“定理”是不是只有数学领域才有?

博士大叔爱读书


凡是可以判断正误的陈述句称之为命题(proposition),例如“3比2大”,“两条边相等的三角形是两底角也相等”,“英国的首都是伦敦”都是命题,并且判断为正确,“平面上三角形内角和是170度”,就是一句判断为错误的命题。

而“身高超过175算是高个子”就不是命题,因为这句话的正误对不同人而言是不一样的,“明早8点取一下快递”就更不是命题了。

正确的命题里面又区分为公理(axiom),公设(postulate),定理(theorem),定律(law),定则(rule)和原理(principal)。这几个概念的含义是不一样的。

公理指的是大家都认为是正确,但是却又无法利用已有的结论来证明出的命题,例如“1+1=2”,“两点之间直线最短”等等(当然,随着数学不断地深入发展,上面说的这两个公理也是可以被其它更基础的公理所证明的,但我们这里暂时不谈)。

公设指的是大家不知道它是不是正确的,但是为了研究需要,我们就假定它是正确的这样的命题。比如大名鼎鼎的欧几里得第五公设:“若两条直线被一直线截得的一组同侧内角之和小于二直角,则适当延长这两条直线,必在和小于二直角的一侧相交”。而经济学上公社用的更是广泛,比如最著名的理性人假说(虽然叫假说,但实质是公设):所有人都是理性的。即在面对同一个问题不同解决方案时,一定会选择那个使自己收益最大的方案。

定理指的是利用已知结论,通过逻辑推导得到的结论。数学上除了公理外,所有的定理都是这么来的。定理又分为三种,引理(Lemma),定理(Theorem)和推论(Corollary),这三种命题之间没有严格的划分,一般来说,用途较多,重要性较高的称之为定理,证明一个重要性较高的定理所需要的不太重要的定理称之为引理,由重要性较高的定理直接推导出来的定理称为推论。比如高等数学里面利用费马定理来推拉格朗日中值定理,费马定理就可以称为一个小的引理。

定律指的是人们通过对大自然或实验进行观察,所得到的一般规律。它不是用已有结论逻辑推导出来的,而是归纳总结出来的。例如开普勒三定律,它不是经过推理得到的,而是经过对大量天体与行星的运动的观察,发现他们都遵循一个普遍的规律,于是总结出来开普勒三定律。再比如牛顿运动三定律,万有引力定律等等。都是经过观察或做实验直得到的。定律在物理学上出现的比较多。

定则是人为规定的一种法则。比如计算向量叉乘的右手定则,食指指向被乘向量,中指指向乘向量,那么我们就规定大拇指指的就是结果向量的方向。当然人们规定这些法则不是盲目规定,而是根据自然界中的物理现象来规定的。

原理有点类似于定律,它与定律之间的界限也不是很清晰,甚至还有一些原理有点类似于定理,因此它是上面所有概念中最模糊的一个。它有时候指依赖自然观察得到的规律,比如勒夏特列原理;有时候也只经过逻辑推导,比如说测不准原理。

通过上述分析我们发现,一个理科学科里面都有可能包含上面所有的内容,而定理,当然不是只有数学中才有。定理的产生靠的是逻辑推导,而数学就是逻辑推导的工具。因此,但凡以数学为研究工具的学科里边,肯定都包含大量定理。比如物理学和经济学,尤其以经济学最多,比如经济学上做比较静态研究,即研究一个经济过程中参数的变化对最优经济产出结果的影响,最常用的工具——包络定理


