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重磅新书 | 《证明的故事》:数学的灵魂与演进的见证

遇见数学  · 公众号  ·  · 2025-03-07 20:09

正文

证明——数学的灵魂与演进的见证

在数学的殿堂中,证明不仅是真理的守护者,更是人类智慧的结晶。

人邮图灵刚刚出版了约翰·史迪威(John Stillwell)新作《证明的故事:数学的逻辑之美》( The Story of Proof: Logic and the History of Mathematics ),书中以深邃的历史洞察和优雅的笔触,引领我们探索证明的魅力与深度。

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这本书不仅是对数学证明的全面梳理,更是对数学本质的一次深刻追问。

从古希腊的几何公理到现代逻辑的不完备性,史迪威笔下勾勒出一幅数学发展的壮丽画卷,揭示了证明如何随着人类思维的演进而不断丰富与升华。

unset unset 从古希腊到现代的数学脉络 unset unset

《证明的故事》以时间为经,以主题为纬,共16章,勾勒出证明方法三千年的发展轨迹。

史迪威从欧几里得之前的数学雏形入手,逐步深入到代数、几何、分析、集合论与逻辑等现代数学领域,展示了证明方法与数学思想的动态发展。

向上滑动阅览目录

序言 iv


第 1章 欧几里得之前 1


1.1 勾股定理 2


1.2 勾股数组 4


1.3 无理数 7


1.4 从无理数到无穷 8


1.5 对无穷的敬畏 11


1.6 欧多克斯 12


1.7 附注 15


第 2章 欧几里得 16


2.1 定义、定理和证明 17


2.2 等腰三角形定理与SAS 19


2.3 平行公设的变体 22


2.4 再谈勾股定理 25


2.5 代数概览 26


2.6 数论与归纳法 29


2.7 几何级数 32


2.8 附注 36


第3章 欧几里得之后 38


3.1 关联 39


3.2 顺序 40


3.3 合同 43


3.4 完备 44


3.5 欧几里得平面 47


3.6 三角形不等式 49


3.7 射影几何 50


3.8 帕普斯定理和德萨格定理 54


3.9 附注 58


第4章 代数 60


4.1 二次方程 61


4.2 三次方程 63


4.3 作为“普遍算术”的代数 67


4.4 多项式与对称函数 68


4.5 近世代数:群 72


4.6 近世代数:域与环 76


4.7 线性代数 80


4.8 近世代数:向量空间 81


4.9 附注 85


第5章 代数几何 91


5.1 圆锥曲线 92


5.2 费马和笛卡儿 94


5.3 代数曲线 96


5.4 三次曲线 100


5.5 贝祖定理 102


5.6 线性代数和几何 104


5.7 附注 106


第6章 微积分 108


6.1 从列奥纳多到哈里奥特 109


6.2 无穷求和 111


6.3 牛顿的二项式级数 115


6.4 巴塞尔问题的欧拉解法 118


6.5 变化率 120


6.6 面积和体积 124


6.7 无穷小代数和几何 128


6.8 级数微积分 134


6.9 代数函数及其积分 138


6.10 附注 141


第7章 数论 144


7.1 初等数论 145


7.2 再谈勾股数组 149


7.3 费马最后定理 154


7.4 数论中的几何与微积分 157


7.5 高斯整数 163


7.6 代数数论 171


7.7 代数数域 174


7.8 环和理想 178


7.9 整除和素理想 183


7.10 附注 186


第8章 代数基本定理 190


8.1 在证明之前的定理 190


8.2 代数基本定理的早期“证明”及其漏洞 193


8.3 连续性和实数 195


8.4 戴德金对实数的定义 196


8.5 代数学家的基本定理 198


8.6 附注 200


第9章 非欧几里得几何 201


9.1 平行公设 202


9.2 球面几何 203


9.3 球面几何的平面模型 207


9.4 微分几何 209


9.5 常曲率几何 214


9.6 贝尔特拉米的双曲几何模型 218


9.7 复数的几何 222


9.8 附注 224


第 10章 拓扑学 227


10.1 图 228


10.2 欧拉多面体公式 233


10.3 欧拉示性数和亏格 237


10.4 作为曲面的代数曲线 239


10.5 曲面的拓扑 242


10.6 曲线奇点和纽结 247


