Основы математики - Foundations of mathematics

О книге Гильберта и Бернейса см. Grundlagen der Mathematik.

Основы математики это исследование философский и логично[1] и / или алгоритмический базис математика или, в более широком смысле, математическое исследование того, что лежит в основе философских теорий, касающихся природы математики.[2] В этом последнем смысле различие между основаниями математики и философия математики оказывается довольно расплывчатым.Основы математики можно представить как изучение основных математических понятий (множество, функция, геометрическая фигура, число и т. д.) и того, как они образуют иерархии более сложных структур и понятий, особенно фундаментально важных структуры, образующие язык математики (формулы, теории и их модели придание значения формулам, определениям, доказательствам, алгоритмам и т. д.), также называемые метаматематические концепции, с оглядкой на философские аспекты и единство математики. Поиск основ математики - центральный вопрос философии математики; абстрактная природа математических объектов ставит особые философские проблемы.

Основы математики в целом не нацелены на то, чтобы содержать основы каждой математической темы. основы области исследования относится к более или менее систематическому анализу его самых основных или фундаментальных концепций, его концептуального единства и его естественного упорядочения или иерархии понятий, которые могут помочь связать его с остальной частью человеческого знания. Развитие, возникновение и прояснение основ может происходить на поздних этапах истории области и не может рассматриваться всеми как наиболее интересная ее часть.

Математика всегда играла особую роль в научной мысли, с древних времен служа образцом истины и строгости для рационального исследования и давая инструменты или даже основу для других наук (особенно физики). Многие достижения математики в направлении высших абстракций в XIX веке принесли новые вызовы и парадоксы, побуждая к более глубокому и систематическому исследованию природы и критериев математической истины, а также к объединению различных разделов математики в единое целое.

Систематические поиски основ математики начались в конце XIX века и сформировали новую математическую дисциплину, получившую название математическая логика, который позже имел сильные связи с теоретическая информатика Он пережил серию кризисов с парадоксальными результатами, пока открытия не стабилизировались в течение 20-го века как большой и согласованный массив математических знаний с несколькими аспектами или компонентами (теория множеств, теория моделей, теория доказательств и т. д.), подробные свойства и возможные варианты которого все еще являются активной областью исследований. его высокий уровень технической сложности вдохновил многих философов на предположение, что он может служить моделью или шаблоном для основ других наук.

Исторический контекст

Смотрите также: История логики и История математики

Древнегреческая математика

Дальнейшая информация: Древнегреческая математика

Хотя математическая практика ранее развивалась и в других цивилизациях, особый интерес к ее теоретическим и основополагающим аспектам был явно очевиден в работах древних греков.

Ранние греческие философы спорили о том, что является более основным: арифметика или геометрия.Зенон Элейский (490 - ок. 430 г. до н.э.) породил четыре парадокса, которые, кажется, показывают невозможность изменения. В Пифагорейская школа математики изначально настаивал на существовании только натуральных и рациональных чисел. Открытие иррациональность из √2отношение диагонали квадрата к его стороне (примерно 5 век до н.э.) было для них шоком, который они с большой неохотой приняли. Несоответствие между рациональными числами и реальными числами было окончательно разрешено Евдокс Книдский (408–355 до н. Э.), Студент Платон, который свел сравнение иррациональных соотношений к сравнениям кратных (рациональных соотношений), тем самым предвосхитив определение действительных чисел Ричард Дедекинд (1831–1916).

в Последующая аналитика, Аристотель (384–322 гг. До н. Э.) аксиоматический метод для логической организации области знаний с помощью примитивных понятий, аксиом, постулатов, определений и теорем. Для этого Аристотель использовал большинство своих примеров из арифметики и геометрии. Евклид с Элементы (300 г. до н.э.), трактат по математике, структурированный с очень высокими стандартами строгости: Евклид оправдывает каждое предложение демонстрацией в виде цепочек силлогизмы (хотя они не всегда строго соответствуют аристотелевским шаблонам) Силлогистическая логика Аристотеля вместе с аксиоматическим методом, примером которого является евклидова теория. Элементы, признаны научными достижениями Древней Греции.

