皇帝新脑-16

里斯、可提斯、欧拉、温塞尔和高斯具有无可怀疑的远见，这些性质不是由他们以及其他伟大的数学家放在那儿的。这些神奇是他们逐渐揭开的结构本身所固有的。当初卡当诺引进复数时，他根本对接踵而来的许多神奇没有任何一点暗示——而这些神奇的性质后来以不同的人来命名，例如柯希积分公式、黎曼映射定理以及列维开拓性质。这些以及其他显著的事实，正是卡当诺在 1539年左右遭遇到的没有做过任何修正的那种数的性质。数学究竟是发明还是发现？当数学家获得他们的结果时，是否仅仅产生了精神上的复杂构想没有客观实在性，但它们是这样地有力和精巧，甚至于把发明者也愚弄了，并使他们相信这些仅仅为精神的构想是 “实在的”？或者数学家实际上是发现现成的真理——这种真理的存在完全独立于数学家的活动呢？我想到了现在，读者会很清楚，至少就复数的这种结构以及孟德勒伯洛特集而言，我执着地坚持第二种而不是第一种观点。但是，情况也许还不像这么直截了当。正如我说过的，在数学中有些东西，用术语 “发现”的确比“发明”更贴切得多，正如上面引用的例子。这些正是从结构出来的东西比预先放进的东西多得多的情形。人们可以认为，在这种情形下数学家和 “上帝的杰作”邂逅。然而，还有其他情形，数学结构并没有如此令人信服的唯一性。例如，在证明某些结果的过程中，数学家发现必须引进某种巧妙的而同时远非唯一的构想，以得到某种特别的结果。在这种情形下，从构想得出的结果不太可能比起先放进的更多，所以术语 “发明”似乎比“发现”更为妥当。这些的确只是“人的作品”。从这种观点看，真正的数学发现一般地被认为比 “仅仅”发明具有更伟大的成就和抱负。这种分类法在艺术和工程中是相当熟悉的。伟大的艺术作品的确比不甚伟大者 “更接近于上帝”。在艺术家最伟大的作品中，揭示了某种预先①的天界存在的 不朽真理，而他们较差的作品可能更随意，但本质上只不过是会枯朽的作品，这种感觉对于艺术家并不稀罕。类似地，在漂亮组织的工程实施中，使用某些简单的预想不到的想法，并得到大量的成果，把这工程描述为发现比发明更妥当。在叙述了这么许多以后，我禁不住感到，在数学中，至少对于其中某些最基本的概念，某种天国的不朽存在的信念比在其他情形下更强烈得多。在这种数学观念中存在比在艺术和工程中强烈得多的令人信服的唯一① “拓朴学”有时称作 “橡皮膜几何”。在这种几何中实际的距离是无所谓的，只关心对象的连续性质。----------------------- Page 102-----------------------性和普适性。数学观念可在这样一种超越时间的天国的意义上存在的思想，是在古代 （公元前360 年左右）由伟大的希腊哲学家柏拉图提出的。随后这种思想就时常被称为数学柏拉图主义。它以后对我们很重要。我在第一章用了一些篇幅讨论强人工智能的观点，根据这种观点，假设精神现象可在一个算法的数学观念中找到栖身之所。我在第二章中强调，算法的概念的确是根本的并为 “上帝赋予”的思想。我在同一章论证道，这种 “上帝赋予”的数学观念应有某种遗世独立的品格。由于为精神现象提供某种天界存在的可能性，该观点是否赋予强人工智能观点某些信任度呢？也许是这样的——我甚至在下面进一步作和这个观点相似的推测。但是，如果精神现象的确可以找到这种一般的归宿，我不相信，这种归宿会是算法的概念。这里需要某种更微妙得多的东西。算法的东西只构成数学中非常狭小和有限的部分的这一事实是下面讨论的重要方面。我们将在下一章看到非算法数学的范畴和微妙之处。注 释1．见孟德勒伯洛特(1986)。我所选取的特殊的放大序列是取自派特根和雷希特(1986)。该书中有许多五彩缤纷的孟德勒伯洛特集的图画。进一步的图解可参见派特根和绍帕(1988)。