10.7 赖德迈斯特移动 250


10.8 简单的纽结不变量 253


10.9 附注 258


第 11章 算术化 260


11.1  的完备性 261


11.2 直线、平面和空间 263


11.3 连续函数 263


11.4 定义“函数”和“积分” 265


11.5 连续性和可微性 271


11.6 一致性 273


11.7 紧致性 277


11.8 编码连续函数 281


11.9 附注 283


第 12章 集合论 288


12.1 无穷简史 289


12.2 等势集合 291


12.3 与 等势的集合 297


12.4 序数 299


12.5 用集合实现序数 301


12.6 根据秩对集合排序 305


12.7 不可达性 306


12.8 无穷的悖论 307


12.9 附注 308


第 13章 数、几何和集合的公理 312


13.1 皮亚诺算术 313


13.2 几何公理 316


13.3 实数的公理 318


13.4 集合论的公理 319


13.5 附注 322


第 14章 选择公理 324


14.1 选择公理和无穷 325


14.2 选择公理和图论 326


14.3 选择公理和分析学 327


14.4 选择公理和测度论 329


14.5 选择公理和集合论 332


14.6 选择公理和代数学 333


14.7 更弱的选择公理 337


14.8 附注 340


第 15章 逻辑与计算 342


15.1 命题逻辑 343


15.2 命题逻辑的公理 345


15.3 谓词逻辑 350


15.4 哥德尔完备性定理 352


15.5 逻辑归约为计算 355


15.6 可计算枚举集 357


15.7 图灵机 359


15.8 半群的字问题 365


15.9 附注 370


第 16章 不完全性 375


16.1 从不可解性到不可证性 376


16.2 句法的算术化 377


16.3 根岑对PA一致性的证明 380


16.4 算术中暗含的ε0 384


16.5 可构造性 387


16.6 算术概括 390


16.7 弱柯尼希引理 392


16.8 五大子系统 394


16.9 附注 396


极简世界神话

人类文明伊始,我们的祖先就对世间万物给出了自己的解释。于是,各个文化中托生出属于自己的神话故事。他们用这些故事解释天空、大地的形成,为人们的道德树立标准,为帝王的尊贵背书。这是人类最早的“科学”。

这本书讲述了历史上重要文明或文化中流传下来的神话故事,包括埃及神话、希腊神话、罗马神话、中国神话、北欧神话等。你会看到为何很多文化中都会出现“全视之眼”,比如《指环王》中的索伦之眼,基督教中的上帝之眼;你会了解为什么玛雅文化会预言2012年12月21日为世界末日;你还会知道为什么艺术家都喜欢把能给自己带来灵感的人称为“缪斯女神”。

读神话,也是读文化,读历史……

极简哲学史

在开始这段哲学之旅前,让我们来聊聊“桌子”吧。

没错,就是我们生活中再熟悉不过的桌子。按照哲学家柏拉图的看法,世界上有三张桌子:一张是画家画的桌子,一张现实中的桌子,还有一张是作为桌子的概念的桌子。

在柏拉图眼中,画家所画的桌子是对现实中桌子的摹仿,最不可靠,现实中的桌子无法会破损,也无法永存,只有桌子的概念,才是真正真实的存在。但是,经验主义者不会同意这个观点,在他们眼中,只有现实存在、能被我们感觉到的具体的桌子才是实在的。而海德格尔会说,这两种看法我都不同意。

你看,从一张桌子出发,我们几乎可以问出所有的哲学问题来,也可以看到各种哲学流派的不同思考。

听上去高深莫测的哲学,是通过一代又一代哲学家不断地追问和求索展开的。真正的哲学问题没有终极答案,也永远不会过时,永远是自由而敞开的。哲学王国充满了对话乃至争论,哲学家们的思想碰撞不仅跨域空间,更是跨越文明与时间的,摇曳着独属爱智者的魅力之光。

在这本小书里,你会看到两千多年来的哲学家们的思想结晶。作者以简洁晓畅的语言,带我们走近一个又一个哲学史上闪闪发光的名字,见证他们的故事,聆听回响在历史长河中的智慧之声。

极简地理学

本书是“极简通识系列”中的一本,这是一套从不同角度认识世界的普及读本。每本都讲述了本学科中最重要的发现或成就,是了解学科的速读口袋书。

内容浅显易读,绝佳的学科入门读物。

特邀著名科普作家马志飞审校并作序推荐。

这本书全面而详细地介绍了地理学的入门知识。全书为自然与社会两大主题,自然部分包括河流、海岸、地壳板块、气候和天气等分支,而社会部分则探讨了人口、城市、工业、经济等话题。你会了解天气和气候是如何形成的;你会认识到城市化将带来怎样的影响;你更能学会把缠绕在复杂问题四周的线索梳理整合,使重点清晰。