Платонизм как традиционная философия математики

Дальнейшая информация: Платонизм (математика)

Начиная с конца XIX века платонистский взгляд на математику стал распространенным среди практикующих математиков.

В концепции или, как сказали бы платоники, объекты математики абстрактны и далеки от повседневного восприятия: геометрические фигуры задуманы как идеалы, которые нужно отличать от эффективных рисунков и форм предметов, а числа не путать со счетом конкретных предметов. Их существование и природа представляют собой особые философские проблемы: чем математические объекты отличаются от их конкретного представления? Находятся ли они в их представлении, или в наших умах, или где-то еще? Как мы можем их узнать?

Древнегреческие философы очень серьезно относились к этим вопросам. Действительно, многие из их общих философских дискуссий велись с обширными ссылками на геометрию и арифметику. Платон (424/423 г. до н.э. - 348/347 г. до н.э.) настаивал на том, что математические объекты, как и другие платонические объекты, Идеи (формы или сущности), должны быть совершенно абстрактными и иметь отдельный, нематериальный вид существования в мире математических объектов, независимых от людей. Он считал, что истины об этих объектах также существуют независимо от человеческого разума, но обнаружил людьми. в Я нет Учитель Платона Сократ утверждает, что эту истину можно познать с помощью процесса, сродни восстановлению памяти.

Над воротами платоновской академии появилась известная надпись: «Не входи сюда никому, кто не разбирается в геометрии». Этим Платон выразил свое высокое мнение о геометрии. Он считал геометрию «первым важным элементом в обучении философов» из-за ее абстрактного характера.

Эта философия Платонический математический реализм разделяет много математиков. Можно утверждать, что платонизм каким-то образом является необходимым предположением, лежащим в основе любой математической работы.[3]

С этой точки зрения законы природы и законы математики имеют схожий статус, и эффективность перестает быть необоснованным. В основе лежат не наши аксиомы, а вполне реальный мир математических объектов.

Аристотель проанализировал и отверг эту точку зрения в своей Метафизика. Эти вопросы дают много топлива для философского анализа и дискуссий.

Средние века и ренессанс

На протяжении более 2000 лет «Элементы» Евклида служили совершенно прочной основой математики, поскольку ее методология рационального исследования направляла математиков, философов и ученых вплоть до XIX века.

В средние века возник спор об онтологическом статусе универсалий (платонических идей): Реализм утверждали свое существование независимо от восприятия; концептуализм утверждали свое существование только в уме; номинализм также отрицал, рассматривая универсалии только как имена совокупностей отдельных объектов (следуя более старым предположениям о том, что они являются словами "логотипы").

Рене Декарт опубликовано La Géométrie (1637), направленный на сведение геометрии к алгебре с помощью систем координат, придавая алгебре более фундаментальную роль (в то время как греки встраивали арифметику в геометрию, отождествляя целые числа с точками, расположенными на одной прямой). Книга Декарта стала известной после 1649 года и проложила путь к исчислению бесконечно малых.

Исаак Ньютон (1642–1727) в Англии и Лейбниц (1646–1716) в Германии независимо разработал исчисление бесконечно малых основанный на эвристических методах, очень эффективен, но не имеет строгих обоснований. Лейбниц даже продолжал явно описывать бесконечно малые числа как действительные бесконечно малые числа (близкие к нулю). Лейбниц также работал над формальной логикой, но большинство его работ по ней оставались неопубликованными до 1903 года.

Протестантский философ Джордж Беркли (1685–1753) в своей кампании против религиозных последствий ньютоновской механики написал памфлет об отсутствии рациональных оправданий исчисления бесконечно малых:[4] «Они не являются ни конечными величинами, ни величинами бесконечно малыми, ни тем не менее ничем. Разве мы не можем называть их призраками ушедших величин?»

