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如何进行本质思考?数学思维

万物的本源是数

数学最早用来做计量。

在尼罗河谷、底格里斯河与幼发拉底河流域,很快就发展起了更复杂的农业社会,这群刚进入新时代的农民还遇到了交纳租税的问题。显然,过去石器部落文化里总结的“1、2、3”已远远不够用了,人们迫切需要“数”有名称,而且计数必须更准确。

量子学派《公式之美》
直到古希腊的毕达哥拉斯学派将数用于描述世界。

我们可以从毕达哥拉斯那里首次发现,他对数学的兴趣最初并不是出于实践需要。埃及人掌握了数学知识,但只是用它来建造金字塔或丈量土地;希腊人则是“为了探索”而开始了对数学的研究。用希罗多德的话说,毕达哥拉斯是他们当中最重要的研究者。

毕达哥拉斯认为,万物的本源是数(有理数)。

数被认为是由单元构成,单元又由点来表示,点则具有空间度,这种观点是说,一个单元会占据一个位置,即它具有某些度,无论是什么样的度。这种数的理论在处理有理数时是很有效的,因为总是可以以这种方式选择一个有理数作为单元,任何一个有理数都是单元的整倍数。

罗素《哲学简史》

    为什么大自然和数有关呢?

千万不要小看毕达哥拉斯的这个发现,17世纪著名的科学家伽利略说过一句跟他非常接近的话:自然这部大书是用数学写成的。事实上,现代科学告诉我们,几乎所有的自然现象、生命现象背后都隐藏着数学的规律。比方说,向日葵籽盘上相互交叉的奇特螺线,菠萝表皮的菱形鳞片,雪花漂亮的六角形,鸟儿的群体活动,蜘蛛结网的本领,等等。

周濂《打开:周濂的100堂西方哲学课》
以著名的斐波拉契数列为例:其数值为:1、1、2、3、5、8、13、21、34……在数学上,这一数列以如下递推的方法定义:F(0)=1,F(1)=1, F(n)=F(n - 1) F(n - 2)(n ≥ 2,n ∈ N*)
大自然的很多现象都与这组数字相关,比如植物花瓣数、兔子繁殖现象等。

观察延龄草、野玫瑰、南美血根草、大波斯菊、金凤花、耧斗菜、百合花、蝴蝶花的花瓣,可以发现它们花瓣数目具有斐波那契数:3、5、8、13、21…… 其中百合花花瓣数目为 3,梅花 5 瓣,飞燕草 8 瓣,万寿菊 13 瓣,向日葵 21 或 34 瓣,雏菊有 34、55 和 89 三个数目的花瓣。

《百度百科》
由其生成的曲线叫做斐波拉契螺旋线,又称黄金螺旋。自然界的很多结构都与它相关

图片来源网络

数学:一种描述语言

既然是描述,那符号就必不可少。
比如,如何描述国粹麻将的规则?也许可以这样描述下:[(n*RRR m*R(R 1)(R 2) RR)&&(m n=4)] || 7*RR || 14*J || RRRR 10*R || RRR RRR 8*R || 14*(^J
(字母说明:J为将,R为任意,上述公式囊括平和,七小对,将将和,起手和:大四喜/六六顺/板板和
有了符号做基础,数学就可以用来描述规律,它用的方法是逻辑。

数学是运用逻辑规则,对所有符合逻辑规则的事物进行的研究。

数学研究的是关于事物的想法,而不是真实事物本身。因此,我们只需要改变自己头脑中的想法,就可以改变我们的研究对象。通常,这意味着改变我们对某种事物的看法,改变我们的视角,或是改变我们描述的方式。

郑乐隽《数学思维》
越是底层的规律,越彰显智慧。这是数学的使命,它揭示真相。

数学研究的目的之一就是“从零开始”。重复问“为什么?为什么?为什么?”的一个结果就是你会得到越来越基础的概念。

一个公式甚至比一台机器还要更好:它能告诉你它所代表的那台机器是怎么工作的,而非仅仅作为一个神秘的黑匣子出现。

郑乐隽《数学思维》
毕达哥拉斯定理(勾股定理)是人类发现的一个定理和第一个不定方程,第一次将数学中的“数”与“形”结合在一起。

一个重要性较小的结论被称为“辅助定理”或“引理”(lemma),一个中等重要的结论被称为“命题”(proposition),一个相当重要的结论被称为“定理”(theorem)

