两种力量推动着数学的发展:一种是日常生活、生产的需要,是人类认识和改造世界的需要;另一种是数学自身完善的需要,是人类对理性的完善的需要。二者并不冲突,为了满足实际需要而建立数学概念,也必须依赖理性。只是第二种力量更强调兴趣而非实用的一面。
第一种力量是数学发展的最初推动力,这种力量让我们有了最基本的数与形的概念(自然数、分数,加、减、乘、除,直线、圆,垂直、平行、周长、面积)。第二种力量紧随其后,于是有了素数无穷多这样的认识,有了欧几里得的《几何原本》。两种力量交织,共同推动数学的发展。这两种力量也是我们每个人学习数学的两种动因:为了实际的需要和为了理性的完善。
人类数学的历史发展了至少五千年,直到1700年代,第二种力量都长期伴生于第一种,没有独立走出多远。1700年代起,随着一些伟大人物(欧拉、拉格朗日、高斯、阿贝尔、伽罗瓦、黎曼、柯西、庞加莱、康托)横空出世,以及科学职业化的滚滚浪潮,第二种力量强劲带动数学发展,到今天,已经把第一种力量远远地甩开了,使得数学真正成为一门独立的学科,也就是出现了纯粹数学。想知道到底甩了多远,可以去搜索一下实分析、泛函分析、微分流形、代数拓扑、代数几何、代数数论等等关键词。
不论是第一种力量推动的数学,还是第二种力量推动的数学,都研究数学概念。数学概念,比起非数学概念,有根本的不同。
尽管数学概念最初起源于实际的生活、生产,但是数学概念一经产生,就不再受限于具体事物,而是脱离物质,成为理性所直接掌握和认识的对象,而且不必再回到现实中去。这和物理学的精神有所不同:尽管物理学也提出抽象的概念,如质点、力,但是物理学的精神在于使用模型理解现实世界,即使是逻辑上自洽的概念和理论,如果与现实不相符,就是错的。但是,数学只在乎理解抽象的概念,满足于逻辑的完备,而不在乎现实中到底有没有相对应的事物。也正因此,数学命题,不以实验来检验。所谓实践是检验真理的唯一标准,适用于社会、经济、政治,适用于物理、化学、生物,唯独不适用于数学。数学命题唯一的检验标准是逻辑。这就是为什么数学书里到处是证明,而物理书一定要讲实验。
比如说,万有引力定律具有平方反比的函数形式,如果万有引力定律被证明是不符合现实的,就会被物理学抛弃,但是这种函数形式仍然可以被数学研究。如果一个数学概念在现实中找不到任何用武之地,第一种力量就会把它抛弃,但是第二种力量不会。
在第二种力量的驱使下,人们研究了许多相当抽象的数学概念,它们即使有可能在现实中找到用武之地,也并不依赖于现实而存在,比如n次的多项式,n维的欧式空间,n维的流形。其实,即便由第一种力量驱使,人们也可以认识在现实中完全找不到的数学对象:不必举什么深奥的例子,你只要随手写下一个很大很大的自然数,比如1010000000 ,请问你能给我1010000000 个苹果吗?请问酒店里有1010000000 号房间吗?宇宙中有1010000000 个原子吗?这个数目如此之大(如果不够大,请再写个大一点的数),以至于现实中不存在直接的对应物。可见,不论是由第一种力量还是由第二种力量推动,人们都根据理性原则认识数学概念,数学概念的根基也只在于理性而不是现实世界实存之物。
出于两种不同的动因学习数学,应当选取不同的材料,但是应遵循的方法其实没有特别的差异。
选取材料:
例如,学习一元多项式方程的求解,如果是为了实际应用,那么你也许应该专门学习数值求解方法;如果是为了理论的完善,你也许应该学习代数基本定理、伽罗瓦理论等等。又例如,如果是为了实际应用,学习线性代数,你也许不需要知道线性空间一定有一组基这个理论事实;学习微积分,你也许不需要知道存在着处处连续但是处处不可导的函数。但是如果为了理论的完善,你最好懂得这些。
那么,选择了符合自己需要的材料之后,该如何学习数学呢?