Затем математика развивалась очень быстро и успешно в физических приложениях, но с небольшим вниманием к логическим основам.

19 век

в 19 век Математика становилась все более абстрактной. Опасения по поводу логических пробелов и несоответствий в различных областях привели к развитию аксиоматических систем.

Реальный анализ

Смотрите также: Математический анализ § История

Коши (1789–1857) начал проект по формулированию и доказательству теорем исчисление бесконечно малых строго, отвергая эвристический принцип общность алгебры использовались более ранними авторами. В его работе 1821 г. Cours d'Analyse он определяет бесконечно малые количества в терминах убывающих последовательностей, которые сходятся к 0, который он затем использовал для определения непрерывности. Но он не формализовал свое понятие конвергенции.

Современный (ε, δ) -определение предела и непрерывные функции был впервые разработан Больцано в 1817 г., но оставался относительно неизвестным. Он дает строгую основу исчисления бесконечно малых, основанного на наборе действительных чисел, возможно, разрешая парадоксы Зенона и аргументы Беркли.

Математики, такие как Карл Вейерштрасс (1815–1897) открыл патологические функции, такие как непрерывные, нигде не дифференцируемые функции. Предыдущие концепции функции как правила вычисления или гладкого графика больше не подходили. Вейерштрасс начал защищать арифметизация анализа, чтобы аксиоматизировать анализ, используя свойства натуральных чисел.

В 1858 г. Дедекинд предложил определение действительных чисел как порезы рациональных чисел. Это сокращение действительных чисел и непрерывных функций в терминах рациональных чисел и, следовательно, натуральных чисел, было позже интегрировано Кантор в его теории множеств и аксиоматизирован с точки зрения арифметика второго порядка Гильберта и Бернейса.

Теория групп

Смотрите также: История теории групп

Впервые были исследованы пределы математики. Нильс Хенрик Абель (1802–1829), норвежец и Эварист Галуа, (1811–1832) француз, исследовал решения различных полиномиальных уравнений и доказал, что не существует общего алгебраического решения уравнений степени выше четырех (Теорема Абеля – Руффини ). С помощью этих концепций Пьер Ванцель (1837) доказал, что линейка и компас сами по себе не могут разрезать произвольный угол ни удвоить куб. В 1882 г. Lindemann опираясь на работу Эрмит показал, что линейка и компас квадратура круга (построение квадрата равной площади данной окружности) также было невозможно, если доказать, что π это трансцендентное число. Математики тщетно пытались решить все эти проблемы еще со времен древних греков.

Работы Абеля и Галуа открыли путь для развития теория групп (который позже будет использован для изучения симметрия в физике и других областях), и абстрактная алгебра. Концепции векторные пространства возникла из концепции барицентрические координаты от Мебиус в 1827 году, к современному определению векторных пространств и линейных отображений Пеано в 1888 году. Геометрия больше не ограничивалась тремя измерениями. Эти концепции не обобщали числа, а объединяли понятия функций и множеств, которые еще не были формализованы, отрываясь от привычных математические объекты.

Неевклидовы геометрии

Смотрите также: Неевклидова геометрия § История

После многих неудачных попыток получить параллельный постулат от других аксиом, изучение все еще гипотетических гиперболическая геометрия от Иоганн Генрих Ламберт (1728–1777) привел его к введению гиперболические функции и вычислим площадь гиперболический треугольник (где сумма углов меньше 180 °). Тогда русский математик Николай Лобачевский (1792–1856) установил в 1826 г. (и опубликовал в 1829 г.) согласованность этой геометрии (таким образом, независимость параллельный постулат ), параллельно с венгерским математиком Янош Бойяи (1802–1860) в 1832 г., а с Гаусс Позднее, в 19 веке, немецкий математик Бернхард Риманн развитый Эллиптическая геометрия, еще один неевклидова геометрия где нет параллели и сумма углов в треугольнике больше 180 °. Это было доказано последовательным путем определения точки как пары противоположных точек на фиксированной сфере и прямой как обозначения точки. большой круг на сфере. В то время основным методом доказательства непротиворечивости набора аксиом было предоставление модель для этого.

