序 《怎样解题》是很棒的书!早在多年前,当我还是个学生,第一次读这本书的时候,我就已经知道它是本好书了,但是,我却花了很久的时间,才真正体会这本书有多么棒!为什么会这样?部分的理由,是因为这本书很特别。在我做学生与当老师的这些年里,我从来没有读过另外一本书,像波利亚这本书的书名所说的,教你怎么样解题。荀菲尔德(A. H. Schoenfeld)1987年在美国数学协会(MAA)的期刊发表的文章〈波利亚、解题与教育〉中,正确地描述出这本书的重要性:「在数学教育以及解题的世界里,本书为两个时期清楚地画下了一条界线:波利亚之前的解题活动,与波利亚之后的解题活动。」
《怎样解题》是有史以来最成功的数学书。从1945年首次出版以来,销售已经超过百万册,并译成十七种语言(编注:根据英文版出版社的资料,已经不只十七种了)。波利亚稍后还写了两本关于做数学研究这门艺术的书:《数学与猜想》(Mathematics and Plausible Reasoning)(1954)与《数学的发现》(Mathematical Discovery)(共两卷,1962与1965)。
这本书的书名,让它看起来好像只是一本为学生所写的书,但是事实上,它写给老师的内容,并没有比较少。诚如波利亚自己在「前言」里所说的,本书的第一部,大部分是站在老师的观点来写的。
不过,每个人都因此而获益。如果是学生来读这本书,将会「偷听到」波利亚对书中那位事实上并不存在的老师所给的一些建议,彷彿身旁好像真的有这么位好老师一样。这就是我自己读这本书的感觉,而且很自然地,在我几年后开始教书时,我发现自己也不断使用那些我认为重要的建议或意见。
然而一直到不久前,我有机会重读此书,而且在读完之后,我忽然了解到,这本书的价值比我以前所想像的还高!我自己是学生时,波利亚所给的许多意见,感觉并不太有帮助,然而,这些意见现在却让我变成一位比较好的老师,知道怎么去帮助和我遭遇不一样问题的人。
显然,波利亚教过的学生比我多,而他也一直很努力地在思考,在数学的学习上,怎么样才能对学生最有帮助。也许,他最重要的观点是:学习必须是「主动的」。诚如他在某一堂课里提到的:「数学,不是一门让人用来观赏的活动。所谓的『了解』数学,意思是要有能力去『做』数学。什么叫作(有能力)『做』数学呢?它的第一个意义就是:有能力去解决一个数学问题。」
我们常说,若要教好某个科目,教的人懂得的「至少得跟他的学生一样多」。对教数学来说,有一个很弔诡的事实就是:老师还得知道学生可能会产生什么样的误解!如果老师讲述的内容,可以用两种以上的方式来解读,那么必然会导致有些学生理解到其中一种,另外的学生各有体会,极好或极糟的情形皆有。
李特伍德(J. E. Littlewood)举了两个有趣的例子,说明我们可能不自觉地就对假设产生误解。首先,他提到在蓝姆(Lamb)的《力学》这本书里,对座标轴的描述(「因为Ox与Oy是二维平面,所以Oz是垂直的」)是错误的,因为蓝姆总是跷着脚坐在椅子上工作!其次,蓝姆要求他的读者画一条封闭曲线,让它完全位于某条切线的一侧,然后他说,总共只有四种主要不同的可能性(垂直切线的左方或右方,水平切线的上方或下方),而且在没有图形解说的情形下,他假定这条封闭曲线位于它的垂直切线的右方,而不知不觉地忽略了另外三种可能性。
因应这类假定的方法,我想不出有什么建议比波利亚的更好:在试着解题之前,学生应该要能清楚、明确地展示出自己对问题的理解;最好是有位真实的老师在眼前,否则,也要自己想像有位老师在身旁。有经验的数学家多半知道,数学研究最难的部分,往往就是不容易很明确地了解问题究竟在说些什么。碰到这种状况,他们通常也都遵循波利亚的建议:「如果你不能解决眼前的问题,试着从简单一点的问题着手:把这个问题找出来。」
各位除了可以从这本书的内容学到东西之外,应该也会从作者波利亚的生平事蹟,得到很多启示。
