第二章:第三次數(shù)學(xué)危機(jī)產(chǎn)生的背景

第三次數(shù)學(xué)危機(jī)產(chǎn)生于十九世紀(jì)末和二十世紀(jì)初,當(dāng)時(shí)正是數(shù)學(xué)空前興旺發(fā)達(dá)的時(shí)期。首先是邏輯的數(shù)學(xué)化,促使了數(shù)理邏輯這門學(xué)科誕生。

十九世紀(jì)七十年代康托爾創(chuàng)立的集合論是現(xiàn)代數(shù)學(xué)的基礎(chǔ),也是產(chǎn)生危機(jī)的直接來源。十九世紀(jì)末,戴德金及皮亞諾對算術(shù)及實(shí)數(shù)理論進(jìn)行公理化,推動了公理化運(yùn)動。而公理化運(yùn)動的最大成就則是希爾伯特在1899年對于初等幾何的公理化。

公理化方法是現(xiàn)代數(shù)學(xué)最重要的方法之一,對于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和數(shù)理邏輯的研究也有影響。當(dāng)時(shí)也是現(xiàn)代數(shù)學(xué)一些新分支興起的時(shí)期,如抽象代數(shù)學(xué)、點(diǎn)集拓?fù)鋵W(xué)和代數(shù)拓?fù)鋵W(xué)、泛函分析、測度與積分理論等學(xué)科。

這些學(xué)科的發(fā)展一直與數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及數(shù)理邏輯的發(fā)展有著密切的關(guān)系。數(shù)學(xué)的更新與發(fā)展也對數(shù)學(xué)哲學(xué)有許多新的探討,數(shù)學(xué)的陳腐哲學(xué)觀念在當(dāng)時(shí)已經(jīng)幾乎一掃而空了。

2-1 數(shù)學(xué)符號化的擴(kuò)充:數(shù)理邏輯的興起

數(shù)學(xué)的主要內(nèi)容是計(jì)算和證明。在十七世紀(jì),算術(shù)因符號化促使了代數(shù)學(xué)的產(chǎn)生,代數(shù)使計(jì)算變得精確和方便,也使計(jì)算方法系統(tǒng)化。費(fèi)爾馬和笛卡兒的解析幾何把幾何學(xué)代數(shù)化,大大擴(kuò)展了幾何的領(lǐng)域,而且使得少數(shù)天才的推理變成機(jī)械化的步驟。這反映了代數(shù)學(xué)作為普遍科學(xué)方法的效力,于是笛卡兒嘗試也把邏輯代數(shù)化。與笛卡兒同時(shí)代的英國哲學(xué)家霍布斯也認(rèn)為推理帶有計(jì)算性質(zhì),不過他并沒有系統(tǒng)地發(fā)展這種思想。

現(xiàn)在公認(rèn)的數(shù)理邏輯創(chuàng)始人是萊布尼茲。他的目的是選出一種“通用代數(shù)”,其中把一切推理都化歸為計(jì)算。實(shí)際上這正是數(shù)理邏輯的總綱領(lǐng)。他希望建立一套普遍的符號語言,其中的符號是表義的,這樣就可以象數(shù)字一樣進(jìn)行演算,他的確將某些命題形式表達(dá)為符號形式,但他的工作只是一個(gè)開頭,大部分沒有發(fā)表,因此影響不大。

 

真正使邏輯代數(shù)化的是英國數(shù)學(xué)家布爾,他在1847年出版了《邏輯的數(shù)學(xué)分析》,給出了現(xiàn)代所謂的“布爾代數(shù)”的原型。布爾確信符號化會使邏輯變得嚴(yán)密。他的對象是事物的類,1表示全類,0表示空類;xy表示x和y的共同分子所組成的類,運(yùn)算是邏輯乘法;x+y表示x和y兩類所合成的類,運(yùn)算是邏輯加法。

所以邏輯命題可以表示如下:凡x是y可以表示成x(1-y)=0;沒有x是y可以表示成xy=0。它還可以表示矛盾律 x(1-x)=0;排中律x+(1-x)=1。

布爾看出類的演算也可解釋為命題的演算。當(dāng)x、y不是類而是命題,則x=1表示的是命題 x為真,x=0表示命題x為假,1-x表示x的否定等等。顯然布爾的演算構(gòu)成一個(gè)代數(shù)系統(tǒng),遵守著某些規(guī)律,這就是布爾代數(shù)。特別是它遵從德·莫爾根定律。

美國哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家小皮爾斯推進(jìn)了命題演算,他區(qū)別了命題和命題函數(shù)。一個(gè)命題總是真的或假的,而一個(gè)命題函數(shù)包含著變元,隨著變元值選取的不同,它可以是真也可以是假。皮爾斯還引進(jìn)了兩個(gè)變元的命題函數(shù)以及量詞和謂詞的演算。