Проективная геометрия

Одна из ловушек в дедуктивная система является круговое рассуждение, проблема, которая, казалось, случилась проективная геометрия пока он не был решен Карл фон Штаудт. Как поясняют российские историки:[5]

В середине девятнадцатого века между сторонниками синтетических и аналитических методов в проективной геометрии велись ожесточенные споры, обе стороны обвиняли друг друга в смешивании проективных и метрических концепций. Действительно, основная концепция, которая применяется в синтетическом представлении проективной геометрии, перекрестное соотношение четырех точек на линии, было введено с учетом длины интервалов.

Чисто геометрический подход фон Штаудта был основан на полный четырехугольник чтобы выразить отношение проективные гармонические сопряжения. Затем он создал средство выражения знакомых числовых свойств с помощью своего Алгебра бросков. Английские версии этого процесса вывода свойств поле можно найти в книге Освальд Веблен и Джон Янг, Проективная геометрия (1938), или совсем недавно в Джон Стиллвелл с Четыре столпа геометрии (2005). Стиллвелл пишет на странице 120

... проективная геометрия проще чем алгебра в определенном смысле, потому что мы используем только пять геометрических аксиом, чтобы вывести девять аксиом поля.

Алгебра бросков обычно рассматривается как функция перекрестных соотношений, поскольку студенты обычно полагаются на числа не беспокоясь об их основе. Однако в расчетах кросс-отношения используется метрика особенности геометрии, особенности, не допускаемые пуристами. Например, в 1961 г. Coxeter написал Введение в геометрию без упоминания о перекрестном соотношении.

Булева алгебра и логика

Попытки формального подхода к математике начались с Лейбница и Ламберт (1728–1777) и продолжил работы алгебраистов, таких как Джордж Пикок (1791–1858). Систематическое математическое рассмотрение логики пришло с британским математиком Джордж Буль (1847), который изобрел алгебру, которая вскоре превратилась в то, что сейчас называется Булева алгебра, в котором единственными числами были 0 и 1, а логические комбинации (конъюнкция, дизъюнкция, импликация и отрицание) - это операции, подобные сложению и умножению целых чисел. Дополнительно, Де Морган опубликовал свой законы в 1847 году. Таким образом, логика стала разделом математики. Булева алгебра является отправной точкой математической логики и имеет важные приложения в Информатика.

Чарльз Сандерс Пирс основанный на работе Буля по разработке логической системы для связи и кванторы, которую он опубликовал в нескольких статьях с 1870 по 1885 год.

Немецкий математик Готтлоб Фреге (1848–1925) представил независимое развитие логики с кванторами в своей Begriffsschrift (язык формул), опубликованный в 1879 году, труд, который обычно считается поворотным моментом в истории логики. Он выявил недостатки в аристотелевской Логика, и указал на три ожидаемых свойства математической теории[нужна цитата ]

  1. Последовательность: невозможность доказательства противоречивых утверждений.
  2. Полнота: любое утверждение либо доказуемо, либо опровергается (т.е. его отрицание доказуемо).
  3. Разрешимость: существует процедура принятия решения для проверки любого утверждения теории.

Затем он показал в Grundgesetze der Arithmetik (Основные законы арифметики) как формализовать арифметику в его новой логике.

Работа Фреге была популяризирована Бертран Рассел на рубеже веков. Но двумерная запись Фреге успеха не имела. Популярные обозначения были (x) для универсальных и (∃x) для экзистенциальных кванторов, происходящих из Джузеппе Пеано и Уильям Эрнест Джонсон пока символ ∀ не был введен Герхард Гентцен в 1935 году и стал каноническим в 1960-х годах.