乔治‧波利亚(George Polya)于1887年12月13日生于匈牙利的布达佩斯。他出生时所取的名字是György Pólya,稍后才略去这些抑音符号。父亲是Jakab Pólya,母亲是Anna Deutsch。由于Jakab、Anna和他们的三个小孩(Jenő、Ilona和Flóra)于前一年放弃犹太教而改信天主教,所以乔治一出生就受洗为天主教徒。他们家的第五个小孩(László)则在四年后出生。
父亲Jakab在乔治出生的五年前,把姓氏从Pollák改成听起来比较像匈牙利文的Pólya,因为他认为,这样有助于他在大学里找到工作。他也的确谋得大学里的教职,但他不幸于1897年突然逝世,所以只在大学里服务了一段很短的时间。
小波利亚在中学时期,除了匈牙利文之外,还选读了希腊文、拉丁文与德文。有点意外的是,他当时对数学并不特别感兴趣,与他在文学、地理与其他科目的「杰出」表现相比,他在几何学方面的表现只能算是「及格」而已。在文学之外,生物学则是他最喜欢的科目。
他于1905年就读于布达佩斯大学(University of Budapest)法律系,不过,因为觉得很无聊,所以他很快就转系了。之后,他取得了教师证书,可以在高中教授拉丁文与匈牙利文;虽然他从来没有使用过这张教师证书,但这却是他一直引以为傲的一件事。他之所以最后会学习数学,是因为他的指导教授亚历桑德(Bernát Alexander)建议他,他应该选读一些数学与物理的课程,以帮助他在哲学上的学习。后来他曾自嘲说:「我的物理不行,哲学又太好──数学刚好在它们中间。」
波利亚在布达佩斯大学的物理老师是厄特沃什(Eötvös),数学老师是费耶(Fejér)。1910至1911学年度,他前往维也纳大学,受沃廷格(Wirtinger)和梅藤斯(Mertens)两位老师指导,随后回到布达佩斯,取得博士学位。随后的两年,他大都留在哥廷根;在那里,他结识了许多数学家,例如:克莱因(Klein)、卡拉泰奥多里(Caratheodory)、希尔伯特(Hilbert)、龙格(Runge)、兰道(Landau)、魏尔(Weyl)、库朗(Courant)和托普利茨(Toeplitz)。
接下来的1914年,他到巴黎访问研究,并与皮卡(Picard)与阿达玛(Hadamard)逐渐熟识,并得悉胡维兹(Adolf Hurwitz)帮他在苏黎士安排了一个工作机会。他接受了这个工作机会,并在稍后写到:「我之所以会到苏黎士,是为了能与胡维兹就近一起工作。从我于1914年抵达苏黎士,一直到他辞世〔1919年〕之前,有六年的时间,我们有紧密的合作关系。我对他印象非常深刻,并编辑他的许多作品。」
当然,就在此时发生了第一次世界大战。起初,这对波利亚没有很大的影响,因为早期的足球运动伤害,他已经申请免除从军,但是后来战情吃紧,需要更多的新兵加入战场,匈牙利政府曾要求他回国从军,为国而战。由于他强烈的和平主义观点,因此拒绝了政府的要求,结果导致他有一段很长的时间被禁止回国;事实上,他一直到1976年才再次回到匈牙利,距离他离开祖国,已经54年了。
在这段期间,他入了瑞士国籍,并在1918年和瑞士女孩韦伯(Stella Vera Weber)小姐结婚。在1918和1919这两年里,他发表了许多篇的数学论文,涵盖了许多不同的领域,例如:级数、数论、组合数学、投票表决系统、天文学,以及机率学等。他于1920年,升等为苏黎士的瑞士联邦理工学院(ETH)副教授。稍后几年,他与泽果(Gábor Szegó)共同出版了《分析中的问题与定理》(Problems and Theorems in Analysis),在亚历山德森(G. L. Alexanderson)和蓝格(L. H. Lange)悼念波利亚而写的传记中,把此书描述为「确立他们大师级地位的数学杰作」。