2．尽我所知，要求对任意实数总存在某种确定其 n位数是什么的规则的观点是协调的，虽然不是传统的。尽管这样的一个规则可以是无效的，甚至在一预定的形式体系中根本不能定义 （见第四章）。我希望它是协调的，因为这正是我最希望坚持的观点。3．关于是谁第一个得到这个集，在实际上存在一些争议（见布鲁克斯和马特勒斯基 1981，孟德勒伯洛特1989）；但是这一争议本身的存在更加支持了这一集合是被发现而非发明的观点。----------------------- Page 103-----------------------第四章真理、证明和洞察----------------------- Page 104-----------------------数学的希尔伯特规划什么是真理？我们如何对世界的真伪形成判断呢？我们是否简单地遵循着某些算法？这种算法由于自然选择的强有力的过程无疑地比其他效率更低的可能算法更加优越。或许还有其他探索真理的非算法的途径——直觉、禀性或洞察。这似乎是一个困难的问题。我们的判断是基于感觉数据、推理和猜测的盘根错节的结合。而且，在世间的许多情势中也许并没有何为真何为伪的共识。为了使问题简化，让我们只考虑数学真理。我们如何形成自己关于数学问题的判断或许 “某些”知识呢？在这儿事情至少应该是更明了些。关于究竟什么为真什么为伪在这里不应成为问题一一难道会有问题吗？究竟什么是数学的真理呢？数学的真理是一个非常古老的问题，这可回溯到早期的希腊哲学家和数学家的时代——并毫无疑问地比这还要更早。但是，只有在一百多年前们想要理解的正是这些非常基本的问题。它触及了我们的思维过程在性质上是否完全算法的问题。去应付这些问题是非常重要的。数学在十九世纪下半叶有了伟大的进展，其部分原因在于人们发展了数学证明的越来越有力的方法。 （我们在前面提到的大卫·希尔伯特和乔治·康托，还有将要提到的伟大的法国数学家亨利·彭加莱是处于发展最前沿的三位。）数学家在利用如此有力的方法时相应地获得自信心。其中①许多方法涉及到去考虑具有无限数目的元素的集合 。正是由于可能将这样的集合当成实在的“东西”——完全存在的整体，而不仅仅为潜在的存在，使证明经常得到成功。这许多强有力的观念是从康托的高度创造性的无限数的概念中孕育而来的。他利用无限集合系统地发展了这一切。 （我们在上一章对此有所领略。）然而，1902年英国逻辑学家兼哲学家贝特朗·罗素提出其著名的佯谬，完全粉碎了这种自信心。（康托已预示过这一佯谬，并且它是康托“对角线删除法”的直系后代）。为了理解罗素的论证，我们首先对把许多集合当作完整的整体来考虑应有些了解。我们可以想象，某些集合是按照一个特殊的性质来表征的。例如，红的东西的集合是根据红性来表征的：就是说唯有当某物具有红性时才属于该集合。这样就允许我们把事情倒过来，按照单独对象也就是具有同一性质的事物的整个集合来谈论该性质。依照这种观点， “红性”是所有红的东西的集合。 （我们还可以认为某一其他的集合就在 “那里”，它们的元素为稍微复杂的性质所表征。）这种按照集合定义概念的思想是 1884年由具有影响的德国逻辑学家哥特洛伯·弗列格引进的步骤的核心。他可按照集合来定义数。例如，实① 部分地根据齐平纳·德尔·费罗和塔塔格利亚更早的结果。----------------------- Page 105-----------------------际的数3 是什么意思呢？我们知道 “三性”是什么性质，但是3本身是什么？现在 “三性”是一群对象的性质，也就是一个集合的性质：惟有如果当该集合不多不少有三个成员，则它具有 “三性”的特别性质。例如，在特定的奥林匹克比赛中，奖章获得者的集合具有 “三性”。