С 1890 по 1905 год Эрнст Шредер опубликовано Vorlesungen über die Algebra der Logik в трех томах. Эта работа обобщила и расширила работу Буля, Де Моргана и Пирса и была исчерпывающей ссылкой на символическая логика как это понималось в конце 19 века.

Арифметика Пеано

Основная статья: Арифметика Пеано

Формализация арифметика (теория натуральные числа ) как аксиоматическая теория началась с Пирса в 1881 году и продолжилась Ричард Дедекинд и Джузеппе Пеано в 1888 году. второго порядка аксиоматизация (выражение индукции в терминах произвольных подмножеств, таким образом, с неявным использованием теория множеств ) что касается выражения теорий в логика первого порядка еще не были поняты. В работе Дедекинда этот подход проявляется как полная характеристика натуральных чисел и предоставление рекурсивных определений сложения и умножения из функция преемника и математическая индукция.

Основополагающий кризис

В фундаментальный кризис математики (в Немецкий Grundlagenkrise der Mathematik) был термином начала 20 века для поиска правильных основ математики.

Несколько школ философия математики столкнулись с трудностями одна за другой в ХХ веке, поскольку предположение, что математика имеет какое-либо основание, которое может быть последовательно заявленное в самой математике, было сильно затруднено открытием различных парадоксы (такие как Парадокс Рассела ).

Название "парадокс" не следует путать с противоречие. А противоречие в формальной теории - это формальное доказательство абсурдности внутри теории (например, 2 + 2 = 5), показывая, что эта теория непоследовательный и должен быть отклонен. Но парадокс может быть либо неожиданным, но истинным результатом данной формальной теории, либо неформальным аргументом, приводящим к противоречию, так что теория-кандидат, если она должна быть формализована, должна не допускать по крайней мере одного из своих шагов; в этом случае проблема состоит в том, чтобы найти удовлетворительную теорию без противоречий. Оба значения могут применяться, если формализованная версия аргумента является доказательством удивительной истины. Например, парадокс Рассела можно выразить как «не существует множества всех множеств» (за исключением некоторых маргинальных аксиоматических теорий множеств).

Различные школы мысли противостояли друг другу. Ведущей школой была школа формалист подход, из которых Дэвид Гильберт был самым выдающимся сторонником, кульминацией чего стало то, что известно как Программа Гильберта, который полагал, что математика основывается на небольшой основе логической системы, оказалось правильным метаматематический финитистический означает. Основным противником был интуиционист школа, возглавляемая Л. Э. Дж. Брауэр, которая решительно отбросила формализм как бессмысленную игру с символами.[6] Бой был ожесточенным. В 1920 году Гильберту удалось исключить Брауэра, которого он считал угрозой для математики, из редакционной коллегии журнала. Mathematische Annalen, ведущий математический журнал того времени.

Философские взгляды

Основная статья: Философия математики

В начале 20 века противостояли друг другу три философские школы математики: формализм, интуиционизм и логицизм. В Вторая конференция по эпистемологии точных наук проведенный в Кенигсберг в 1930 году уступил место этим трем школам.

Формализм

Основная статья: Формализм (математика)

Утверждалось, что формалисты, такие как Дэвид Гильберт (1862–1943) считают, что математика - это всего лишь язык и серия игр. В самом деле, он использовал слова «игра по формулам» в своем ответе на Л. Э. Дж. Брауэр критика:

И насколько успешной стала игра формул? Эта игра с формулами позволяет нам единообразно выразить все мыслительное содержание математической науки и развить его таким образом, чтобы в то же время прояснялись взаимосвязи между отдельными предложениями и фактами ... игра, которую так осуждает Брауэр, помимо математической ценности имеет важное общефилософское значение. Для этой формулы игра проводится по определенным определенным правилам, в которых техника нашего мышления выражается. Эти правила образуют замкнутую систему, которую можно обнаружить и окончательно сформулировать.[7]