数学救火队长


好问题,如果读艾萨克·牛顿的《自然哲学的数学原理》的目录,会发现有太多的——

定义、定律、推论、命题、问题、定理、引理、假设、规则、现象、附注。

——都是形式逻辑框架下的专业术语,具有非常严密的义理结构。这样的科学著作与思维方式与我们国学思维是风马牛不相及的。

▲这样的行文格局,会让国人感到匪夷所思。

▲JUDGE AND REASON(断后证),是科学精神的座右铭。只要有断言或主张,就得有必要的理据与充分的证据,绝不可以想当然莫须有。

英国的基础教育体系,非常重视逻辑思维与数学思维,《逻辑》课程是小学阶段的必修课。难怪英国是科学强国、数理强国。

定理在逻辑思维体系中的位置

就实证主义语境而言,逻辑思维体系可以有下面的四个子系统,定理属于一种逻辑依据。

实证主义的思维体系总表

① 认知主张:命题·问题·课题·主题

当人们有了认知动机,就会以“命题·问题·课题·主题”四种方式提出自己的主张。

② 客观依据:现象·效应·事件·数据

为了求证与验证某主张,首先寻求诸如“现象·效应·事件·数据”等客观依据,作为例证。

③ 逻辑依据:公理·公设·定义·定理

例证因有感性干扰而不可靠,需要先判断是否满足起码的“公理·公设·定义·定理”。

④ 物理依据:原理·机制·法则·定律

满足逻辑依据,未必可靠。最终还要看是否满足“原理·机制·法则·定律”等物理依据。

定理的意思

●定理,是理论上对特定参量关系的依据,是逻辑操作必须遵守的规则,英文的theorum,=theory(理论/学说)+um(事项)。例如:

基于平面三角形的内角和定理,可以计算平面多边形的内角和。

基于毕达哥拉斯定理a²+b²=c²,推出直角三角函数的定义与关系:sinA=a/c,cosA=b/c,tgA=a/b,sinA=cosB,sin²A+cos²A=1

基于动能定理Ek=½mv²,可写出热力学第一定律与温度的定义T=mv²/3k。

基于动量定理p=mv,可以写出动量守恒与转换定律:△Σp=0。

逻辑依据:公理·公设·定义·定理

定理、公理、定义、公设——这四个术语之间的关系比较密切。其中,定理不再解释。

●公理,是若干定理所依据的总定理,公理是定理的定理。例如,基于“不共线三点确定一个平面”之公理,进而有平面三角形之定义,进而有平面三角形内角和之定理。

英文axiom, =axis(轴)+om(事项),字面意思:公理是处于轴心地位的定理。

●定义,是对概念的外延(或结构性)与内涵(功能性)的预设。定义是公理与定理的逻辑基础。

英文定义definition,=de(下来)+fin(限定)+ ition(事项),即:在特定范围所规定的意思。

凳子(的定义),是有四条腿一块板(外延/结构)用来就坐(内涵/功能)的家具。

参量(的定义),是以参照系为测量基准(外延)用来构建解析方程(内涵)的变量。

温度(的定义),是实介质量子的平均动能(外延/结构)所规定的绝对温标(内涵/功能)。

●公设,是在特定范围内基于大量具体事实归纳出来的抽象性设定。有时,公设≈公理。

英文公设postulate,=post(后援/支撑)+ulate (相关的),即:支撑若干定理的定义或规定。

公设,通常特指数学公设,尤其是几何公设。但是,根据公设的定义,其它学科也有公设。

数学公设如:直线(公设)是两点之间最短连线。距离是两点之间的直线长度。

物理公设如:质点(公设)是比参照系远的多或小的多的物系可看成没有体积的点。

化学公设如:摩尔质量(公设)是基于阿伏伽德罗常数之粒子个数所对应的质量[kg/mol]。

物理依据:原理·机制·定律·法则

定理,归根结底,来自物理科学原理,来自人类对客观世界的科学发现或正确认知。

●原理,是对特定物质的基本存在形式与共有运动方式的解释,是基本科学发现。英文原理principle, =prin(primary基本)+ciple(把持),字面意思:原理是基本原则。

