第二章:第三次數(shù)學危機產生的背景

第三次數(shù)學危機產生于十九世紀末和二十世紀初,當時正是數(shù)學空前興旺發(fā)達的時期。首先是邏輯的數(shù)學化,促使了數(shù)理邏輯這門學科誕生。

十九世紀七十年代康托爾創(chuàng)立的集合論是現(xiàn)代數(shù)學的基礎,也是產生危機的直接來源。十九世紀末,戴德金及皮亞諾對算術及實數(shù)理論進行公理化,推動了公理化運動。而公理化運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)學最重要的方法之一,對于數(shù)學基礎和數(shù)理邏輯的研究也有影響。當時也是現(xiàn)代數(shù)學一些新分支興起的時期,如抽象代數(shù)學、點集拓撲學和代數(shù)拓撲學、泛函分析、測度與積分理論等學科。

這些學科的發(fā)展一直與數(shù)學基礎及數(shù)理邏輯的發(fā)展有著密切的關系。數(shù)學的更新與發(fā)展也對數(shù)學哲學有許多新的探討,數(shù)學的陳腐哲學觀念在當時已經幾乎一掃而空了。

2-1 數(shù)學符號化的擴充:數(shù)理邏輯的興起

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

現(xiàn)在公認的數(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算。實際上這正是數(shù)理邏輯的總綱領。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)字一樣進行演算,他的確將某些命題形式表達為符號形式,但他的工作只是一個開頭,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)學家布爾,他在1847年出版了《邏輯的數(shù)學分析》,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,運算是邏輯乘法;x+y表示x和y兩類所合成的類,運算是邏輯加法。

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。顯然布爾的演算構成一個代數(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。

美國哲學家、數(shù)學家小皮爾斯推進了命題演算,他區(qū)別了命題和命題函數(shù)。一個命題總是真的或假的,而一個命題函數(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。皮爾斯還引進了兩個變元的命題函數(shù)以及量詞和謂詞的演算。

對現(xiàn)代數(shù)理邏輯貢獻最大的是德國耶拿大學教授、數(shù)學家弗雷格。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,而且引進了量詞概念以及實質蘊涵的概念,他還給出一個一階謂詞演算的公理系統(tǒng),這可以說是歷史上第一個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)理邏輯的一個頗為完備的基礎。

1884年,弗雷格的《算術基礎》出版,后來又擴展成《算術的基本規(guī)律》。不過由于他的符號系統(tǒng)煩瑣復雜,從而限制了它的普及,因此在十九世紀時,他的著作流傳不廣。后來由于羅素的獨立工作,才使得弗雷格的工作受到重視。

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

這些改進都是對于布爾和施羅德理論的改進,而不是對弗雷格理論的改進,因為當時皮亞諾還不知道弗雷格的工作。在《算術原理》中,他在引進邏輯概念相公式之后,開始用符號的記法來重寫算術,在這本書中他討論了分數(shù)、實數(shù)、甚至極限和點集論中的概念。

皮亞諾引進最原始的算術概念是“數(shù)”“1”“后繼”和“等于”,并且陳述了關于這些概念的九條公理。今天我們認為其中公理2、3、4、5都是討論恒等的,應該屬于邏輯公理,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)學歸納法原理,他用類的詞句來表述,其中包含一個類變元。皮亞諾承認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,標志著向近代邏輯的重要轉變。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,如公式只是列出來的,而不是推導出來的;因為沒有給出推導規(guī)則,皮亞諾引進了代入規(guī)則的概念,但是也沒有給出任何規(guī)則;更嚴重的是他沒有給出任何分離規(guī)則,結果盡管他的系統(tǒng)有許多優(yōu)點,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)學論集》中,對這些邏輯公式進行了證明。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》有更多的內容,但是他做得并不夠。不過他的這些著作在數(shù)學界仍有很大影響,得到廣泛的傳播。