Таким образом, Гильберт настаивает на том, что математика не произвольный игра с произвольный правила; скорее, он должен согласовываться с тем, как происходит наше мышление, а затем и наша речь и письмо.[7]

Мы не говорим здесь о произволе ни в каком смысле. Математика не похожа на игру, задачи которой определяются произвольно установленными правилами. Скорее, это концептуальная система, обладающая внутренней необходимостью, которая может быть только такой, а никак иначе.[8]

Основополагающая философия формализма на примере Дэвид Гильберт, это ответ на парадоксы теория множеств, и основан на формальная логика. Практически все математические теоремы сегодня могут быть сформулированы как теоремы теории множеств. Истинность математического утверждения, с этой точки зрения, представлена ​​тем фактом, что утверждение может быть выведено из аксиомы теории множеств используя правила формальной логики.

Само по себе использование формализма не объясняет нескольких вопросов: почему мы должны использовать те аксиомы, которые мы используем, а не какие-то другие, почему мы должны использовать те логические правила, которые мы используем, а не какие-то другие, почему мы делаем «истинные» математические утверждения (например, законы арифметики ) кажутся правдой и т. д. Герман Вейль задаст Гильберту эти самые вопросы:

Какую «истину» или объективность можно приписать этой теоретической конструкции мира, выходящей далеко за рамки данного, - это глубокая философская проблема. Это тесно связано с дальнейшим вопросом: что побуждает нас взять за основу именно конкретную систему аксиом, разработанную Гильбертом? Последовательность - действительно необходимое, но не достаточное условие. Пока, наверное, мы не можем ответить на этот вопрос ...[9]

В некоторых случаях на эти вопросы можно получить достаточный ответ, изучив формальные теории в таких дисциплинах, как обратная математика и теория сложности вычислений. Как отмечает Вейль, формальные логические системы также рискуют непоследовательность; в Арифметика Пеано, это, возможно, уже было решено несколькими доказательствами последовательность, но ведутся споры о том, достаточно ли они финишный быть значимым. Вторая теорема Гёделя о неполноте устанавливает, что логические системы арифметики никогда не могут содержать собственное достоверное доказательство последовательность. Гильберт хотел доказать логическую систему. S был последовательным, основанным на принципах п это составляло лишь небольшую часть S. Но Гёдель доказал, что принципы п не мог даже доказать п быть последовательным, не говоря уже о S.

Интуиционизм

Основные статьи: Интуиционизм и Конструктивизм (математика)

Интуиционисты, такие как Л. Э. Дж. Брауэр (1882–1966), считали, что математика - порождение человеческого разума. Числа, как и сказочные персонажи, - всего лишь ментальные сущности, которых не существовало бы, если бы не существовало человеческих умов, которые бы о них думали.

Основополагающая философия интуиционизм или конструктивизм, как крайний пример Брауэр и Стивен Клини, требует, чтобы доказательства были «конструктивными» по своей природе - существование объекта должно быть продемонстрировано, а не выведено из демонстрации невозможности его несуществования. Например, как следствие этого форма доказательства, известная как сокращение до абсурда подозревается.

Некоторые современные теории в философии математики отрицают существование основ в первоначальном смысле. Некоторые теории, как правило, сосредотачиваются на математическая практика, и стремиться описать и проанализировать фактическую работу математиков как социальная группа. Другие пытаются создать когнитивная наука математика, сосредоточив внимание на человеческом познании как источнике надежности математики в применении к реальному миру. Эти теории предполагают найти основы только в человеческой мысли, а не в какой-либо объективной внешней конструкции. Вопрос остается спорным.

Логика

Основная статья: Логика

Логика это школа мысли и исследовательская программа по философии математики, основанная на тезисе о том, что математика является расширением логики или что часть или вся математика может быть получена в подходящей формальной системе, аксиомы и правила вывода которой: логичный по своей природе. Бертран Рассел и Альфред Норт Уайтхед отстаивал эту теорию, инициированную Готтлоб Фреге и под влиянием Ричард Дедекинд.

