数学无穷思想的发展历程.docx

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数学无穷思想的发展历程

数学无穷思想的发展历程

深激动着人们的心灵。

彻底弄清这个概念的实质成为维护人类智力尊严的一种需要。

而数学是“研究无限的学科”，所以数学就责无旁贷地担当起征服无穷的重任。

我们在本文中将简要介绍一下数学中无穷思想发展的历程光辉的起点：

数学无穷发展的萌芽时期早在远古时代，无限的概念就比其它任何概念都激动着人们的感情，而且远在两千年以前，人们就已经产生了对数学无穷的萌芽理解。

在我国，著名的《庄子》一书中有言：

“一尺之棰，日取其半，而万世不竭。

”从中就可体现出我国早期对数学无穷的理解水平。

而我国第一个创造性地将无穷思想使用到数学中，且使用相当自如的是魏晋时期著名数学家刘徽。

他提出用增加圆内接正多边形的边数来逼近圆的“割圆术”，并阐述道：

“割之弥细，所失弥少，割之又割，以至于不可割，则与圆周合体而无所失矣。

”可见刘徽对数学无穷的理解已相当深刻，正是以“割圆术”为理论基础，刘徽得出徽率，而其后继者祖冲之更是得出了圆周率介于3.1415926与3.1415927之间的领先国外上千年的惊人成果。

无限这两个概念的定义中已孕育了微积分学的关于无穷的思想方法。

德谟克利特和柏拉图学派探索过无穷小量观点。

欧多克索斯、安蒂丰、数学之神阿基米德所使用的穷竭法已备近代极限理论的雏形，尤其是阿基米德对穷竭法应用之熟练，使后人感到他在当时就已接近了微积分的边缘。

由此，我们能够看到在数学无穷思想发展之初，古人就已在这个领域开创了一个光辉的起点。

首创风波：

芝诺悖论虽说，古人对无穷已有了较深刻理解，不过人们对无限的理解是缺乏严密的逻辑基础的。

能够说，对于只熟知有限概念的人们来说“无限”这个概念仍然是陌生与神秘的。

芝诺悖论的提出清楚地表明了这个点。

芝诺，公元前五世纪中叶古希腊哲学家。

他提出的四个悖论虽是哲学命题。

但却对数学无穷思想的发展产生了直接且长远影响。

这里仅举其悖论之一。

乌龟。

大意是说甲跑的速度远大于乙，但乙比甲先行一段距离，甲为了赶上乙，须超过乙开始的A点，但甲到了A点，则乙已进到A1点，而当甲再到A1点，则乙又进到A2点，依次类推，直到无穷，两者距离虽越来越近，但甲永远在乙后面而追不上乙。

这显然违背人们常识的芝诺悖论，因与无限问题密切相连，就使得古希腊人对无穷有些望之却步静而远之了。

同时也导致古希腊数学家不得不把无限排斥在自己的推理之外了。

芝诺悖论就这样一直困惑着人们，问题的症结何在呢？

崭新一页：

微积分学的诞生随着时代的发展，实践中提出了越来越多的数学问题，待数学家们加以解决，如曲线切线问题、最值问题、力学中速度问题、变力做功问题……初等数学方法对此越来越无能为力，需要的是新的数学思想、新的数学工具。

很多数学家为此做了不懈努力，如笛卡尔、费马、巴罗……并取得了一定成绩，正是站在这些巨人的肩膀上，牛顿、莱布尼兹以无穷思想为据，成功使用无限过程的运算，创立了微积分学。

这新发现、新方法的重要性使当时的知识界深感震惊，因而出现了一门崭新的数学分支：

数学分析。

这个学科的创立在数学发展史上翻开了崭新一页，谱写了光辉动人的乐章。

风波再起：

贝克莱悖论通往真理的路总是坎坷不平，布满了艰辛，探求无穷之径更绝非坦途。

十七世纪后期，牛顿、莱布尼兹创立微积分学，成为解决众多问题的重要而有力的工具，并在实际应用中获得了巨大成功，不过，微积分学产生伊始，迎来的并非全是掌声，在当时它还遭到了很多人的强烈攻击和指责，原因在于当时的微积分主要建立在无穷小分析之上，而无穷小后来证明是包含逻辑矛盾的。

1734年，大主教贝克莱写了本《分析学家》的小册子，在这本小册子中，他十分有效地揭示了无穷小分析方法中所包含的这种逻辑矛盾。

这就是所谓的“贝克莱悖论”。

笼统地说，贝克莱悖论能够表述为“无穷小量究竟是否为零的问题”就实际应用来说，它必须既是零，又不是零。

而从形式逻辑角度来说，这无疑是一个矛盾。

贝克莱悖论，动摇了人们对微积分准确性的信念，在当时数学界引起了一定混乱，从而导致了数学史上所谓的第二次数学危机。

出路在何方？

发明的世纪：

十八世纪微积分产生后，一方面在应用中大获成功，另一方面其自身却存有着逻辑矛盾，即贝克莱悖论，也就是说，准确的（尤其是在几何应用上是惊人的）结果却是通过肯定不准确的数学途径得出的。

