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【日常生活中的数学原理】——数学观点下的“名言哲理”

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来自NBA吧的一个关于《0.9999……为什么等于1》,引起了我的兴趣。正好这样的主题很符合我的科普教育的宗旨。于是我想把这个问题适当展开一下,希望对你们有所启示。
在这之前,我先想说说我理解的老师。师者,传道授业解惑也。 我觉得真正的教育就应该是这样的,讲述道理,传授技巧,解释困惑。从这个意义来说,其实你们上学并不一定算是接受教育。因为实际上你们未必明理,也没学会什么本事,反而产生了一大堆疑惑。
这个问题抛开不谈,为了让这个事情变得更加有趣,我希望从这么一个例子开始我们的讨论。
【问题一:先有鸡还是先有蛋】


IP属地:内蒙古1楼2013-05-17 19:15回复
    有蛋。。。细菌演变成鸡蛋。。


    IP属地:广东2楼2013-05-17 19:29
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      有蛋。。鸟怪兽生的蛋畸形的,然后畸形在繁衍后代变成鸡。。。。。。。


      IP属地:广东3楼2013-05-17 19:30
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        这个问题很多人觉得说不清楚,包括所谓“最聪明的人”——哲学家也是。绕来绕去,循环往复,始终找不到突破口,以至于认为这个问题是无解的。
        实际上真的是这样的吗?在一个稍有数学素养的人眼中,这个问题怎么就说不清楚了。数学没有说不清楚的问题,如果真有的问题说不清楚,一定是这个问题本身界限就是不清楚的,或者说问题中的某些定义是不明确的。
        只要明确了定义,问题立马一目了然。
        你比如鸡和蛋的问题,你问我先有鸡,还是先有鸡蛋。
        那我反问你:你先告诉我什么叫【鸡】,什么叫【鸡蛋】,【鸡】和【鸡蛋】之间的关系是怎样的?
        只要你告诉我准确的定义,根据数学推理,我立刻能告诉你先有鸡,还是先有蛋。当然,你的数学水平未必能精辟的给出定义,我来给你示范一下:
        我问你:什么叫【鸡蛋】?
        ①定义一:鸡下的蛋就叫鸡蛋
        好,如果你告诉我这个定义,我立刻可以回答你,一定先有鸡。为什么?
        我么只考虑第一只鸡,因为它是第一只鸡,所以它之前没有别的鸡。但这个第一只鸡肯定是某个蛋孵化出来的,但是根据鸡蛋的定义,这个蛋不是鸡下的,所以它不能叫做鸡蛋。于是,一定先有鸡。
        ②然后你以为我忽悠你了,你认为我一定是在定义上做了手脚。然后你马上纠正我的定义,你又给出了
        定义二:能孵出鸡的蛋或者鸡下的蛋,叫做鸡蛋
        好,如果你这么定义鸡蛋,我立刻可以回答你,一定先有蛋。为什么?
        还是考虑第一只鸡,因为它是第一只鸡,在它之前没有别的鸡。但这个鸡肯定是某个蛋孵出来的,根据鸡蛋的定义二,能孵出鸡的蛋也叫做鸡蛋。所以,一定先有蛋。
        于是,有什么好说不清楚的?说不清楚的原因问问题的人逻辑混乱导致的,问题就不是清楚的,当然就有很多似是而非的解释或者诡辩了。
        这就是数学,数学永远从十分严格的定义出发,严密的逻辑推理,最终得出准确的结论。如果一个问题说不清楚,那一定是定义没有说清楚。结果就是数学越发展越庞大,渗透到了科学,生活的各个领域。
        哲学就不一样了,哲学从来就没有一个像模像样的定义,以至于基于逻辑混乱的定义,加上漏洞百出的推理,最终结果就是谁的观点都不能被人们所信服,因此世界上哲学学派互相矛盾,互相拆台,天天吵架,永远得不到一个真正的答案。
        这其实给了我们一个启示,当一个问题让你产生困惑的时候,你应该直接看一看它的定义,是否是严密的。很多时候,问题一瞬间就豁然开朗了。
        现在,我们来一起用数学观点,来审视一下那些所谓的“名言哲理”吧!


        IP属地:内蒙古4楼2013-05-17 19:33
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          【问题二:从《0.9999……为什么等于1》,看哲学“有限与无穷”“连续与离散”的矛盾】
          问:0.999999...无限循环等于1?
          很好的问题。虽然这个问题一定程度反应了一般人由于数学素养不高导致的无知,但大家乐于争论这样的问题,至少我认为我做数学教育的改良与推广是有希望的。
          就算你不懂几何级数的问题,也可以用简单的等式的性质来得到这么一个看似十分“荒谬”的结论。我在我的高考帖子里讲过如何用初等方法把循环小数变成分数,现在复制一下。

          我虽然没有看NBA吧的帖子,我也知道你们是怎么争论的。
          支持者肯定是抛出一大堆形如“极限”“无限趋近”之类的说法,能给出一些似是而非的解释。但实际上他们自己也是困惑的,因为他们并不知道无限趋近最后为什么就变成了相等,所以辩驳起来力不从心。
          反对者都是从最朴素的直觉出发,说一看就不等,显然就不是相等的,不论怎么接近最终都差一点,那就不能是相等。
          到底哪种说法是正确的呢?