还有三轮车的3 2轮子集合。正常三叶草的叶的集合或者方程x -6x +11x-6=0 的解的集合。那么，弗列格关于实在的数3 的定义是什么呢？依照弗列格的论点，3 必1须是一个集合的集合：即所有具有 “三性”的集合的集合。这样，一个集合如果也只有如果属于弗列格集3，才具有三个成员。为对等集合的总体，这儿对等的意思是讲 “具有能一一配对的元素”（用通常的术语也就是 “具有同样多的成员”）。数3 就是这些集合的一个特例，其中的一个成员可以是包括一个苹果、一个桔子和一个梨的集合。请注意，这和彻屈在78 页给出的 “3”的定义完全不同。还可以给出其他今日相当流行的定义。那么，罗素佯谬又是怎么回事呢？它是关于以如下方式定义的集合R：R 是一自身并非其元素的所有集合的集合。这样，R 是集合的某一整体；集X 属于该整体的判据是集X 自身不是它自身的成员。假定一个集合可以实际是它自身的一个成员，这是否非常荒谬？不见得。例如，考虑一个无限集合 （具有无限元素的集合）的集合I。肯定存在无限多不同的无限集，这样 I自身也是无限的。这样 I确实属于自身！那么，罗素的概念又如何导致佯谬呢？我们问：罗素集合是它自身的一个成员或者不是它的成员？如果它不是它自身的成员，则它必须属于R，因为R 刚好包括那些不是自身成员的集合。这样，R 毕竟属于R——这是矛盾。另一方面，如果R 是它的一个成员，那么由于 “自身”实际上就是R，它就属于由自身并非其成员所表征的集合中，也就是它根本不是自身的成员①——又导致矛盾 ！这种考虑并不轻率。罗素只不过以相当极端的形式利用数学家们正开始在证明中使用的、非常一般的、数学集论的同一类型的推理。事情很清楚地失去了控制，所以去弄清何种推理是允许的，何种是不允许的，应是适当的。很明显，可允许的推理必须没有冲突，而且只有真的陈述才能允许从原先已知的真的陈述中推导而来。罗素本人和他的合作者阿弗列德 ·诺斯·怀德海着手发展一种高度形式化的公理和步骤法则的数学系统，野心勃勃地要把所有正确的数学推理翻译到他们的规划中去。他们非常仔细地① 正如卓越的阿根廷作家约格·路易斯·波格斯写道的： “……一位著名的诗人更具发现家而非发明家的品格……”。----------------------- Page 106-----------------------选择法则以防止导致罗素自己佯谬的那种佯谬的推理类型。罗素和怀德海所完成的业绩是一部纪念碑式的著作。然而，它是非常繁琐的，并且它实际上统一处理的数学推理的类型是相当有限的。我们在第二章首次提到的伟大的数学家大卫·希尔伯特致力于一个更可行更广泛的规划。它囊括了所有特殊领域的一切正确的数学推理类型。而且，希尔伯特倾向于认为，可能证明该规划可免于矛盾冲突。那么数学就一劳永逸地处于无可争辩的安全基础之上。然而，1931年25 岁的奥地利天才数学逻辑学家库尔特·哥德尔提出了一道实质上摧毁了希尔伯特规划的令人震惊的定理，使得希尔伯特及其追随者的希望落空。哥德尔指出的是，不管任何精确 （“形式的”）数学的公理和步骤法则系统，假定它足够宽广于包容简单算术命题的描述 （诸如第二章考虑过的 “费马最后定理”），并且其中没有矛盾，则必然包含某些用在这系统内所允许的手段既不能证实也不能证伪的陈述。这种陈述的真理性以可允许的步骤是 “不能决定的”。事实上，哥德尔能够向我们展示，公理系统本身的协调性的陈述被编码成适当的算术命题后，必须成为一道这样 “不能决定的”命题。理解这个“不决定性”的性质对我们很重要。我们将要看到为何哥德尔的论证直接捣毁了希尔伯特规划的核心。我们还将看到哥德尔的论证如何使我们能用直觉去超越所考虑的任何个别的形式化的数学系统的局限。