郑乐隽《数学思维》
随后,毕达哥拉斯学派发展出了无理数(因为没有有理数能表述边长为1的等腰直角三角形斜边的长度:√2)。

无理数是无法用这种方法测量的。值得注意的是,“无理”是从希腊语译过来的词,它的本义是“不可测量”,而不是“没有理性”。

罗素《哲学简史》

直到公元前370年左右,柏拉图、欧多克索斯及毕达哥拉斯学派成员阿契塔提出了解决方案,他们给出的定义与所涉及的量是否可公度无关,从而消除了这次危机。在有理数的尊崇地位受到无理数的挑战之后,人们开始明白了几何学的某些真理与算术无关,几何量不能完全由整数及其比来表示;反之,数却可以由几何量表示出来。

量子学派《公式之美》
由此,古希腊数学研究方法由计算转向推理,从不证自明的公理出发,在欧几里得的带领下,经过演绎推理建立起了几何学体系。欧氏几何成为数学大厦极其重要的基石之一。(量子学派《公式之美》)
欧几里得后来提出的一些几何定理,在之前三个世纪就已经被泰勒斯证明——比如等腰三角形的底角相同。从泰勒斯到欧几里得,再到艾萨克·牛顿1663年在斯陶尔布里奇集市上购买的《几何原理》之间,有一条清晰的脉络。这一事件最终促成了现代科学的诞生。
卡尔·萨根《宇宙》
欧氏几何:又称欧几里得几何。古希腊数学家欧几里得把人们公认的一些几何知识作为定义和公理(公设),在此基础上研究图形的性质,推导出一系列定理,组成演绎体系,写出《几何原本》,形成了欧氏几何。按所讨论的图形在平面上或空间中,又分别称为平面几何与立体几何。
量子学派《公式之美》
非欧几何彻底挑战了欧氏几何体系,实现了天文学的根本变革,揭开了弯曲空间的宇宙面纱。(量子学派《公式之美》)

非欧几何:又称非欧几里得几何,指不同于欧几里得几何学的几何体系,一般是指罗巴切夫斯基几何(双曲几何)和黎曼几何(椭圆几何)。它们与欧氏几何最主要的区别在于公理体系中采用了不同的平行公理。

三角形内角和不一定等于180°,在球面上,三角形内角和大于180°。两点之间不一定直线最短,在球面上,两点之间最短的是一条曲线。

欧氏几何在平坦空间之外的不适用,使数学家创立了与其分庭抗衡的非欧几何并发现我们的宇宙不是只有长、宽、高三维,可能还有第四维时空。在这些空间里,如果想判断宇宙是否平坦,数学上可以利用勾股定理,如果不满足,那么宇宙就不平坦。

量子学派《公式之美》
牛顿用数学统一了地面物理学和天体物理学

在1687年,牛顿发表《自然哲学的数学原理》(The Mathematical Principles of Natural Philosophy),这可以说是现代历史上最重要的著作。牛顿在书中提出三大运动定律,只要用三个非常简单的数学公式,就能够解释宇宙中苹果或者流星掉落的规律:

从此之后,任何人想要了解炮弹或行星是如何运动的,又会落向何方,只要测量一下物体的质量、方向、加速度和作用力,把这些数据填入牛顿的方程式,答案简直就像魔术一样跃于眼前。

尤瓦尔·赫拉利《人类简史:从动物到上帝》
而后爱因斯坦统一了空间和时间,同时实现了物质与能量的转换。

《原理》一书也包含牛顿写下的力学定律,即确定地面物体和天体抛物线轨道的运动定律。这些定律奠定了设计机械、利用蒸汽能、制造机车的基础,这些进步为工业革命和现代文明铺平了道路。今天,每一座摩天大楼、每一座桥梁和每一枚火箭都是按照牛顿的运动定律建造的。 

与牛顿的突破统一了地面上的物理学和天体物理学一样,爱因斯坦统一了空间和时间。他还指出物质和能量也是统一的,因此可以彼此转换。如果一个物体运动得越快,它变得越重,这意味着运动的能量转换成了物质。反过来也是对的,物质也可以转换成能量。爱因斯坦计算出物质能转换成多少能量,他得出的计算公式是,即E=mc^2。

加来道雄《平行宇宙》
因为高度抽象,能描述底层原理,数学成了一切科学的基础。
尤瓦尔·赫拉利在《人类简史》中说:“对智人最好的描述是,他是会讲故事的动物。我们创作出了关于神、国家和公司的虚构故事,而这些故事构成了我们社会的基础和我们生活意义的源泉”。同时,他又说:“传统的神话和经典里,讲到所谓的一般法则都是用文字叙述,而不是用数学公式......早期的知识体系常常是用“故事”构成理论,而现代科学用的则是“数学”

