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《数学传播》- 存在与建构
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2016.03.09

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数学的证明有所谓的存在型及建构型两类。譬如要证明任何两个正整数ab都有最大公约数,我们可以这么证:考虑型如ax + by的整数,其中xy为任意的整数。设d = ax 0 + by 0为{ ax + by }中最小的正数;这样的d一定存在,而且它就是ab两数的最大公约数 注1 。这是一个存在型的证明:d虽然是存在的,但如果a=10 11 +1 , b =10 21 +1,这个证明却无法告诉我们d到底是多少。

在《原本》中,欧几里得用的是辗转相除求最大公约数的方法,它不但告诉我们两个正整数一定有最大公约数,而且告诉我们怎样去找。这是建构型的证明。

其实,在《原本》中,欧几里得已经会使用存在型的证明。他说质数有无穷个;假设不然,设 

为所有的质数。考虑 
这个数,它的质因数一定不是p i,因为p im都除不尽。所以 
为所有的质数这样的假定是错的,所以质数有无穷个。在这个证明过程中,欧几里得并没有把无穷个质数造出来给你看,所以这是存在型的证明。其实只要稍加修改,上述的证明就可以变成建构型的:假定我们已经找到n个质数 
,则将 
这个数分解,所得的质因数一定和p i不同,所以我们可以找到第n +1个质数。依建构型的观点,这种潜在的无穷方法是可以接受的。

虽然欧几里得已经使用了存在型的证明,但希腊以降直到十八世纪为止,数学证明几乎都是建构型的,这大概和希腊的数学以尺规作图实际能建构者为限有关。譬如用尺规作图无法作出一角的三等分线,所以有关三等分线的性质就少有人研究。到了十九世纪,从Gauss 代数基本定理的存在型证明(见科学月刊第十六卷第一期本栏)开始,这一类型的证明就愈来愈普遍。

十九世纪下半有所谓的代数不变量论。譬如将二次三项式ax 2 + bxy + cy 2施以线性变换 

而得 a ' x ' 2 + 2 b ' x ' y '+ c ' y ' 2,则判别式b 2 - ac= b ' 2 - a ' c ')是个不变量。一般而言,将某种形式的多项式施以某种变换可得许多不变量。在这许多不变量中想找出一组有限个基本不变量,使得其他的不变量都能由这些基本不变量表出,这是当时代数不变量论的最主要课题。于是每换一种形式的多项式或一种变换,数学家就努力寻找相对的基本不变量。所以代数不变量论就热闹了好一阵子。想不到,到了1888年,Hilbert却 ??一口气把这个问题在形式上解决了。但解决的方法很奇怪:他证明在任何情形下,一组有限个基本不变量一定是存在的;可是这个证明却无法告诉我们怎么找。这是存在型的证明。它的出现,使不变量的研究意态阑珊,不久就宣告死亡。难怪当时的不变量大王Gordan忍不住说:“这种证明不是数学,它是神学!”

的确,少数一些数学家对于存在型的数学很是反感,尤其是当集合论兴起,引出许多矛盾的问题。他们认为只是存在而不知在那儿的,就不该算是数学的实体;当集合的滥用引出许多矛盾之后,更有一派数学家极力主张惟有建构型的实体、建构型的证明才能接受。他们找出存在型的“祸根”,包括无穷集合论、逻辑上的矛盾证法及排中律,这些统统在排除之列。

建构学派的基本观点是这样的:自然数是一切数学的出发点,凡是能从自然数一步一步建构出来的(不能用存在型的方法)才算是数学的实体。实数整体由此不可得,不能做为研究的对象。其他的无穷元集合也一样,都在排除之列,除非是像自然数1,2,3 ……那样的潜在的无穷。所以建构学派否定无穷,这是大部分数学家所不能接受的,尤其是Zermelo、Fraenkel、von Neumann等人修订了集合论公理之后,集合论一方面足够导出传统的分析学内容,另一方面也免除了集合论滥用所引起的许多矛盾;否定无穷,就使数学园地大为缩小。Hilbert说:“没有人能够把我们从Cantor(集合论的发明者)为我们建造的乐园中赶出去。”大部分的数学家都会同意这样的看法。

在“质数无穷多”的证明中,欧几里得先假设质数个数有限,然后导出质数个数不是有限的结果。根据“一个叙述及其否定不能同时为真”的逻辑原理,质数个数有限的假定错了,这是所谓的(归于)矛盾(的)证法。从“质数个数有限的假定错了”推到“质数个数无穷”,则要用排中律,它说:一个叙述及其否定两者之中有一要为真。虽然矛盾证法与排中律我们是那么熟悉,对数学的证明是那么有用,但它们确实是许多存在型证明的根源。如果坚持建构型的证明,那么也只好忍痛割爱了。

当然,矛盾证法与排中律是那么可爱,大部分的数学家爱用都来不及,当然不会附和建构学派的主张。因此二十世纪数学的特色之一,仍然是存在型的证明大行其道。其实就建构的观点而言,存在型的证明也有其用处。譬如,根据存在型的证明,二次常微分方程式y "=- y的解为二维的线性组合。当我们知道,

是两个线性无关的解后,存在型的证明告诉我们: 
是所有可能的解──这正是建构型证明所要的。

二十世纪中叶以来,电脑科学兴起。电脑注重的是算则(algorithm)──一步一步的计算步骤,因此存在型的证明就与电脑计算联不上关系,惟有建构型的证明才为电脑所欢迎。于是建构型的数学又渐渐抬头,不少人找出从前用存在型证明证过的定理,想办法重新用建构型??的方法证明。甚至只刊登建构型证明的杂志也都出现了。虽然如此,电脑计算总有容量的限制,想知道误差有多少,却往往需要存在型数学的帮忙。电脑只能说不愿意臣属于存在型的数学,但还是欢迎它的拔刀相助的。

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