最受日本高校生喜爱的青春物语系列最新作!!
「数学是不完全的吗?」
不断地轮转,不断地更迭,这个季节。
看起来虽然很像,但却不是单纯的回圈。
而是一边重复一边往上延伸的──螺旋……
我和三个少女,逼近「不完全性定理」的真实,
如果是蒂蒂的话,就不会是由梨……
魅惑而动人的数学物语。
在数学当中,虽然单纯却不明显的定理或关系,
其数量确实多到叫人吃惊。
……试想,在某种意义上,数学的这个性质不正好反映了
──世界的秩序与规则性。
这个世界看起来比只作表面观察的时候,
还来得更伟大,而这种伟大可说是无法比拟的。~哥德尔~
随着季节更迭,每当春天造访时,我总会不断地想起数学的种种。
在纸上记列着数学符号,试图描绘出宇宙。
在纸上书写下数学公式,试图引导出真理。
随着季节更迭,每当春天造访时,我总会不断地想起那些女孩们。
彼此切磋那些名为数学的词汇,
在名为青春的时光里,与我所邂逅的豆蔻年华的少女们──
我和三位青春少女的动人物语。
我之所以得以展翅飞翔,全源于一个渺小的契机……
~谨此献给哥德尔,以及世界上所有的数学家们~
「数学是不完全的吗?」逼近「不完全性定理」的真实,魅惑而动人的数学物语。
本书中出现有各式各样的数学问题,从简单到小学生都懂得的部分,至困难到会严重动摇整个数学界的世纪难题都有。
除了使用语言及图形来表现故事主人翁的思考脉络之外,另也会使用到数学公式来做表达。
每当遇有无法理解数学公式涵义的时候,请不妨先跳过卡住的数学公式,暂且随着故事的情节发展往下走。蒂蒂和由梨会陪伴着你一起往前走。
而对数学有自信的读者们,在享受故事情节之余,也不要忘了动动脑挑战看看书中的数学公式哦!如此一来,你将可以体味到隐藏在故事背后的其他趣味。
或许,聪敏的你能超越那些数学天才们,挖掘出的不为人知的祕密噢!
作者简介
结城浩
1963年生。执笔写作有关程式语言、设计模式、密码、数学等等领域的入门书。最新着作是「数学女孩系列」。是一个最喜欢巴哈的「赋格的艺术」作品的新教基督徒。着有《数学女孩──费马最后定理》等书。
审订者简介
王银国
台大物理学博士,现任台师大通识教育中心副教授,开授「逻辑思考与应用、科技与人文的对话」等通识课程。曾监制纪录片《翻滚吧!男孩》。目前筹拍《作弊》、《天魔前传》、《爱丽丝的婚礼》、《阮老爸是师公》、《天魔Ⅰ,Ⅱ》、《理想国》、《命》等电影。
洪万生
纽约城市大学(CUNY)科学史博士,国立台湾师范大学数学系学士、硕士。国立台湾师范大学数学系教授兼主任(2007/8/1-2009/7/31)、台湾数学教育学会理事长(2007-2009)、国际科学史学院通讯会员、Historia Mathematica(国际数学史杂志)编辑委员、《HPM通讯》发行人、台湾数学(虚拟)博物馆创始人之一。
译者简介
钟霓
中国文化大学新闻研究所硕士。曾经是个写字的人,现为兼职翻译,下一个身分尚待确认。钟情于旅行、阅读、写字,并耽于在现实与梦想之间摇摆不定。译有《数学女孩──费马最后定理》、《热情》等书。
给读者 i
序章 ix
第1章 镜的独白 1
1.1 诚实的人是谁? 1
1.1.1 魔镜啊魔镜 1
1.1.2 诚实的人是谁? 3
1.1.3 相同的答案 6
1.1.4 名为沉默的答案 8
1.2 逻辑问题 9
1.2.1 爱丽斯与伯里斯与克理斯 9
1.2.2 利用表格来协助思考 10
1.2.3 出题者的心情 14
1.3 帽子是什么颜色的? 15
1.3.1 我不知道 15
1.3.2 出题者的确认 18
1.3.3 镜的独白 19
第2章 皮亚诺公理 23
2.1 蒂蒂 23
2.1.1 皮亚诺公理 23
2.1.2 无穷的请託 27
2.1.3 皮亚诺公理 PA1 28
2.1.4 皮亚诺公理 PA2 29
2.1.5 培育成巨无霸 32
2.1.6 皮亚诺公理 PA3 34
2.1.7 微小? 35
2.1.8 皮亚诺公理 PA4 36
2.2 米尔迦 39