對現(xiàn)代數(shù)理邏輯貢獻(xiàn)最大的是德國耶拿大學(xué)教授、數(shù)學(xué)家弗雷格。弗雷格在1879年出版的《概念文字》一書中不僅完備地發(fā)展了命題演算,而且引進(jìn)了量詞概念以及實(shí)質(zhì)蘊(yùn)涵的概念,他還給出一個(gè)一階謂詞演算的公理系統(tǒng),這可以說是歷史上第一個(gè)符號邏輯的公理系統(tǒng)。因此在這本只有88頁的小冊子中,包含著現(xiàn)代數(shù)理邏輯的一個(gè)頗為完備的基礎(chǔ)。

1884年,弗雷格的《算術(shù)基礎(chǔ)》出版,后來又?jǐn)U展成《算術(shù)的基本規(guī)律》。不過由于他的符號系統(tǒng)煩瑣復(fù)雜,從而限制了它的普及,因此在十九世紀(jì)時(shí),他的著作流傳不廣。后來由于羅素的獨(dú)立工作,才使得弗雷格的工作受到重視。

用符號語言對數(shù)學(xué)進(jìn)行公理化的是意大利數(shù)學(xué)家皮亞諾,他在1889年用拉丁文寫了一本小冊子《用新方法陳述的算術(shù)原理》。在這之前,皮亞諾已經(jīng)把布爾和施羅德的邏輯用在數(shù)學(xué)研究上,并且引進(jìn)了一系列對于他前人工作的更新。例如對邏輯運(yùn)算和數(shù)學(xué)運(yùn)算使用不同的符號,區(qū)別范疇命題和條件命題,這引導(dǎo)他得出量詞理論。

這些改進(jìn)都是對于布爾和施羅德理論的改進(jìn),而不是對弗雷格理論的改進(jìn),因?yàn)楫?dāng)時(shí)皮亞諾還不知道弗雷格的工作。在《算術(shù)原理》中,他在引進(jìn)邏輯概念相公式之后,開始用符號的記法來重寫算術(shù),在這本書中他討論了分?jǐn)?shù)、實(shí)數(shù)、甚至極限和點(diǎn)集論中的概念。

皮亞諾引進(jìn)最原始的算術(shù)概念是“數(shù)”“1”“后繼”和“等于”,并且陳述了關(guān)于這些概念的九條公理。今天我們認(rèn)為其中公理2、3、4、5都是討論恒等的,應(yīng)該屬于邏輯公理,所以就剩下了五條公理。這就是現(xiàn)在眾所周知的皮亞諾公理。最后一條公理即公理9,就是所謂數(shù)學(xué)歸納法原理,他用類的詞句來表述,其中包含一個(gè)類變元。皮亞諾承認(rèn)他的公理化來自戴德金。

從1開始,皮亞諾用x+1來表示后繼函數(shù)。然后作為定義引進(jìn)了加法和乘法。這些定義是遞歸的定義。雖然在他的系統(tǒng)中,皮亞諾沒有象戴德金那樣有力的定理可資利用,但皮亞諾并沒有公開地宣稱這些定義可以去掉。

這本書的邏輯部分還列出命題演算的公式,類演算的公式,還有一部分量詞的理論。皮亞諾的符號要比布爾和施羅德的符號高明得多,標(biāo)志著向近代邏輯的重要轉(zhuǎn)變。他還對于命題的演算和類演算做了某些區(qū)別。這就是我們現(xiàn)在的兩種不同演算,而不是同一種演算的兩種不同解釋。它的普遍量詞記號是新的,而且是便利的。

不過書里還是存在缺點(diǎn),如公式只是列出來的,而不是推導(dǎo)出來的;因?yàn)闆]有給出推導(dǎo)規(guī)則,皮亞諾引進(jìn)了代入規(guī)則的概念,但是也沒有給出任何規(guī)則;更嚴(yán)重的是他沒有給出任何分離規(guī)則,結(jié)果盡管他的系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn),但他沒有可供使用的邏輯。一直到后來,他才在一系列文章,特別是1895年發(fā)表的《數(shù)學(xué)論集》中,對這些邏輯公式進(jìn)行了證明。然而他這些證明還是缺少推演規(guī)則,在這方面他受到了弗雷格的批評。后來皮亞諾盡力想比弗雷格的《概念文字》有更多的內(nèi)容,但是他做得并不夠。不過他的這些著作在數(shù)學(xué)界仍有很大影響,得到廣泛的傳播。

 

 
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