这本书于1925年问世。之后,波利亚得到洛克斐勒奖学金(Rockefeller Fellowship)并转往英国工作,在那里,他与哈地(G. H. Hardy)和李特伍德(J. E. Littlewood)共同合作,成果就是稍后出版的《不等式》(Inequalities,剑桥大学出版社1936年出版)。他利用第二次的洛克斐勒奖学金,于1933年前往普林斯顿大学访问,当他还在美国的时候,应布利区费尔德(H. F. Blichfeldt)之邀,也到史丹福大学访问;他非常喜爱史丹福,而史丹福最后也成了他的家。从1943年起,他获聘为史丹福大学的教授,一直到1953年退休为止,但他继续授课到1978年,开的最后一门课是组合数学。他于1985年9月7日逝世,享年97岁。
有些读者可能会希望知道波利亚在数学上的贡献。他大部分的贡献都与分析学有关,但都是非常专门的数学研究,不在数学领域里的社会大众,可能难以理解,不过,有些贡献还是值得在此一提。
在机率理论里,现在已经是公定用语的「中央极限定理」(Central Limit Theorem),就是波利亚的贡献。此外,他也证明出机率测度的傅立叶变换是一个特征函数,以及证明了在整数晶格中随机漫步(random walk)的机率接近1,若且唯若其维度的最大值为2。
在几何学上,波利亚独立地再次列举出17个平面结晶体群(crystallographic groups);首次完成这项工作的人是费多罗夫(E. S. Fedorov),但他的研究工作已经失传。波利亚还与尼格利(P. Niggli)合作,发展出这些结晶体群的记法。
在组合数学里,波利亚的计数定理(Enumeration Theorem)现在已经成为根据对称性来计数构形的标准方法。里德(R. C. Read)曾把这个方法描述成「一篇非凡论文中的一个非凡定理,也是组合分析(combinatorial analysis)历史上的重要里程碑」。
《怎样解题》是波利亚还在苏黎士的最后一年(1940年),以德文写成的。稍后,由于欧洲的情况,他被迫迁往美国。虽然事后证明这本书非常成功,但是在普林斯顿大学出版社于1945年出版它的英文版之前,曾遭到四家出版社的拒绝。透过普林斯顿大学出版社,《怎样解题》迅速且持续地成为有史以来最成功的数学书籍。
(本文作者为康威(John H. Conway),
英国数学家,美国普林斯顿大学冯诺伊曼数学讲座教授,生命游戏(game of life)发明人)
英文版初版序 大发现解决大问题,然而,并不是只有大发现才有存在的价值;每一个问题的解答,都需要有某个「发现」才行。你所面临的也许只是个小问题,但是如果它能引起你的好奇心,引发你的创造力,而且,如果你是用自己的方法来解决这个问题的,那么,你一样会经历到发现过程中的紧张情绪,以及享受到最后那份「胜利」的喜悦与兴奋。这一类的经验,也许会让年轻人培养出智性上的品味,甚至烙印在心里,成为陪伴终生的一种性格。
因此,数学老师也就掌握了大好良机。如果他(她)在教学过程中总是让学生不断做些机械性的计算,那无异于扼杀了学生的兴趣,阻碍了学生的智能发展,同时浪费了大好良机。但是,如果他(她)能够掌握良机,刺激学生的好奇心,能够因材「出题」,刺激学生思考,协助他们解决问题,如此一来,也许就能够让学生培养出独立思考的爱好,也学会独立思考的方法。
如果大专院校的学生选修的学科还包括数学的话,可以说他们掌握了一个独特的机会。然而,学生如果将数学单纯视为修满毕业学分所需的一门学科,只要通过期末测验就可以立刻把所学抛到脑后、忘得干干净净的话,那当然可说是坐失良机了。就算学生在数理上颇具天分,机会还是可能从指尖熘走,因为这些天赋异禀的学生也跟其他人一样,必须花点功夫探索自己的天分,培养自己的兴趣。想想看,如果没尝过覆盆子派,哪里会知道自己喜不喜欢呢?