这里不仅有知识,还包含着一种独特而宝贵的思维方式,非常适合学生及对地理感兴趣的读者。


极简天文学

作为一本天文学科普读物,这是献给每一颗好奇心的一场星际之旅、时空之旅。

从我们仰头就可以看到的太阳、星星与月亮,到更远的星系乃至宇宙边缘,这段旅程将覆盖930亿光年的空间,横跨近140亿年的时间。

从熟悉的太阳、月亮讲起,直到恒星、星系,再到黑洞、暗物质、大爆炸理论……作者精心编排了一条富有趣味的路线,带我们领略到那些我们好奇的关于宇宙的一切,同时体验一段人类探索星空和宇宙奥秘的“浓缩版”认知历程。

本书是“极简通识系列”中的一本,这是一套从不同角度认识世界的普及读本。每本都讲述了本学科中最重要的发现或成就,是了解学科的速读口袋书。

内容浅显易读,绝佳的学科入门读物。

特邀著名科普作家马志飞审校并作序推荐。

这本书全面而详细地介绍了地理学的入门知识。全书为自然与社会两大主题,自然部分包括河流、海岸、地壳板块、气候和天气等分支,而社会部分则探讨了人口、城市、工业、经济等话题。你会了解天气和气候是如何形成的;你会认识到城市化将带来怎样的影响;你更能学会把缠绕在复杂问题四周的线索梳理整合,使重点清晰。

这里不仅有知识,还包含着一种独特而宝贵的思维方式,非常适合学生及对地理感兴趣的读者。

极简20世纪历史

作为一本天文学科普读物,这是献给每一颗好奇心的一场星际之旅、时空之旅。

从我们仰头就可以看到的太阳、星星与月亮,到更远的星系乃至宇宙边缘,这段旅程将覆盖930亿光年的空间,横跨近140亿年的时间。

从熟悉的太阳、月亮讲起,直到恒星、星系,再到黑洞、暗物质、大爆炸理论……作者精心编排了一条富有趣味的路线,带我们领略到那些我们好奇的关于宇宙的一切,同时体验一段人类探索星空和宇宙奥秘的“浓缩版”认知历程。




早期阶段 (第1-3章)追溯了古希腊的数学成就。欧几里得的《几何原本》确立了公理化体系,标志着数学首次实现了严格论证与系统化,影响了此后两千年的数学思维模式。希腊人对无理数的发现与处理,反映了面对概念困境时数学家的创造性应对。

中段发展 (第4-8章)展示了代数从计算工具到研究对象的转变。费马和笛卡尔将代数引入几何,实现了两大领域的融合;伽罗瓦群论证明了五次方程无根式解,开创了抽象代数的先河;而拉格朗日和高斯则展现了代数方法在数论中的强大威力。这一时期,证明的风格从几何直观逐渐转向符号推导,体现了数学思维的重要转型。

现代探索 (第9-16章)涵盖了19、20世纪数学的革命性进展。贝尔特拉米对非欧几何一致性的证明,彻底改变了数学家对公理本质的理解;康托尔的集合论开辟了研究无穷的新视角;而波尔扎诺、柯西等人对微积分的严格化,展现了对基础问题的深刻反思。这一阶段的高潮是哥德尔不完备性定理和图灵对停机问题的研究,揭示了形式系统的内在局限,深刻影响了数学哲学。

史迪威特别关注逻辑与计算的历史关系。从古希腊的强逻辑弱计算,到中世纪阿拉伯与印度的计算传统,再到布尔创建逻辑代数,最终到图灵与哥德尔开创现代计算理论,可以看到逻辑与计算如何从工具转变为数学的核心分支。

同样引人深思的是数学概念的发展史。那些今天司空见惯的概念,如面积、极限、连续性,实际是是经历了漫长的概念澄清过程,数学家如何在反复试错中,最终提炼出精确而深刻的抽象概念,为严格证明奠定基础。

对我们的启发:重新审视数学的本质

数学不是静态的知识体系,而是不断自我完善的理性活动。每个时代的证明方法都反映了当时的认知水平和关注重点,从几何的直观性到代数的符号化,从分析的严格性到逻辑的元数学视角。

对于数学教育,史迪威的观点尤为重要。将证明推迟到大学高年级,使学生无法理解"数学如何运作"。真正的数学教育不应仅传授结论与技巧,更应展示思维方式与论证过程。

从康托尔的对角线论证到哥德尔的不完备性定理,数学中最深刻的发现往往来自对证明本身的反思。这种自我参照的特性,使数学在所有科学中独树一帜。

unset unset 数学的逻辑之美,永恒的探索 unset unset

阅读此书,我们得以更深刻地理解数学的本质。无论信息技术如何发展,证明作为人类思维最精致的表达,其本质价值永不过时。

正是在证明的严谨世界中,我们最能领略人类理性的力量与局限,欣赏逻辑之美!




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《证明的故事:从勾股定理到现代数学》

作者:[澳] 约翰·史迪威(John Stillwell)







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