          IP属地:内蒙古5楼2013-05-17 19:39
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            0.99999……为什么等于1,深层次实际上反应了【连续】与【离散】这对哲学上的矛盾。
            而矛盾的解决,必须依赖于严格定义。你要想搞清楚这个为什么相等,你必须先知道,什么叫做【相等】。
            什么叫相等,从朴素的数学观点来看,完全一样被定义为【相等】。比如0.999……和1,显然就不一样,从这个观点看,说他不相等,那是完全没有错误的。因为根据你定义的相等,这两个明显不符合定义。

            可是,如果深一点追究,完全一样就是相等,这句话的依据是什么呢?你凭什么说完全一样就是相等的? 没有人能回答这个问题,因为这个问题是一切逻辑的基础,但它又不能被逻辑本身证明,这样的问题,一般被称之为公理。
            公理是怎么来的?其实,公理来自于直觉。就是你直观的感受下,它就是对的。两个完全一样的东西是相等的,这就是直觉。

            可是,直觉一定就是真相吗?


            IP属地:内蒙古6楼2013-05-17 19:48
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              我现在每天一定能收到海哥哥发来的各种知识的长篇大论啊 这样下去 就算我在不爱学习估计知识量也能大幅度的提升啊 海哥哥说我这是享受内侧待遇 我太荣幸了


              IP属地:山东8楼2013-05-17 20:23
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                估计我又影响到了帖子的美观了


                IP属地:山东9楼2013-05-17 20:23
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                  回过头来再看0.9999……到底和1是否相等,其实取决于,你怎么定义相等。
                  我们的前辈早就发现了这个问题,因为它蕴含的其实是有限和无穷,连续和离散的矛盾。我们用有限的直觉去感受无限,当然就会遇到困难了。这两个矛盾历史悠久,直接引发了第一次数学危机,和第二次数学危机。
                  第一次数学危机让人们接受了无理数,有理数和无理数组合在一起被称为实数,而在数学上,实数准确的定义,是对有理数的一种分割。这样的处理,使人们认识到了有理数并不是连续的。但严格来说,这时候对连续的理解依然是模糊的
                  第二次数学危机来自微积分,当时微积分发明了,解决了海量的历史遗留问题。但微积分涉及的无穷小量到底是什么,微积分创始人牛顿自己都说不清楚,最后牛顿实在说不清楚了,就信基督教去了,认为无穷小只有上帝能说清楚。之后的100多年,没有人能说清楚无穷小的定义,数学危机一直延续,直到数学大师柯西的出现。柯西用准确的语言定义了无穷小量,从此才解决了第二次数学危机爆发以来,关于可导,可微,可积,连续等等一系列历史遗留问题。
                  实际上,哲学家几千年没讨论清楚的【连续与离散】【有限和无穷】的矛盾,经过两次影响深远的数学危机,被伟达的数学家用严密的数学语言解释的清清楚楚了。
                  我直接告诉你,现代数学是怎么定义相等的。如果你学过高数,其实你第一节课就学了现代数学相等的定义,就是柯西发明的ε—N语言。
                  现代数学对【数字相等】的定义:
                  如果两个数字的作差(用较大数减叫小数),得到的结果可以小于任意给定的常数(这个常数可以无限的小,要多小有多小,你说多小就多小),那么我们就说这两个数字相等。
                  显然,1-0.999…… 得到的差值就符合上面的要求。它小于任何一个你能举出来的小数。
                  因此,在现代数学的定义下,1和0.999……就是相等的。现代数学的定义,完美解决了离散和连续,有穷和无穷的哲学矛盾。
                  当然,这个定义某种程度超越了人类的直觉。但是,超越直觉的东西就是错的吗?显然不是,只有唯心主义才这么认为。
                  你应该受到鼓舞,因为数学凭借自己的力量,扩展了人类能够感知的范围。这就好像人的视力无法看到很远的时候,可以借助望远镜工具看的更远。当人的思维受到直觉束缚的时候,也可以通过数学突破这个束缚,把人的感知能力伸向更远的地方。但是,就和你永远无法到达地平线一样,求知的探索,也是无穷无尽的。
                  最后我在强调一下这个问题的本质。如果再有人问你类似的问题,你先反问他一句:
                  你能告诉我什么叫【相等】吗?
                  你们连相等是什么都不知道,争论的结果只能用四个字概括:胡说八道。