2.2.1 皮亚诺公理PA5 42
2.2.2 数学归纳法 43
2.3 在无尽的迈步中 49
2.3.1 是有限?是无限? 49
2.3.2 是动态的?是静态的? 50
2.4 由梨 51
2.4.1 加法运算是? 51
2.4.2 公理是? 53
第3章 伽利略的迟疑 57
3.1 集合 57
3.1.1 美人的集合 57
3.1.2 外延的定义 58
3.1.3 餐桌 60
3.1.4 空集 60
3.1.5 集合的集合 62
3.1.6 交集 64
3.1.7 联集 66
3.1.8 子集 67
3.1.9 思考集合的理由 69
3.2 逻辑 70
3.2.1 内涵的定义 70
3.2.2 罗素悖论 72
3.2.3 集合运算与逻辑运算 74
3.3 无限 76
3.3.1 对射的鸟笼 76
3.3.2 伽利略的迟疑 80
3.4 表现 83
3.4.1 归途 83
3.4.2 书店 84
3.5 沉默 85
3.5.1 美人的集合 85
第4章 无止境地接近的目标地点 87
4.1 自宅 87
4.1.1 由梨 87
4.1.2 男孩的「证明」 88
4.1.3 由梨的「证明」 89
4.1.4 由梨的「证明」 91
4.1.5 我的说明 92
4.2 超市 95
4.2.1 目标地点 95
4.3 音乐教室 99
4.3.1 文字的导入 99
4.3.2 极限 101
4.3.3 音乐是由声音所决定的 103
4.3.4 极限的运算 105
4.4 回家的路上 114
4.4.1 未来出路 114
第5章 莱布尼兹的梦 117
5.1 如果是由梨的话,就不会是蒂蒂 117
5.1.1 「若…则…」的意义 117
5.1.2 莱布尼兹之梦 120
5.1.3 理性的极限? 122
5.2 如果是蒂蒂的话,就不会是由梨 123
5.2.1 升学考试 123
5.2.2 课程 125
5.3 如果是米尔迦的话,就是米尔迦 127
5.3.1 教室 127
5.3.2 形式体系 128
5.3.3 逻辑式 130
5.3.4 「若…则…」的形式? 132
5.3.5 公设 135
5.3.6 证明论 136
5.3.7 推论规则 138
5.3.8 证明与定理 140
5.4 既非我,也是我 142
5.4.1 自宅 142
5.4.2 形式的形式 143
5.4.3 意义的意义 145
5.4.4 如果是「若…则…」的话? 146
5.4.5 邀约 151
第6章 Epsilon-Delta极限分析论证法 153
6.1 数列的极限 153
6.1.1 从图书室开始 153
6.1.2 前往阶梯教室 154
6.1.3 理解复杂数式的方法 158
6.1.4 解读「绝对值」 160
6.1.5 解读「若…则…」 163
6.1.6 解读「全部」与「某些」 165
6.2 函数的极限 168
6.2.1 168
6.2.2 的意义 172
6.3 实力测验 173
6.3.1 校内排名 173
6.3.2 寂静之音、沉默之声 174
6.4 连续的定义 175
6.4.1 图书室 175
6.4.2 所有的点都不连续 178
6.4.3 只在一个点处连续的函数? 180
6.4.4 从无穷的迷宫脱出 181
6.4.5 只在一个点处连续的函数! 182
6.4.6 当说的词语 186
第7章 对角线论证法 191
7.1 数列的数列 191
7.1.1 可数集 191
7.1.2 对角线论证法 195
7.1.3 挑战:实数的编号排序 203
7.1.4 挑战:有理数与对角线论证法 206
7.2 形式体系的形式体系 209
7.2.1 相容性与完备性 209
7.2.2 哥德尔不完备定理 216
7.2.3 算术 218
7.2.4 形式体系的形式体系 219
7.2.5 词汇的整理 222
7.2.6 数项 223
7.2.7 对角化 224
7.2.8 数学的定理 227