这把数学家们推到了尴尬境地。

在对微积分的取舍上到底何去何从呢？

“向前进，向前进，你就会获得信念！

”达朗贝尔吹起不顾一切奋勇向前的号角，在此号角的鼓舞下，十八世纪的数学家们开始不顾基础的不严格，论证的不严密，而是更多依赖于直观去开创新的数学领地。

于是一套套新方法、新结论以及新分支纷纷涌现出来。

经过一个多世纪的漫漫征程，几代数学家，包括达朗贝尔、拉格朗日、贝努力家族、拉普拉斯以及集众家之大成的欧拉等人的努力，数量惊人前所未有的处女地被开垦出来，微积分理论获得了空前丰富。

因而数学史家把这个时期称为发明的世纪。

光辉乐章的不和谐音微积分产生之初，对基础不牢的指责，以及由此引发的争论，一直就是微积分学奏出的光辉乐章中的不谐和音。

不过在十八世纪，它被微积分应用中惊人的成功所赢得的震耳掌声暂时掩盖了。

经过数学发明的十八世纪后，数学建筑扩大了，房子盖得更高了，而基础却没有补充适当的强度。

十八世纪粗糙的，不严密的工作导致谬误越来越多的局面，不谐和音的刺耳开始震动了数学家们的神经。

下面仅举一无穷级数为例。

无穷级数S＝1－1＋1－1＋1………到底等于什么？

当时人们认为一方面S＝（1－1）＋（1－1）＋………＝0；另一方面，S＝1＋（1－1）＋（1－1）＋………＝1，那么岂非0＝1？

这个矛盾竟使傅立叶那样的数学家困惑不解，甚至连被的后人称之为数学家之英雄的欧拉在此也犯下难以饶恕的错误。

他在得到后，令=－1，得出S＝1－1＋1－1＋1………＝1／2！

由此一例，即不难看出当时数学中出现的混乱局面了。

问题的严重性在于当时分析中任何一个比较细致的问题，如级数、积分的收敛性、微分积分的换序、高阶微分的使用以及微分方程解的存有性……都几乎无人过问。

尤其到十九世纪初，傅立叶理论直接导致了数学逻辑基础问题的彻底暴露。

这样，消除不谐和音，把分析重新建立在逻辑基础之上就民成为数学家们迫在眉睫的任务。

重建微积分基础十八世纪富有成果不过欠严谨的工作，导致数学中出现了暂时的混乱局面。

到十九世纪，批判、系统化和严密论证的必要时期降临了。

使分析基础严密化的工作由法国著名数学家柯西迈出了第一大步。

柯西于1820年研究了极限定义，并创造性地用极限理论把微积分学中的定理加以严格的系统的证明，使微积分学有了较坚实的理论基础，同时柯西也因之成为加固微积分学基础的第一位巨匠。

但柯西工作中仍存有着两点主要的不足。

其一，他的极限定义用了描述性语言“无限的趋近”“随意小”，不够精确。

这个点由德国数学家魏尔斯特拉斯给出精确描述数列极限的“ε-δ”方法和函数极限的“ε-δ”方法，把微积分奠基于算术概念的基础上，获得了圆满解决。

其二，他对单调有界定理的证明借助了几何直觉。

魏尔斯特拉斯、戴德金、康托尔各自经过自己独立深入的研究，都将分析基础归结为实数理论，并于七十年代各自建立了自己完整的实数体系，这样数学分析的无矛盾性问题归纳为实数论的无矛盾性，从而使微积分学这座人类数学史上空前雄伟的大厦建在了牢固可靠的基础之上。