Теоретико-множественный платонизм

Основная статья: Теоретико-множественный платонизм

Многие исследователи в аксиоматическая теория множеств подписались на так называемые теоретико-множественные Платонизм, на примере Курт Гёдель.

Несколько теоретиков множеств следовали этому подходу и активно искали аксиомы, которые можно было бы считать верными по эвристическим причинам и которые могли бы решить гипотеза континуума. Много большой кардинал аксиомы изучались, но гипотеза всегда оставалась независимый от них, и теперь считается маловероятным, что CH может быть разрешено с помощью новой большой кардинальной аксиомы. Были рассмотрены другие типы аксиом, но ни одна из них еще не достигла консенсуса по гипотезе континуума. Недавние работы Hamkins предлагает более гибкую альтернативу: теоретико-множественное мультивселенная обеспечение свободного перехода между теоретико-множественными вселенными, удовлетворяющими гипотезе континуума, и другими вселенными, которые не удовлетворяют.

Аргумент незаменимости реализма

Этот аргумент от Уиллард Куайн и Хилари Патнэм говорит (короче Патнэма),

... количественная оценка математических сущностей незаменим для науки ...; поэтому мы должны принять такую ​​количественную оценку; но это заставляет нас признать существование рассматриваемых математических сущностей.

Однако Патнэм не был платоником.

Грубый реализм

Немногие математики обычно ежедневно озабочены вопросами логицизма, формализма или любой другой философской позиции. Напротив, их основная забота состоит в том, чтобы математическое предприятие в целом всегда оставалось продуктивным. Как правило, они считают, что для этого необходимо оставаться непредубежденными, практичными и занятыми; как потенциально опасный из-за чрезмерной идеологии, фанатично редукционизма или лени.

Такую точку зрения высказывали и некоторые известные физики.

Например, лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман сказал

Люди говорят мне: «Ты ищешь основные законы физики?» Нет, я не ... Если окажется, что существует простой окончательный закон, который все объясняет, пусть будет так - это было бы очень приятно открыть. Если окажется, что это луковица с миллионами слоев ... значит, так оно и есть. Но в любом случае есть Природа, и она выйдет такой, какая Она есть. Поэтому, когда мы идем исследовать, мы не должны заранее определять, что именно мы ищем, только для того, чтобы узнать больше об этом.[10]

И Стивен Вайнберг:[11]

Понимания философов иногда приносили пользу физикам, но, как правило, отрицательно - защищая их от предубеждений других философов. ... без руководства, основанного на наших предубеждениях, вообще ничего нельзя было бы сделать. Просто философские принципы обычно не дают нам правильных предубеждений.

Вайнберг считал, что любую неразрешимость в математике, такую ​​как гипотеза континуума, потенциально можно разрешить, несмотря на теорему о неполноте, путем нахождения подходящих дополнительных аксиом для добавления в теорию множеств.

Философские следствия теоремы Гёделя о полноте

Основная статья: Теорема Гёделя о полноте

Теорема Гёделя о полноте устанавливает в логике первого порядка эквивалентность между формальной доказуемостью формулы и ее истинностью во всех возможных моделях. Точнее, для любой непротиворечивой теории первого порядка он дает «явное построение» модели, описываемой теорией; эта модель будет счетной, если язык теории счетный. Однако эта «явная конструкция» не является алгоритмической. Он основан на итеративном процессе завершения теории, где каждый шаг итерации заключается в добавлении формулы к аксиомам, если это поддерживает согласованность теории; но этот вопрос о непротиворечивости является лишь полуразрешимым (имеется алгоритм, позволяющий найти любое противоречие, но если его нет, этот факт согласованности может остаться недоказуемым).