7.3 追寻之物的追寻之物 227
7.3.1 游乐园 227
第8章 由两种孤独当中所诞生的东西 233
8.1 重叠的序对 233
8.1.1 蒂蒂所察觉到的东西 233
8.1.2 我所察觉到的事情 239
8.1.3 所有人都忽略掉的东西 240
8.2 自宅 241
8.2.1 自己的数学 241
8.2.2 表现的压缩 241
8.2.3 加法运算的定义 245
8.2.4 教师的存在 247
8.3 等价关系 248
8.3.1 毕业典礼 248
8.3.2 由序对所产生出来的东西 250
8.3.3 从自然数到整数 251
8.3.4 图表 252
8.3.5 等价关系 257
8.3.6 商集 260
8.4 餐厅 264
8.4.1 两个人的晚餐 264
8.4.2 成对的羽翼 265
8.4.3 无力测验 266
第9章 疑惑的螺旋梯 269
9.1 π 弧度 269
9.1.1 板着脸的由梨 269
9.1.2 三角函数 271
9.1.3 sin45。 274
9.1.4 sin60。 278
9.1.5 正弦曲线 282
9.2 π弧度 287
9.2.1 弧度 287
9.2.2 教学 289
9.3 π弧度 290
9.3.1 停课 290
9.3.2 剩余 291
9.3.3 灯塔 293
9.3.4 海边 294
9.3.5 消毒 297
第10章 哥德尔不完全性定理 299
10.1 双仓图书馆 299
10.1.1 入口处 299
10.1.2 氯之间 300
10.2 希尔柏特计画 302
10.2.1 希尔柏特 302
10.2.2 测验 304
10.3 哥德尔不完全性定理 308
10.3.1 哥德尔 308
10.3.2 讨论 309
10.3.3 证明的纲要 311
10.4 「春」形式系统P 312
10.4.1 基本符号 312
10.4.2 数项与符号 313
10.4.3 逻辑式 314
10.4.4 公设 315
10.4.5 推论规则 317
10.5 午餐时间 318
10.5.1 元数学 318
10.5.2 用数学做数学 319
10.5.3 甦醒 319
10.6 「夏」哥德尔数 321
10.6.1 基本符号的哥德尔数 321
10.6.2 数列的哥德尔数 322
10.7 「秋」原始递归 324
10.7.1 原始递归函数 324
10.7.2 原始递归函数(谓语)的性质 326
10.7.3 可表达性定理 328
10.8 「冬」到达证明可能性的漫漫旅程 330
10.8.1 整装待发 330
10.8.2 整数论 331
10.8.3 数列 333
10.8.4 变数.符号.逻辑式 335
10.8.5 公理.定理.形式证明 343
10.9 「新春」不能判定的哥德尔句 347
10.9.1 「季节」的确认 347
10.9.2 「种子」由意义的世界进入形式的世界 348
10.9.3 「新芽」p的定义 351
10.9.4 「枝」r的定义 351
10.9.5 「叶」从A1开始的流程 352
10.9.6 「花蕾」从B1开始的流程 353
10.9.7 能判定的语句的定义 353
10.9.8 「梅」 IsProvable(g)的证明 319
10.9.9 「桃」 IsProvable(not(g))的证明 355
10.9.10 「樱」形式体系P为不完全的证明 357
10.10 不完全性定理的意义 359
10.10.1 「我是无法证明的」 359
10.10.2 第二不完全性定理的证明概略 363
10.10.3 由不完全性定理之中萌生的东西 365
10.10.4 数学的极限? 366
10.11 乘载着梦想 368
10.11.1 并非是结束 368
10.11.2 我的东西 369
尾声 373
后记 377
参考文献与阅读指南 381
索引 387
推荐序1
数学成熟度的指标:哥德尔不完备定理