然而,学生最后可能还是会发现,数学问题也许就像填字游戏一样好玩,他们还可能发现解数学题时的心智活动,也可以像一场势均力敌的网球赛一样让人向往。学生一旦尝过了数学的愉悦之处,就很难再忘记,而这样一来,数学就有机会在他们的生命中占有一席之地,成为他们的嗜好、未来从事专业工作时必需的工具、成为他们的专业,或幻化成他们的抱负。
笔者还记得自己的学生时代称得上是一个有理想、有抱负的有为青年,对于数学与物理相关知识,有强烈的求知慾。他上课听讲、也多方阅读,试图广纳老师所教以及书本上的知识,但是有个问题却一再困扰着他。「嗯,没错,这样解题似乎行得通,看起来是正确的答案,看起来也像是事实;但是这样的解或事实是怎么发现的?我要怎么样才能够创造这些?就算不能创造,至少能够自己发现这些解法?」
多年后的今天,笔者于大学任教,专门教授数学;他也希望自己的众多学生中,能有一些积极进取的学生提出雷同的问题,而他则尽量满足他们的好奇心。他不仅试图了解各种各样问题的解答,还希望能了解这些解答背后的动机和过程;他还试着解释这些动机和过程让他人了解,而这也是促成他完成这本书的原因。他希望本书能够为每一位想要培养学生自行解决问题能力的老师,提供一些实用的知识,也为那些想要发展自我解题能力的学生,提供实际的帮助。
尽管笔者主要是以数学系师生的需求为本书的关注点,但实际上对于每一个关心发明及发现方法的人,这本书应该都能挑起大家阅读的兴趣。而这样的人数量之多,可能完全出乎我们的意料,我们实在不应该未经思索就草率假设。填字游戏和各种猜谜游戏常见于报纸或杂志上,这情形似乎显示了人们也挺喜爱解答一些与日常生活不直接相关、不能带来任何物质利益的问题。如果深究这种解题的欲望,我们也许能够推测:人们内心深处应该是有更深切的好奇心,也急于了解问题解答的方法、动机及解题过程。
后面各章节可说刻意写得十分精确,但是尽量用浅显易懂的方式来写,尽管写得简单,仍然根据了长期而严谨的解题方法研究为基础。有些作者把这样的研究称为「启发法」(heuristic),这种研究现今已经不再流行,但是由来已久,也许未来还会再领风骚呢。
在研究解题方法的过程中,我们察觉到数学的另一面。是的,数学有两面,它不仅是严谨的欧几里得学,还具有其他面向。以欧几里得的方式所呈现的数学,看起来像是一门有系统的演绎科学;然而,发展中的数学,又像是一门实验的归纳科学。这两个观点,其实都跟数学本身的历史一样久远,不过,从某个角度来说,第二个观点显得比较新鲜一些,因为这种「创造数学的过程」,从来没有这样子呈现给学生、老师或社会大众。
「启发法」所涵盖的范围,可说是五花八门;数学家、逻辑学家、心理学家、教育学家,甚至哲学家,都能在其中找到属于他们的专精领域。笔者相当了解可能来自相反立场的批评,也很愿意承认自己所知有限,在此只想说明一件事:他自己有一些解题的经验,也有许多不同程度的数学授课经验。
笔者也正致力于另外一本书,希望能对启发法这门学问,作更进一步的探讨。
写于史丹福大学,1944年8月1日
第二版序 除了一些小修正之外,这一版主要新增了第四部「问题、提示与解答」。
就在本版即将付梓之际,一份由美国教育测验服务社(ETS)所做的研究适切地指出一些现象(参考1956年6月18日的《时代》杂志):「……数学很『光荣地』成为学校课程中,最不受欢迎的一个科目……未来的老师在小学里,学会怎么讨厌数学……长大之后,他们回到学校去,教导下一代该怎么讨厌数学。」对圈内人来说,这也许不是什么新鲜事,但的确是该让社会大众知道的时候了。
我希望本书的这一版,能够更为普及,也可以让某些读者了解到,学习数学,除了是为将来从事工程工作或学习科学知识预作准备之外,也可以是有趣的,还可以开启高阶心智活动的大门。
写于苏黎士,1956年6月30日