解释,是理性与本性(自然性)之间的对应关系。解释方式:映射、拓扑、函数、方程,是可靠的。否则,就可能缺乏说服力与执行力。

常用基本原理,如:杠杆原理、超对称原理、最近原理、最小作用量原理、浓度扩散原理、泡利不相容原理、同斥异吸原理、人择原理、社会节约劳动原理。

●机制,即机动性工作制度,也叫工作原理。机制涉及因果链、过程链、发生链。

重要机制如:光的发生机制、波的传播机制、希格斯机制、电磁感应机制、光电效应机制。

工作原理如:计算机工作原理、电冰箱工作原理、光电管工作原理、霍尔元件工作原理、二极管单向导电原理、原电池工作原理。

●定律,是适用范围较窄的原理。

例如,牛顿三定律、万有引力定律、库仑定律、法拉第电磁感应定律、楞次定律、质量守恒定律、能量守恒定律。

●法则,顾名思义,是方法论上的基本规则。分为自然法则、社会法则、思维法则。

自然法则,如:适者生存法则、优胜劣汰法则、食物链法则、新陈代谢法则、拉格朗日平衡点法则、氧化还原法则。

社会法则,如:协作共赢法则、市场力法则、盈亏平衡点法则、社会契约法则、设身处地法则、因地制宜法则、因势利导法则。

思维法则,如:逻辑思维法则、对立统一法则、伯努利大数法则、实事求是法则、超对称思维法则、色空亦空法则。

认知任务:命题·问题·课题·主题

●问题 (question),是对模糊事项所提出的任务。诸如:何作者(who),何对象(what)、何因(why)、何过程(how),何时(when)、何处(where)。