本书是结城浩《数学女孩》三部曲中的最后一部,主题是「哥德尔不完备定理」,尽管它完成于二十世纪上半叶的1931年,但却是数理逻辑学(mathematical logic)与数学基础(foundations of mathematics)研究的封顶之作。
在《数学女孩》的第一部曲(台译书名《数学少女》)中,作者将基本且深刻的数学知识,简化到一般高中生可以了解的程度,足以显示他不只受过非常严格的数学训练,因而对于数学思维的掌握非常得心应手,同时,也对如何普及他的数学经验深具信心。不过,更值得注意的,正如结城浩在《数学女孩──费马最后定理》(第二部曲)所呈现,他总是适时地从高观点来归纳或提示一些数学(抽象)结构,让读者不至于迷失在徒然解题的迷魂阵中,而无法自拔。此外,他在这三部曲的「旅行地图」中所进行的连结与对比,也一再地提醒我们数学是一个「有机的整体」;因此,数学史上的一些重大突破,往往需要「跨界」的思维。
另一方面,从小说叙事的观点来看,作者在这三部曲所採取的「比喻」,都是高中男生对于数学世界vs.感情世界的一种未来憧憬:「我对数学的『憧憬』──和男孩对女孩抱持的情感在某些地方有点相似」。因此,在本书中,数学作为一种文学比喻就出现的另类风貌,值得数学小说的爱好者特别注意。
现在,我们针对这三部曲所处理的主题,提供一点简要的说明,俾便读者阅读时有所参考与借鉴。《数学少女》的主题是生成函数,作者的连结与跨界分享,相当令人感动:「我和米尔迦使用生成函数求得斐波那契数列一般项,就像原本捧在手上快要散落的数列,被名为生成函数的一条线串起来,那真是一次难以言喻的经验」。此外,他还利用生成函数处理褶积与分拆数等问题,甚至还提及黎曼 函数,尤其是 与欧拉发现平方倒数无穷和之公式的关系。在该书中,生成函数是一种概念工具,它大大地有助于我们解决许多数学问题,离散型或连续型都包括在内。
这种主题式的叙事,到了《数学女孩──费马最后定理》与《数学女孩──哥德尔不完备定理》,就变成了伟大的定理。顾名思义,《数学女孩──费马最后定理》的主题就是费马最后定理。作者在该书中,为了让读者多少掌握有关此一伟大证明的定理,特别提供了一个概略的说明。基于此,他还进一步介绍椭圆函数、模曲线与自守形式。最后,怀尔斯(Andrew Wiles)在椭圆曲线与自守形式之间成功地搭起一座桥樑,而完成了费马最后定理的证明。由于这些相关数学知识都极其抽象,一般读者难以「一睹芳泽」。因此,作者的「旅行地图」仿效效似网路「超连结」资讯的手法,鼓吹读者进行形式推理,即使无从理解个别命题(或定理)之内容为何。而这,当然也唿应了这三部曲所强调的数学知识的结构面向(structural aspects)意义。
显然,在第二部曲中,结城浩无法邀请(也不期待!)读者参与费马最后定理的证明过程,这一形同登天的任务,当然受限于目前数学教育与普及水准的力有未逮。相形之下,在这三部曲的终曲中,结城浩的野心却是哥德尔不完备定理之解说。这个普及的愿景并非不可企及,因为作者所诉求的正是读者的数学成熟度。这种成熟度与高等数学的背景知识并不具有必然关系,因此,集合论、数理逻辑以及数学基础等数学分支之学习,通常只要预设高中数学背景知识即可。事实上,这几门学问在二十世纪下半叶,也一直吸引英美两国哲学家的兴趣。基于此一考量,在本书中,作者就使尽了浑身解数,希望读者分享他对不完备定理的理解。
总之,不完备定理之证明所涉及的形式系统(formal system)之相容与不完备之相关固然有其难度,但是,对于充满好奇心的读者来说,这却是可以亲近的一个智力游戏或挑战。任何人(无论有无高等数学之经验)想要测试数学思维的成熟度,本书的形式证明正是最好的指标。更何况,如果不深入探讨此一定理,那么,物理学家欧本海默(Robert Oppenheimer)如何称颂不完备定理为「理性的极限」,我们大概就不知从何说起了。
台湾师范大学数学系退休教授 洪万生
推荐序2
一部令人惊艳的作品!