1854年之前,欧洲数学家灿若星辰,笛卡儿、拉格朗日、牛顿、贝叶斯、拉普拉斯、柯西、傅里叶、伽罗瓦等,无一不是数学天才。

1854—1935年,高斯、黎曼等人在数学界领袖群伦,德国取代英法成为世界的数学中心。

1935年之后,希特勒给美国送上“科学大礼包”:哥德尔、爱因斯坦、德拜、冯·诺依曼、费米、冯·卡门、外尔……很多科学家逃至北美,数学大本营从德国转向美国,美国成为世界的数学中心。

每一次数学中心的交替,都是文明中心的变换,可见,文明造就数学,数学推动文明,两者相辅相成。

量子学派《公式之美》序
《人类简史》描述了这样一个事例:1744年,亚历山大·韦伯斯特(Alexander Webster)和罗伯特·华莱士(Robert Wallace)两位苏格兰长老会教士打算成立一个寿险基金,为神职人员的遗孀和孤儿提供补助。如果牧师过世,遗孀就能从基金的获利中取得分红,她的余生也有保障。
然而,他们必须先知道基金规模有多大。也就是他们必须先预测出每年大约有多少牧师过世、留下几位孤儿寡妇,以及这些寡妇在丈夫过世后还会活几年。

牛顿告诉我们,大自然这本书所用的书写语言是数学。某些章节可以总结成某个明确的方程式。也有些学者想仿照牛顿,将生物学、经济学和心理学整理成简单的公式,却发现这些领域实在太复杂,不可能依样画葫芦。然而,这并不代表他们就放弃了数学。在过去200年间,为了处理现实中更复杂的层面,数学发展出一个新的分支:统计学。

尤瓦尔·赫拉利《人类简史:从动物到上帝》
他们没有向上帝祈祷告诉他们答案,没有在《圣经》或古代神学家作品中遍寻解答,也没有提出抽象的哲学争论。毕竟,苏格兰人本来就是个实际的民族。于是他们联络了爱丁堡大学的数学教授科林·麦克劳林(Colin Maclaurin)。(尤瓦尔·赫拉利《人类简史:从动物到上帝》)
虽然麦克劳林无法用数学预测韦伯斯特和华莱士是不是明年就会过世,但只要有足够的数据,他就能告诉韦伯斯特和华莱士明年很有可能有多少位苏格兰长老教会牧师会过世。
尤瓦尔·赫拉利《人类简史:从动物到上帝》
统计学的帮助下,这只基金取得了成功。

时至今日,他们的基金简称为苏格兰遗孀基金(Scottish Widows),是全球最大的退休金和保险公司之一,总值高达1000亿英镑,现在任何人都能够购买其保单,而不只保障苏格兰的遗孀。(尤瓦尔·赫拉利《人类简史:从动物到上帝》)

根据他们的计算,到1765年,这个“苏格兰教会牧师遗孀及孩童抚恤基金”总资本会有58348英镑。事后证明,他们的计算准确到不可思议。到了这一年,基金总资本为58347英镑,只比预测少了1英镑!这可是比所有宗教先知的预言都准确太多了。

尤瓦尔·赫拉利《人类简史:从动物到上帝》
这两位苏格兰神职人员所用的概率计算,后来不仅成了精算学的基础(这是退休金和保险业务的核心),也成了人口统计学的重要概念[人口统计学则是由圣公会的牧师罗伯特·马尔萨斯(Robert Malthus)所建立]。接着,人口统计学又成了达尔文(他也差点儿成了英国圣公会的牧师)建立演化论的基础。虽然没有公式能够预测某种条件下什么样的生物可能演化,但遗传学家还是能够利用概率计算,了解某个特定族群产生特定突变的可能性。这样的概率模型已经成了经济学、社会学、心理学、政治学和其他社会科学及自然科学的基础。就算是物理学,最后牛顿的经典公式也加入了量子力学的概率云(probability cloud)概念。(尤瓦尔·赫拉利《人类简史:从动物到上帝》)
就算是像语言学或心理学这种传统上属于人文领域的学科,现在也越来越依赖数学,并试图让自己看来有着精确科学的样子。(尤瓦尔·赫拉利《人类简史:从动物到上帝》)
如果哪个人想打动政府、组织和企业,就必须学会“用数字说话”。而专家也费尽心力,甚至像“贫穷”、“幸福”和“诚实”这些概念,都能翻译成一个又一个的数字,成了“贫穷线”“主观幸福感程度”“信用等级”。而像物理和工程方面,几乎整个知识领域都快要和人类的口语语言脱节,而由数学符号独挑大梁。
尤瓦尔·赫拉利《人类简史:从动物到上帝》
21世纪,数学在另两个重要领域也大展身手——通讯及计算机科学。正蓬勃发展的人工智能更是与数学关联紧密