这一点理解对于下面大部分讨论至关重要。----------------------- Page 107-----------------------形式数学系统我们必须把“公理和步骤法则的形式数学系统”的含义弄得更清楚些。先必须假定有一符号表，我们的数学陈述用这些符号来表达。为了使算术能归并到该系统中去，这些符号必须足够於用来表示自然数。如果需要的话，我们可以只用通常的阿拉伯数的记号0，1，2，3…9，10，11，12，…，虽然这使得法则的说明比所需要的稍微复杂一些。我们如果譬如讲用0，01，011，0111，01111，…去表示自然数列 （或，作为折衷，我们可以用二进位记号），则说明就会简单得多。然而，由于这会在以下的讨论中引起混淆，所以在我的描述中只用通常的阿拉伯记号，而不管系统在实际上用什么符号。我们也许需要一个 “间隔”符号去把我们系统的不同的“词”或 “数”分开，但这又是令人混淆的，所以为了必要的目的我们可以只用(，)。我们还需要用字母来表示任意 （“变量”）自然数 （或许整数、分数等等——但是让我们在这里只局限于自然数），譬如t，u，v，w，x，y，z，t′，t″，t′″，…。符号t′，t″…也许是需要的，因为我们不想对表式中可能出现的变量数目加上一个上限。我们把(′)当作形式系统的另外的符号，这样使符号实际数目保持为有限。我们还需要基本算术运算的符号=，+，×等等，也许还需要不同种类的括号(，) ，〔，〕以及诸如＆（ “以及”），fi （“意味着”），V （“或”），¤ （“唯有如果”），～（“非”，或“以下论述是不真以把诸如 “费马最后定理”的陈述写成～$w ，x，y，z 〔(x + 1)w +3 + (y + 1)w +3 = (z + 1)w+3 〕（见第二章65 页）。 （我原可以用0111 来表示3，或者利用 “升幂”的记号使得和形式化符合得更好；但是正如我说过的，我只拘泥于传统的符号，以避免引进不必要的混淆。）上面的陈述 （到第一方括号处结束）的意思为：“不存在自然数w，x，z，z使得…”。其意思 （到第一方括号的“非”符号处结束）为：“对于所有的自然数w，x，y，z 下述不真…”。这和前面在逻辑上是相同的。我们需用字母来表示整个命题，为此目的我用大写字母P，Q，R，S，…。如下的一个命题事实上为上面的费马的断言：F＝～$w，x，y，z 〔(x + 1)w +3 + (y + 1)w +3 = (z + 1)w +3 〕----------------------- Page 108-----------------------一个命题也可依赖于一个或更多的变量；例如，我们也许对某一特殊的①指数 w+3 下的费马断言感兴趣：G(w) = ～$x,y,z 〔(x + 1)w+ 3 + (y + 1) w+3 = (z + 1)w +3 〕,这样G （0）断言 “没有一个立方可代表正数立方之和”，G(1)对四次方作同样断言，等等。（注意$之后的w没有出现。）现在费马断言是说，G （w）对所有的 w 成立。G（）是一个所谓的命题函数，也就是依赖于一个或多个变量的命题的例子。系统的公理是由一般命题的有限罗列所构成，假定在符号的意义已给定的情形下，这些命题的真理性是不证自明的。例如，对于任何命题或命题函数 P，Q，R （），在我们公理之中有其“自明的真理性”清楚地可由其意义所确定。（第一个简单地断言：“如果P和Q 都为真，那么 P 为真”；第二个断言： “P 不真的断言为不真”和 “P 为真”是等价的；第三个可用上面给出的 “费马最后定理”的两种叙述方法的逻辑等价性作为例子）。我们还可包括基本的算术公理，诸如