●主题 (theme),通常是需要在很长时间有待解决的主要问题。例如:空间是永恒的主题。场是至少是本世纪的主题。

●课题 (task problem),是需要专项研究的问题,是科学论文研究的任务(task)。

●命题 (proposition),是有待证实或验证的对问题的解决方案,如主意、主张、观点。

已经被证实的命题,就可以升级为原理、定律、公理、定理。定理是可靠的命题。

客观依据:现象·效应·事件·数据

实证主义认为,公理、公设、定义与定理,都是有客观依据的,换言之,都是可证实的。

●现象,是人们利用感官与仪器所观测或发现或的迹象。简言之,现象是被发现的迹象。

现象本来是客观的,但由于感知有误判,故所谓的“现象”未必是可靠的,需要严格甄别。

经过科学甄别的真实现象,可作为理论研究的证据。科学甄别很复杂,不能轻易下结论。

海市蜃楼属于光学现象,但容易引起其它的解释性误判。水变油是假冒的其它化学现象。

哈勃望远镜接收的类星体红移,属于场效应现象,不能断言是多普勒退行性红移。

●效应,是典型的现象或效果,是科学研究的重要依据。但必须清楚,效应都是在特定条件下的局部现象,不能以偏概全。

浓度扩散效应,是针对开放系统的,环境的温度、压强与密度,一定比系统的低。

洼地拉平效应,是针对开放系统的,系统的温度、压强与密度,一定比环境的低。

●事件,是可以分析为“原因·历程·结局”中若干节点组成的因果链。

就统计学而言,事发过程的每个节点叫状态,可定量表示为态参量或态函数。

●数据,是队样本事件的若干参量进行测量、统计处理的重要信息,数据代表客观事实。

科学精神,就是用可靠的大数据说话。没有数据的任何旁征博引,都是不可靠的。

证伪一个命题,只要一个样本数据即可。证实一个命题,需要大量样本事件的大数据。

定理的基本性质

定理是基于科学发现的技术发明。定理既源于现实又超出现实,即定理的抽象性,是可证实的。定理是对自然的模拟,定理是超自然的。

1. 定理的抽象性

定理是理想化或抽象化的操作模型。抽象,是对大量类似现象忽略次要差异的近似操作。

虽然,理想化的抽象蕴含在千差万别的现象之中。但是,抽象模型≠自然真实。

弹道曲线,可以抽象为几何学的抛物线。但实际截然不同:弹道还夹插如自由落体运动。

地球的绕日轨道可近似为封闭的椭圆,但实际轨迹绝非如此,太阳不可能只在原处。

杂化轨道理论的s轨道,可以近似为球形分布,但绝不是实际轨迹,至少核子也在震荡。

天体可以抽象为球模型,但是,不能把宇宙空间也抽象为球模型,毕竟,二者没有可比性。

2. 定理的局限性

无论是公理公设还是定理,都有前提条件。定理在特定命题下得以成立,不可夸大范围。

勾股定理,只适合小范围的理想平面,但绝不适合大范围。真实世界里不存在平面。

动能定理,只适合离散性粒子或天体的运动。但绝不适合连续性场介质的波动。

3. 定理的可证性

无论是公理公设定理,还是原理法则定律,都有各自的客观依据,都不是想当然的莫须有。

卡尔波普尔的证伪主义,主张“科学是可证伪的但是不可证实的”,违背起码的思维法则。

勾股定理,可以有400多种证明方案。无理数定理,可以用归谬法来证明。大数定理(或称定律)可以用抛硬币足够多次的发生率大数据来证明。

动能定理,可以用热力学第一定律的绝对温标来证明。万有引力定律(可晋升为定理)可以用卡文迪许扭秤实验来证明。

结语

对于从事科学研究与工程技术的所有科学工作者而言,必须熟练掌握基于科学实证主义的逻辑思维概念体系。

为了提升全体国民的科学素质,在基础教育与高等教育,普及科学实证主义的方法论,有关部门如教育部理当列入议事日程上来。

本文值得那些望子成龙盼女成凤的家长们收藏。学者学子们,若有不同意见或重要补充,欢迎积极参与进来,让更多网友受益。谢谢。


物理新视野


定理是经过受逻辑限制的证明为真的陈述,一般来说,在数学中,只有重要或有趣的陈述才叫定理。证明定理是数学的中心活动。在物理学中而定理是通过数学工具(如微积分)推理得来的,如动能定理;定律是由实验得出或验证的,如机械能守恒定律,不可混淆。


N维数学


定理:

是能够被一些更原始的公理、原理、定义、常识等等大家公认的所谓事实所证明的,可以描述抽象问题或者具体问题的一些定量或定性的规律。

自然科学领域或者社会科学领域都存在定理。

记得的最有名的定理有:牛顿第一二定律,能量守恒定律,动量定理,阿基米德定理,勾股定理,墨菲定理,二八定理,………

多如牛毛。


恶魔数学


你的问题挺好,以前没怎么想过这个问题,答案好像是yes,物理化学等我查了下都是叫“**定律”“**法则”“**规则”之类的,比如质量守恒定律,右手法则,安培定律,马氏规则,等等。反对的能举几个例子吗?目前我还没找到。


留法岁月


物理也有定理。


直指见性


定理,这个词呀。太有迷惑性了。定理它虽然不变,内部核心不变而已。就和真理是一个道理,变得是组合的方式。我们需要做的就是,理是让人明白的,来实践运用的即可。有句话就是明理穷理尽性至命。 理这个东西,到了任何领域都是相通的,无论定和真,把握核心作用即可。个人浅见


芝士大汉堡


1.首先我们应该理解”定理”都是从公理在一定条件下推导出来的,而公理实际上是没法证明的。换言之我们可以理解成”定理”是的人们在当前对世界的认知下对客观世界的主观抽象,也许随着我们认识的提高都可能会推翻之前的认知,放大了说”定理有没有”都是一个问题。

2.另外假设他真的确实有,还要看要看是广义的数学还是狭义的数学。如果从狭义上说我们还会有物理学定理,化学定理等等细分学科的定理。如果从广义上说,按照我们目前的认知,数学是所有科学之母,所有科学的基础都是数学,也可以说是所有学科的”定理”都是从数学定理派生出来的,这种说法也没问题


库巴老师


很负责任地告诉你,物理中也有定理,例如动能定理。定律是不能用已有理论推导出来的,而定理是可以有已有理论推导出来的结论。


高中物理岳老师


物理化学没学过?


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