《信息》的作者詹姆斯·格雷克曾说:“将香农与爱因斯坦进行对比更有意义。爱因斯坦贡献突出,地位显赫。但我们并没有生活在相对论时代,而是生活在信息时代,正是香农,在我们所拥有的电子设备中,在我们注视的的每一个计算机屏幕上以及所有数字通信的方法中,都留下了他的印记。他是这样一个人:他改变了世界,而且在更改以后,旧世界已经被人们彻底遗忘。”

不管在现实生活中简单易懂的1 1=2,还是互联网世界里的1 1=10,都以其自身的客观性和普适性在时间长河里自证“伟大

量子学派《公式之美》

数学思维:本质思考

过去人们的知识体系依靠的是“故事”,但故事具有欺骗性;现在,如果你的知识体系基于“数学”,那你就很难被糊弄。
数学的目的是让事情简单化。

理解就是力量。如果你帮助某人更好地理解了某样东西,你就赋予了他更多的力量
郑乐隽《数学思维》
因为数学首先就要求精准的概念定义。比如什么是无理数?

一个更有名、更长的反证法案例是关于√2是无理数的证明,即证明√2不能被写成分数a/b(其中a和b为整数)这一形式。你也许知道√2=1.4142135…,并且它的小数位“无限不循环”,这些要素都是无理数的特点,但并不能作为一种证明。

郑乐隽《数学思维》
又如当我们讨论投票公平,就必须知道公平的定义是什么。
1. 非独裁:最终结果是由多于一个人决定的。
2. 一致同意:如果每个人都投票认为x比Y更好,那么在最终结果中,x的排名会比Y更高。
3. 与无关选择的独立性:对x和Y的排名不应受到投票者对Z的看法变化的影响。

阿罗悖论接着说,如果有多于两个候选人(或备选项),那么公平的投票体系就是不存在的。现代民主选举制度最经常破坏的是第三条公理,这也就是为什么策略性投票成为可能。
郑乐隽《数学思维》
或者某个场景下某个值的具体意义,比如钟表上,12点又是0点。

对于每一个整数a, 都有另一个整数b存在,使得a b=0。

这条公理说明我们知道我们讨论的是整数,而不是自然数,因为这条公理涉及负数。但我们讨论的也可能是“一圈只有3个小时的钟”。你也许觉得这个例子不涉及负数,因为钟面上只有1、2、3这三个数字。但每个数字仍然都有一个对应的数字,满足二者相加的结果等于0,因为在这个例子里0就等于3:

1 2=3  

2 1=3  

3 3=3

郑乐隽《数学思维》
其次,数学传递的不是结果,而是过程及原。这也是为什么最终的答案并不重要,而解题思路(证明过程)才是关键。
所有能被6整除的数字都能被2整除。这个看起来正确的命题,如何让它具有真正的说服力?还是得有证明过程。

命题 如果A可以被B整除,并且B可以被C整除,那么A就可以被C整除。

我已经告诉了你故事的开头和结尾,现在,我要告诉你这个故事最重要的部分了:中间情节,也就是从开头走向结尾的整个过程。这就是数学证明。

证明

假设:1. A可以被B整除,即A=k×B,其中k为自然数,并且

2. B可以被C整除,即B=j×C,其中j为自然数。

则A=k×j×C,并且k×J是自然数。

所以A=m×C,其中m为自然数。

因此,根据定义,A可以被C整除。

证明完毕。

郑乐隽《数学思维》
1637年,当皮埃尔·德·费马在一本书的页边写下的一个著名猜想——费马大定理时,也许他自己也没想到会引起358年的智力接力。
(费马大定理:x^n y^n=z^n,当n的数值大于2时,该方程没有正整数解。
几百年间,无数数学家前赴后继试图证明它,包括天才数学家欧拉。直到1995年,安德鲁·怀尔斯结束这一切。

几次证明费马大定理的尝试都失败了,因为当时的研究者认为他们是在一个质因数分解定理成立的数学领域里分析这个问题的,但事实并非如此。 

郑乐隽《数学思维》

怀尔斯生平主要研究一种称为椭圆曲线的学问,有人可能不太理解,费马猜想和椭圆曲线有什么关系?以X^3 Y^3=Z^3为例,我们可以做这样的初等变换:

将上式代入费马方程得:

瞧,这一下就变成了椭圆曲线!现在,我们知道原来的方程没有非平凡解(所谓平凡解,就是允许X,Y,Z其中一个数是0),所以这相当于说上面的椭圆曲线方程只有显然的有理数解(12,36)和(12,-36)。

量子学派《公式之美》
最后,在某一条件下适用的定理,未必能在其他条件下同样适用。如勾股定理在平面几何成立,但曲面上就不成立。

欧氏几何在平坦空间之外的不适用,使数学家创立了与其分庭抗衡的非欧几何,并发现我们的宇宙不是只有长、宽、高三维,可能还有第四维时空。在这些空间里,如果想判断宇宙是否平坦,数学上可以利用勾股定理,如果不满足,那么宇宙就不平坦。

量子学派《公式之美》
在球面上,三角形内角和大于180°。两点之间不一定直线最短,在球面上,两点之间最短的是一条曲线。(量子学派《公式之美》)
如果你能用最基础的定理来说明事情,那这个事情也就最具有说服力。比如为什么三脚凳不会出现放不平稳的现象?因为经过三维空间中的任意三点的平面有且只有一个,而经过三维空间中任意四点的平面可能并不存在。
反之,某事的前提假设越不确切,那某事就越存疑。
二战期间,美国军方遇到了这样一个问题:为了保护飞机不被击落,打算给飞机装上装甲。但装甲也有弊端,其重量会拖慢飞机的机动性,同时消耗更多燃油。因此只能在重要部分装装甲,那装哪里?
根据从战场返航的飞机上弹孔的统计,机身等其他除引擎以外的地方明显比引擎中弹数多,于是数学团队认为应该将装甲装在这些部位中的一个。

图片来源:乔丹·艾伦伯格《魔鬼数学:大数据时代,数学思维的力量》

当军官向瓦尔德请教时,瓦尔说应该装在引擎上。
如果我们在每架飞机上找到的弹孔数都不超过一个,这意味着什么呢?这并不表明美军飞行员都是躲避敌军攻击的高手,而说明飞机中弹两次就会着火坠落。

如果去医院的病房看看,就会发现腿部受创的病人比胸部中弹的病人多,其原因不在于胸部中弹的人少,而是胸部中弹后难以存活。
乔丹·艾伦伯格《魔鬼数学:大数据时代,数学思维的力量》
在这个例子中,军官们在不经意间做出了一个假设:返航飞机是所有飞机的随机样本。如果这个假设真的成立,我们仅依据幸存飞机上的弹孔分布情况就可以得出结论。但是,一旦认识到自己做出了这样的假设,我们立刻就会知道这个假设根本不成立,因为我们没有理由认为,无论飞机的哪个部位被击中,幸存的可能性是一样的。(乔丹·艾伦伯格《魔鬼数学:大数据时代,数学思维的力量》)
这就是著名的幸存者偏差。同样,当我们讨论投资共同基金时,评级高就值得投吗?

戴维·斯文森告诉我:“晨星基金的星级评级实在太重要了,以至基金评级低于4星了,基金公司很快就会出手消灭掉。”2008—2012年,27%的美国国内股票投资基金和23%的国际股票投资基金都消失不见了,它们要么是合并了,要么是清盘了。这是很常见的做法,消除那些基金糟糕的历史业绩记录,整个基金家族就只剩下历史业绩辉煌的明星基金了。

托尼·罗宾斯《钱》

晨星公司大盘混合型基金的投资对象是可以大致决定标准普尔500指数走势的大公司,似乎都是有价值的金融资产。这类基金1995~2004年增长了178.4%,年均增长率为10.8%,这是一个令人满意的增长速度。如果手头有钱,投资这类基金的前景似乎不错,不是吗? 

博学资本的研究表明,如果在计算收益率时把那些已经消亡的基金包含在内,总收益率就会降到134.5%,年均收益率就是非常一般的8.9%

乔丹·艾伦伯格《魔鬼数学:大数据时代,数学思维的力量》
数学与逻辑推理紧密地交织在一起,可以增强我们处理事务的能力。掌握了数学知识,就像戴了一副X射线眼镜一样,我们可以透过现实世界错综复杂的表面现象,看清其本质。(乔丹·艾伦伯格《魔鬼数学:大数据时代,数学思维的力量》)
最后,如何知道日本核处理水排放是否合规?1、质疑放指标 2、质疑检测机构及检测法。如果上述两点都没有有效质疑数据,那不合规这件事会不会只是一个故事
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