從而導數、微分、積分等概念不清楚；無窮大概念不清楚；發散級數求和的任意性等等；符號的不嚴格使用；不考慮連續性就進行微分，不考慮導數及積分的存在性以及函數可否展成冪級數等等。

直到19世紀20年代，一些數學家才比較關注於微積分的嚴格基礎。從波爾查諾、阿貝爾、柯西、狄裡赫利等人的工作開始，到威爾斯特拉斯、狄德金和康託的工作結束，中間經歷了半個多世紀，基本上解決了矛盾，為數學分析奠定了一個嚴格的基礎。

波爾查諾給出了連續性的正確定義；阿貝爾指出要嚴格限制濫用級數展開及求和；柯西在1821年的《代數分析教程》中從定義變量出發，認識到函數不一定要有解析表達式；他抓住極限的概念，指出無窮小量和無窮大量都不是固定的量而是變量，無窮小量是以零為極限的變量；並且定義了導數和積分；狄裡赫利給出了函數的現代定義。在這些工作的基礎上，威爾斯特拉斯消除了其中不確切的地方，給出現在通用的極限的定義，連續的定義，並把導數、積分嚴格地建立在極限的基礎上。

19世紀70年代初，威爾斯特拉斯、狄德金、康託等人獨立地建立了實數理論，而且在實數理論的基礎上，建立起極限論的基本定理，從而使數學分析建立在實數理論的嚴格基礎之上。

三、第三次數學危機：集合論

數學基礎的第三次危機是由1897年的突然衝擊而出現的，從整體上看到現在還沒有解決到令人滿意的程度。這次危機是由於在康託的一般集合理論的邊緣發現悖論造成的。由於集合概念已經滲透到眾多的數學分支，並且實際上集合論已經成了數學的基礎，因此集合論中悖論的發現自然地引起了對數學的整個基本結構的有效性的懷疑。

1897年，福爾蒂揭示了集合論的第一個悖論；兩年後，康託發現了很相似的悖論，它們涉及到集合論中的結果。1902年，羅素髮現了一個悖論，它除了涉及集合概念本身外不涉及別的概念。

羅素，英國人，哲學家、邏輯學家、數學家。1902年著述《數學原理》，繼而與懷德海合著《數學原理》(1910年～1913年)，把數學歸納為一個公理體系，是劃時代的著作之一。他在很多領域都有大量著作，並於1950年獲得諾貝爾文學獎。他關心社會現象，參加和平運動，開辦學校。1968～1969年出版了他的自傳。

羅素悖論曾被以多種形式通俗化，其中最著名的是羅索於1919年給出的，它講的是某村理髮師的困境。理髮師宣佈了這樣一條原則：他只給不給自己刮鬍子的人刮鬍子。當人們試圖答覆下列疑問時，就認識到了這種情況的悖論性質：“理髮師是否可以給自己刮鬍子？”如果他給自己刮鬍子，那麼他就不符合他的原則；如果他不給自己刮鬍子，那麼他按原則就該為自己刮鬍子。

羅素悖論使整個數學大廈動搖了，無怪乎弗雷格在收到羅素的信之後，在他剛要出版的《算術的基本法則》第2卷本末尾寫道：“一位科學家不會碰到比這更難堪的事情了，即在工作完成之時，它的基礎垮掉了。當本書等待付印的時候，羅素先生的一封信把我就置於這種境地”。狄德金原來打算把《連續性及無理數》第3版付印，這時也把稿件抽了回來。發現拓撲學中“不動點原理”的布勞恩也認為自己過去做的工作都是“廢話”，聲稱要放棄不動點原理。

自從在康託的集合論和發現上述矛盾之後，還產生了許多附加的悖論。集合論的現代悖論與邏輯的幾個古代悖論有關係。例如公元前四世紀的歐伯利得悖論：“我現在正在做的這個陳述是假的”。如果這個陳述是真的，則它是假的；然而，如果這個陳述是假的，則它又是真的了。於是，這個陳述既不能是真的，又不能是假的，怎麼也逃避不了矛盾。更早的還有埃皮門尼德(公元前6世紀，克利特人)悖論：“克利特人總是說謊的人”。只要簡單分析一下，就能看出這句話也是自相矛盾的。

集合論中悖論的存在，明確地表示某些地方出了毛病。自從發現它們之後，人們發表了大量關於這個課題的文章，並且為解決它們作過大量的嘗試。就數學而論，看來有一條容易的出路：人們只要把集合論建立在公理化的基礎上，加以充分限制以排除所知道的矛盾。

第一次這樣的嘗試是策梅羅於1908年做出的，以後還有多人進行了加工。但是，此程序曾受到批評，因為它只是避開了某些悖論，而未能說明這些悖論；此外，它不能保證將來不出現別種悖論。

另一種程序既能解釋又能排除已知悖論。如果仔細地檢查就會發現：上面的每一個悖論都涉及一個集合S和S的一個成員M(既M是靠S定義的)。這樣的一個定義被稱作是“非斷言的”，而非斷言的定義在某種意義上是循環的。例如，考慮羅素的理髮師悖論：用M標誌理髮師，用S標示所有成員的集合，則M被非斷言地定義為“S的給並且只給不自己刮鬍子人中刮鬍子的那個成員”。此定義的循環的性質是顯然的——理髮師的定義涉及所有的成員，並且理髮師本身就是這裡的成員。因此，不允許有非斷言的定義便可能是一種解決集合論的己知悖論的辦法。然而，對這種解決辦法，有一個嚴重的責難，即包括非斷言定義的那幾部分數學是數學家很不願丟棄的，例如定理“每一個具有上界的實數非空集合有最小上界(上確界)”。

解決集合論的悖論的其它嘗試，是從邏輯上去找問題的癥結，這帶來了邏輯基礎的全面研究。