                  IP属地:内蒙古10楼2013-05-17 20:28
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                    【问题三:数学观点看哲学上的“动与静”】

                    哲学家说:一个人永远不能两次踏入同一条河流。
                    这一句话乍一听,直接崩溃了,名言啊! 只有圣人才能说出这么精辟但内涵深刻的话,因为它揭示了运动是永恒的,事物总是在不断地变化与发展之中的哲理。
                    但如果用数学的眼光来看,其实这句话就是个可笑的错误,基本可以理解为逻辑混乱的产物。还是用数学家最擅长的定义分析法。
                    请问这个哲学家,你给我解释一下什么叫【同一】。
                    但一般你这么问哲学家是没结果的,他们不会定义,哲学家的定义不过是同语反复罢了。你比如定义【本质】,说本质就是最根本的东西,这种定义就叫同语反复,用自己定义自己,逻辑上绝对是严丝合缝无懈可击的,但实际上,说了和没说一样。
                    考虑到他实际的数学水平,我们不妨降低难度,这么问他:黄河到底是一条河流还是无数条河流啊?
                    哲学家肯定说:当然是无数条了,每一个瞬间都是一条不同的河,因为他不停的变化,永恒的运动。
                    那我就再问:如果你说的是对的,那你给我解释一下什么叫一个人。
                    哲学家立刻就语塞了。因为他这句话自相矛盾,按照他对事物的理解,根本就不存在所谓的一个人,因为不同的时刻对应的是不同的人。
                    你竟然说“一个人永远不能两次踏入同一条河流。”,那说明你在一句话中对【同一】的定义采用了双重标准,这不是逻辑混乱是什么?
                    实际上,历史上也有很多人嘲讽过它这种说法。
                    比如,如果这个论断是对的,欠了钱就可以不还了,因为问你借钱的那个人和现在的我不是同一个人。
                    那债主怎么办呢?直接杀了他就行。法官也怪不着你,因为你可以说:刚才杀人的那个人,和我不是一个人,你凭什么抓我?
                    显然,这是荒谬的。荒谬的根源,在于哲学家没有理解【运动与静止】之间的连续,没有理解【变化与连续】之间的联系。
                    而这一切,都蕴含在了函数,导数,连续,可微等等数学概念之中。所以,数学远远比哲学来的严密,可信可靠的多。


                    IP属地:内蒙古11楼2013-05-17 20:44
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                      哲学最大的问题在于,如果一种说法是错误的,那么它的对立面并不一定是错误的。
                      而数学不是,数学严格遵循二元论,非此即彼。不论是初等还是高等数学的推理,一大半都是反证法归谬法证明出来的。当然,由于数学在历史上对哲学保持完胜,以至于哲学家恼羞成怒,开始质疑数学二元论是不是对的,比如有的哲学学派提出了三段论。
                      但是,这当然无法动摇数学的根基。因为数学是科学,它经得起实践的检验,它能创造价值。哲学就未必了,很多时候不过是无聊的人玩文字游戏罢了。历史上哲学诞生的初期,目标是解决宇宙中的所有问题,而今天,哲学的领地越来越小,基本只剩下怎么把话说的没有漏洞罢了。反观数学,早已枝繁叶茂,根基深厚,渗透到了各行各业各个领域。
                      我们交大最杰出的校友,钱学森先生曾经有个提法:要把数学独立上升为一门科学,和自然科学,社会科学进行并列,把数学隶属在自然科学之下,无法体现数学真正的价值。
                      这种观点我是赞同的,反观当代学生甚至是走向社会的成年人,数学那么差也就算了,不以为耻,反以为荣,这是很可怕的。每当想起这个现状,我都毛骨悚然,深感焦虑,因此我才决定在数学文化传播上,做一点自己的贡献。
                      你们哪懂我的情怀啊!


                      IP属地:内蒙古12楼2013-05-17 20:52
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                        再说运动的反面,就是静止。一些唯心主义学派认为,静止才是绝对的,运动都是荒唐可笑的,不过是人们的幻觉罢了。
                        典型代表人物就是诡辩大师,芝诺。他就坚持支持以上观点,而且还能找出一大堆例子进行狡辩,这就是著名的芝诺悖论。
                        比如:飞矢不动

                        芝诺认为,射出去的箭其实没动,它用的还是反证法。
                        假设箭是动的,那么在每一个具体的时刻,箭都占据一个确定的位置,因而每一个具体的时刻箭都是静止的。那既然任何一个时刻都是静止的,他怎么可能动起来呢?
                        但事实上箭是动的,那只能说明假设的条件有问题,因此假设不成立,箭是不动的。
                        然后你被他彻底说蒙了,到底动没动?
                        芝诺马上开导你:骚年,明明就没懂嘛,动只是你的幻觉罢了。
                        首先说芝诺这个推理有没有问题,没问题,推理在逻辑上是严密的。而且每一时刻箭占据一个具体的位置,这句话也没问题,现代物理高速摄影也证明了这一点。