继《数学少女》(2008年青文出版)、《数学女孩──费马最后定理》(2011年世茂出版),结城浩这一系列作的第三部《数学女孩──哥德尔不完备定理》又是一部令人惊艳的作品。
市面上的数学科普书很多,有的作者为了照顾读者的背景知识而不敢谈得太深:有的作者则是只顾自己想写的内容而一路狂飙,却将读者留在原地一脸茫然。结城浩成功地突破了这两难的困境:他将主题「哥德尔不完备定理」谈论得非常深入,让我很惊讶竟然有数学科普书的作者敢有如此大的企图;但他也不是莽夫,而是极富策略性地一步一步带着读者往目标靠近。要做到这一点绝非易事,我很难想像一个人怎能拥有如此深厚的数学底子、广泛的数学知识,以及灵巧的文字功力,但结城浩就是这样厉害的一个人。
当然,伟大的数学成果不可能仅靠一本书就能让读者在短时间之内完全掌握,即使是身为数学科教师的我,也难以吸收最后一章的内容,但这就是作者的体贴,在坚持目标的前提下,尽量让读者不会因为题材本质上的艰涩而提早放弃。
我相信无论你是一般的数学学习者,或是专业的数学研究人员,都一定能从这本作品中得到收获,也都会喜欢这本书。
北一女中数学老师&国际数学奥林匹亚竞赛金牌奖得主 王嘉庆
推荐序3
一本引人入胜的数学小说
本书是日本畅销科普作家结城浩继《数学少女》、《数学女孩──费玛最后定理》之后的第三力作,相信看过前两本的读者们一定迫不急待的想要一窥结城浩的新作品,并加以典藏,而成为家中小孩上高中时必读的数学科普。本书《数学女孩──哥德尔不完备定理》,如同前两本一样,透过四位个性鲜明的国、高中生之间的日常有趣对话,来展开数学问题与解题,进而让读者对数学自然而然的理解并产生兴趣。然而,结城浩在本书中不仅透过角色仔细完整的论述相关数学知识外,并以完成介绍哥德尔不完备定理为最终目标,他雄心万丈般的哲学企图,提昇了本书的高度格局。
数学符号及其公式都是高度抽象概念。也正因如此,理工领域常令许多人难以捉摸和把握,甚至觉得晦深莫测,单单是要记住(更不用说是理解)这些符号表示什么,就是很大的挑战了。然而,本书不是一般传统的数学课本,结城浩透过中学生之间的对话,来渐渐铺陈出数学概念,以有趣生活化的方式来进行数学知识的讨论,更难得的是本是数学专业的作者,却能以生动的文笔及贴近生活的例子来阐述数学的概念及解题流程。娓娓道来,亲切详实,没有一般通俗读物仅是浅尝为止而产生一知半解的窘境。此外,本书有很多内容甚至比一般的数学教科书解说的更为详细,如:第4章──无止境地接近的目标地点、第6章──极限分析论证法、第9章──疑惑的螺旋梯,关于极限和三角函数的分析与说明,讲得简单、明白且易懂,可作为一般教科书的补充读物,而一般读者亦可先参阅这几个章节,来感受结城浩的功力──「就是要让你懂」!
现今为知识讯息大爆炸的时代,每一个人,除了学习传统的知识技能外,还要不断的吸收与我们生活相关的各种知识,但它们总是瞬时万变,有限的生命总是赶不上无限的变化。但在某些领域(如:数学或音乐),可能让我们有机会驻留在永恆之美的飨宴中。数学对许多人(包括个人)而言,似乎有共同梦魅般的经验:抽象、艰涩、难懂、吃不下去……。但若过去中、小学数学课本,可以写的像结城浩一样的话,那数学就像是一种游戏、一种日常生活中的有趣对话、更彷彿像是一种让人进入一种美丽抽象符号结构中的奇幻之旅。结城浩在最终章「哥德尔不完备定理」以四季节候的时序和植物生长的历程等譬喻,来一步一步建构不完备定理的证明及诠释其意义,以极富想像力的方式向世人介绍逻辑体系上的不完备。
因限于个人领域之狭窄,关于数学与逻辑的专有名词能与台湾现行的用法有所一致,而让一般读者因熟悉而更容易理解。在数学上的专有名词是由台师大数学系周文翔来做全面的校正,而第7章和第10章则请蒲世豪博士订正有关的逻辑专有名词。
有机会读到一本好书会让人心旷神怡、视野开阔,变得耳聪目明。但从小到大的我们看了不少数学教材,扪心自问我们记得、懂得多少,现今可能大多忘得一干二净。然而,看结城浩的数学书,除了让人赏心悦目、幽游自得外,无论你∕妳懂或不懂,都会让你∕妳永生难忘。而这,当然也是我极力推荐本书的主要原因。
台湾师范通识教育中心副教授 王银国
给读者
本书中出现有各式各样的数学问题,从简单的到小学生都懂得的部分,甚至困难到会严重动摇整个数学界的世纪难题都有。
除了使用语言及图示来表现故事主角们的思考脉络之外,另也会使用到数学公式来做表达。
每当遇有无法理解的数学公式涵义时,请不妨先跳过卡住的数学公式,暂且随着故事的情节发展往下走。剧中人物蒂蒂和由梨会陪伴着你一起往前走。
而对数学充满自信的读者们,在享受故事情节之余,也不要忘了动动脑挑战书中的数学公式哦!如此一来,你将可以进一步体验到隐藏在故事里的其他趣味。
或许,聪敏的你能超越那些数学天才们,探索出不为人知的祕密噢!
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