有一些古训,当然仍然适用:循序渐进;学而时习之;学而不思则罔,思而不学则殆。
学习数学,尤其要注意:感性与理性相结合,具体与抽象相结合。
数学诞生于感性和具体的东西,生出来之后变成抽象的、理性的东西。学习数学也要遵循这个规律。从具体的例子入手,到抽象的、理性的认识为止。
尤其要避免两种危险的倾向:
第一种危险的倾向是:只有感性的认识,只理解具体的例子,缺乏抽象层面的理性认识。尤其是一些同学,以为会算点例子就够了,这是对数学的误解。一个典型的例子是:给你两个正整数,用辗转相除法计算它们的最大公约数。这套程序教给小学生,小学生也很容易学会。无非就是不停地用除数除以余数,最后就能得到一个数。只要算几个例子,你就可以掌握这个程序。可是,为什么执行这套程序就一定能得到最大公约数?你算了几个例子,只不过是有了一点感性认识,以这些感性认识作为基础,加以思索,才能最终认定:这么做确实能得到最大公约数,这是因为余数不断减小,又不可能小于零,因此只能归于零,所以程序必定在有限步终止;另一方面,每一步计算时,被除数与除数的最大公约数保持不变,所以最终得到的数就是最初两个数的最大公约数。如果你只是会算,而没有后面这些理论思索,那么,你与一台计算机无异,你并没有学会数学。
第二种危险的倾向是:只懂得抽象的概念及论证,而不掌握具体的例子。实际上,如果心里没有具体的例子作为感性认识的基础,而想直接具备理性认识,那么,即使学到了一点抽象的语言,对数学概念的认识也是空洞乏味的。比如说,学习群论时,只懂得群是具有一个运算的集合(运算具有结合律、存在单位元和逆元),即使你连着把子群、商群,乃至西罗定理都学了,却不清楚置换群、矩阵群的例子,大概就等于啥也没学。况且,一时记住了这些概念和定理,如果心中没有具体的例子,大概很快就会把他们全忘掉。
这里还有另外的两个建议,它们可能也适用于其它学科。一个是注意数学的历史性与现代性,一个是注意数学的思想性与技术性。
数学的历史性与现代性:数学是人创造的学问,每个概念都有它的历史渊源,并有其历史脉络,最终表现为今天的形貌。当你对一个数学概念、数学命题的现代形貌感到困惑的时候,不妨去寻找它的历史,看看它由什么发展而来,最初因为什么而出现。不过,也不必处处迷信古人,古人的认识经过后人的发展,往往在今天变得比原来更加凝练。当代的数学概念,也并不会停止在当代,它们也会继续发展。有些概念也许会被统一起来,多余的条件也许会被舍弃。所以,一些你不喜欢的东西,可能是时代所限,会在未来消失,或者变得更好(也许你就是这个让它变好的人)。
数学的思想性与技术性:数学研究对象是由人选取的,反映了人的需要、人的情趣,尽管逻辑上可以创造各种可能的数学概念,但是只有那些符合人的需要或者情趣的概念是对人有意义的概念,因而被保留和研究,比如素数,比如实数,比如导数和积分,比如流形。这体现了数学的思想性。但是,正如前面所言,数学概念一经产生,就不再受限于具体事物,而是脱离物质,成为理性所直接掌握和认识的对象。要研究数学概念,就得借助于具体的技术,或者技巧。有时需要为命题添上一些“技术性”条件;有时为了证明一个主要定理,需要先证明一些“技术性”引理;有时为了证明定理,需要使用特别的论证“技巧”。比起数学的思想性,一般来说数学的技术性一面显得枯燥、不自然、费劲,而那些技术性的东西,也许会在未来被取代或者消除。在我们学习数学时,有时候可以暂时地跳过技术性的东西,首先抓住思想性的部分。但是,这并不是说可以完全不管技术性的东西。这就好比你懂得文字可以用来记事,但是你非得学会一种具体的文字,乃至拥有笔和纸,才能实现这种想法。“文字可以用来记录”就是思想,“具体的文字以及笔和纸”就是技术。技术性保证思想性不至于沦为空想,技术使思想具备坚实的基础。
最后一个建议,和开头呼应一下:当你遇到一个数学概念,却不知道为啥要有这么一个概念,为啥要学这么一个东西的时候,答案是要么因为它有用,要么因为它有趣。这时候,你应该试着了解一下它的历史,它的用处,它的思想,翻翻你的教材之外的资料,另外的数学书、数学史,或者其他学科的材料,你一定会有所收获。