                        那问题出在哪了?
                        用数学的观点来看,还是出在了定义上。
                        想解决这个问题,你就得反问芝诺:你先给我解释清楚,什么叫动,什么叫静。
                        我们通常对动是这样理解的,在一个时间点看这个东西一眼,一会儿再另一个时间点再看它一眼,看看这个东西位置变没变,样子变没变。如果变了,我们就说它动了,没变,就说它没动。
                        你可能存在的疑问是这个“一会儿”到底是多久,这个不重要。重点是,动和静的定义,一定是依赖于【2个时间点】的,是一种对比之后产生的结论。
                        因此芝诺你说,任何【1个】时刻都是静止的,这句话本身就是逻辑混乱的。因为谈1个时刻的动静,是没有任何意义的。


                        IP属地:内蒙古13楼2013-05-17 21:08
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                          芝诺:有限的距离永远无法走到
                          “一个人从A点走到B点,要先走完路程的1/2,再走完剩下总路程的1/2,再走完剩下的1/2……”如此循环下去,永远不能到终点。有限的距离,竟然用无穷的时间也走不完!

                          芝诺:跑步英雄阿基里斯永远追不上他前面的一只乌龟
                          阿基里斯如果想追乌龟,那么阿基里斯首先应该达到被追者出发之点,此时被追者已经往前走了一段距离。但这个时候,乌龟一个新的起点产生了,阿基里斯必须继续追,重复下去,阿基里斯永远追不上乌龟。

                          其实这两个问题本质上是一样的,而这两个例子,有都能用0.9999……和1之间的关系来理解。因为芝诺虽然自己宣称找到了运动是荒谬的证据,但实际上,深层次上这还是个【有穷和无穷】的矛盾。
                          问题怎么解决?从数学的观点上看,还是要从定义出手。古希腊哲学家亚里士多德完美的反驳了芝诺的谬论,就是从质疑定义出发的。
                          解决这个问题,首先要知道,什么叫【无穷】。
                          无穷有两种含义
                          ①分起来是无穷的,一个范围有限的东西,也可以无限分割
                          ②延伸起来是无穷的,表现为空间上无边无际,时间上无始无终之类的
                          芝诺的两个谬论,本质上都是在同一句话中,对无穷的理解采用了双重标准。
                          比如,“有限的距离永远无法走到”,芝诺对距离的无穷是按照定义①——无限分割解释的,而“用完无法走到”这句话说明芝诺对时间的无穷用了定义②。这叫偷换概念。
                          都按定义②就是你感受到的那样,距离有限,所以有限的时间就能走得到,这也是事实。
                          都按定义①,就算你把距离用分割的方式变成无穷的了,但是时间也是可以分割成无穷的,这也不会产生矛盾。


                          IP属地:内蒙古14楼2013-05-17 21:25
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                            举了这么多例子,帖子也挺长了。希望大家能明白我想说什么。
                            当数学家遇到问题的时候,采用的办法是严肃定义,严谨定义,最终遇到的问题都被化解了。严谨的数学得到了蓬勃的发展和广泛的应用。
                            当哲学家遇到问题的时候,采用的办法是“破旧立新”,用一种谬论推翻了另一种谬论。所以自诩为“所有科学的科学”的哲学,能影响的范围一直在收缩。
                            比如没有物理的时候,哲学定义了原子,卢瑟福、波尔发现原子之后,哲学家从此在物理学界沉默了。而物理学和数学相互配合,发展为人类科技的前沿学科。
                            比如没有化学的时候,哲学定义了元素,不论是中国的金木土水火,还是西方的水火土气。但当门捷列夫发出第一张元素周期表的时候,哲学家在化学界又沉默了。而化学与数学相配合,从最初的一次方程解化学方程式,到现在统计学,数学分析的广泛应用,化学也得到了蓬勃的发展。
                            我希望你们每个人能感受到数学的重要,也能感受到数学严肃态度的魅力。也许你今天没有精力再去研究数学了,你至少应该对这门伟大的学科保持一种敬畏。不懂数不是你炫耀的资本,而是一种遗憾,你可以接受自己数学水平较差这个事实,但你不应该认为这是理所当然或者无关紧要的。
                            最后以一句名言,来自古希腊哲学三圣人之一的柏拉图,来结束这篇贴子,可能有点偏激,但我希望能引起你们的一些警觉:
                            不懂数学的人,和猪没什么区别。


                            IP属地:内蒙古15楼2013-05-17 21:35
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                              留 以后有时间慢慢看……


                              IP属地:广东来自手机贴吧16楼2013-05-17 22:48
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