重建微积分学基础，这项重要而困难的工作就这样经过很多杰出学者的努力而胜利完成了。

微积分学坚实牢固基础的建立，结束了数学中暂时的混乱局面，同时也宣布了第二次数学危机的彻底解决。

康托尔的不朽功绩：

向无限冒险迈进十九世纪，因为众多杰出数学家的努力，微积分工具被改进为严格的分析体系。

同时因为严格追问微积分的逻辑，德国数学家康托尔把无穷集合引入词汇，从而发现了无穷集这个数学新词汇，开辟出一个广大而又从未人知的世界。

康托尔以其集合论的成就被誉为对20世纪数学发展影响最深的学者之一。

他从研究“收敛的傅立叶级数所表示的函数存有不连续”这个事实，提出无穷集合的概念，并以一一对应关系为基本原则，寻求无穷集合的“多少”关系。

他把两个能一一对应的集合称为同势，利用势他将无限集实行了分类，最小的无限集为可数集a，即指与自然数集等势的无穷集。

进一步，康托尔证明实数集的势c>a，一切实函数的势f>c,并且对任何一个集合，均可造出一个具有更大势的集合，即是说没有最大的势。

鉴于此，1896年康托尔根据无穷性有无穷多学说，制订了无限大算术，对各种无穷大建立了一个完整序列，他用希伯来字母表中第一个字母阿列夫来表示这些数。

于是，直至无穷。

无穷集合自身又构成了一个无穷序列。

所谓楼外有楼，天外有天了。

这就是康托尔创立了超限数理论。

康托尔的工作，在发表之初遭到很多人的嘲笑与攻击。

克罗内克有句名言：

上帝创造了自然数，其它都是人为的。

他完全否认并攻击康托尔的工作，称“康托尔走进了超限数的地狱”，更有人嘲笑康托尔关于无穷的等级的超限数理论纯粹为“雾中之雾。

前后经过20余年，康托的工作才最终获世界公认，并赢得极大赞誉。

罗素称赞说：

“Cantor的工作可能是这个时代所能夸耀的最伟大的成就。

”希尔伯特称其超限理论为“数学思想的最惊人的产物，在纯粹理性的范畴中人类智力的最美的表现之一。

”康托集合论的提出标志了近代数学的开端。

他的观点中，无穷集合是被看作一个现实的，完成的，存有着的整体，是可理解，可抓住的东西。

他的无穷集合理论令世人耳目一新。

中途的辉煌极限理论、实数理论使微积分学建立在严格的逻辑基础之上，而实数论又可在自然数论和无穷集合论的基础上发展起来，进一步自然数论完全可在集合论中推出。

这样一来，实数论的融贯性就归于集合论的融贯性，归结到集合论，看来数学绝对严格的目的要达到了。

1900年在世界数学家大会上，著名数学家庞加莱郑重宣布：

“现在我们能够说，数学最终的严格性基础已经确立了。

”表达了数学家们欣欣自得的共同心情。

尤其通过康托尔的工作，数学家们找到了营造数学大厦的基石：

集合论。

而他的无穷集合，也就成了数学家们的伊甸园。

这样，从微积分诞生之日起，数学家们历经200多年的艰苦努力，终于迎来了辉煌的胜利。

一波三折：

罗素悖论的提出及解决正当数学家们在无穷集合的伊甸园中优哉游哉，并陶醉于数学绝对严格性的时候，一个惊人的消息迅速传遍了数学界。

“集合论是有漏洞的！

”这就是，1902年，罗素得出的结论。

罗素构造了一个集合U，U由所有不属于自身的集合组成，U显然存有，但U是否属于自身呢？

无论回答是否都将导致矛盾，这就是著名的罗素悖论。

罗素悖论相当简明，以致几乎没有什么能够辩驳的余地，不过它却动摇了整个数学大厦的基石：

集合论。

“绝对严密”“天衣无缝”的数学，又一次陷入了自相矛盾与巨大裂缝的危机之中。

原本已平静的数学水面，因罗素悖论的投入，又一石激起千重浪，令数学家们震惊之余有些惊慌失措，这就导致了数学史上所谓的“第三次数学危机。

”危机是由康托尔研究的无限集合引发的。

危机产生后，包括罗素本人在内的众多数学家投入到解决危机的工作中去。

1908年，策梅罗提出公理化集合论，后经改进形成无矛盾的集合论公理系统，简称ZF公理系统，使原本直观的集合概念建立在严格的公理基础之上，从而避免了罗素悖论的产生，在表层上解决了第三次数学危机。

柳暗花明又一村：

无穷小重返数学舞台17世纪下半叶，牛顿、莱布尼兹创立的微积分学，用了无穷小量的概念，但因对其解释含糊不清，出现了贝克莱悖论，导致数学史上的“第二次数学危机”，19世纪，柯西、维尔斯特拉期等人引入极限论、实数论，使微积分理论严格化，从而避免了贝克莱悖论，圆满解决了第二次数学危机。

不过与此同时，极限方法代替了无限小量方法。

无穷小量作为“消失了量的幽魂”被排斥在数学殿堂之外了。

1960年，美国数理逻辑学家A鲁滨逊指出：

现代数理逻辑的概念和方法为“无限小”、“无限大”作为“数”进入微积分提供了合适的框架，无穷小量堂而皇之地重返数坛，成为逻辑上站得住脚的数学中的一员，被认为是“复活了的无穷小”。

这样微积分创立300年后，第一个严格的无穷小理论才发展起来。

回顾微积分学发展的历史，无穷小分析法――极限方法――无穷小分析法，否