Это можно рассматривать как своего рода оправдание платонической точки зрения, согласно которой объекты наших математических теорий реальны. Точнее, он показывает, что простого предположения о существовании множества натуральных чисел как целостности (актуальной бесконечности) достаточно, чтобы подразумевать существование модели (мира объектов) любой непротиворечивой теории. Однако остается несколько трудностей:

  • Для любой непротиворечивой теории это обычно дает не только один мир объектов, но бесконечное количество возможных миров, которые теория может в равной степени описать, с возможным разнообразием истин между ними.
  • В случае теории множеств ни одна из моделей, полученных с помощью этой конструкции, не похожа на предполагаемую модель, поскольку они счетны, в то время как теория множеств намеревается описывать бесчисленные бесконечности. Подобные замечания можно сделать и во многих других случаях. Например, с теориями, включающими арифметику, такие конструкции обычно дают модели, которые включают нестандартные числа, если только метод построения не был специально разработан, чтобы их избежать.
  • Поскольку он дает модели для всех непротиворечивых теорий без различия, он не дает оснований принимать или отвергать какую-либо аксиому, пока теория остается непротиворечивой, но рассматривает все непротиворечивые аксиоматические теории как относящиеся к равно существующим мирам. Он не указывает на то, какую аксиоматическую систему следует предпочесть в качестве основы математики.
  • Поскольку утверждения о непротиворечивости обычно недоказуемы, они остаются вопросом убеждений или нестрогих оправданий. Следовательно, существование моделей, заданных теоремой о полноте, фактически требует двух философских допущений: действительной бесконечности натуральных чисел и непротиворечивости теории.

Другое следствие теоремы о полноте состоит в том, что она оправдывает концепцию бесконечно малых как актуальных бесконечно малых ненулевых величин, основанную на существовании нестандартных моделей, столь же законных, как и стандартные. Эта идея была формализована Авраам Робинсон в теорию нестандартный анализ.

Еще парадоксы

Смотрите также: Список операторов, независимых от ZFC и Список парадоксов
  • 1920: Торальф Сколем исправлено Леопольд Левенхайм доказательство того, что сейчас называется вниз теорема Левенгейма – Сколема, что приводит к Парадокс Сколема обсуждалось в 1922 году, а именно существование счетных моделей ZF, что делает бесконечные мощности относительным свойством.
  • 1922: Доказательство Авраам Френкель что аксиома выбора нельзя доказать из аксиом Теория множеств Цермело с урэлементы.
  • 1931: Издание Теоремы Гёделя о неполноте, показывая, что существенные аспекты программы Гильберта не могут быть достигнуты. Он показал, как построить для любой достаточно мощной и непротиворечивой рекурсивно аксиоматизируемой системы, необходимой для аксиоматизации элементарной теории арифметика о (бесконечном) множестве натуральных чисел - утверждение, формально выражающее его собственную недоказуемость, которую он затем доказал эквивалентной утверждению о непротиворечивости теории; так что (при условии, что согласованность истинна), система недостаточно мощна для доказательства собственной согласованности, не говоря уже о том, что более простая система могла бы выполнять эту работу. Таким образом, стало ясно, что понятие математической истины не может быть полностью определено и сведено к чисто формальная система как предусмотрено в программе Гильберта. Это нанесло последний удар по сердцу программы Гильберта, надежде, что согласованность может быть достигнута с помощью финитистических средств (никогда не было ясно, какие аксиомы являются «конечными», но какая бы аксиоматическая система ни упоминалась, это была «более слабая» система, чем система, непротиворечивость которой предполагалось доказать).
  • 1936: Альфред Тарский доказал его теорема о неопределенности истины.
  • 1936: Алан Тьюринг доказал, что общий алгоритм решения проблема остановки для всех возможных пар программа-ввод не может существовать.
  • 1938: Гёдель доказал непротиворечивость аксиомы выбора и гипотезы обобщенного континуума.
  • 1936–1937: Церковь Алонсо и Алан Тьюринг, соответственно, опубликованы независимые статьи, показывающие, что общее решение Entscheidungsproblem невозможно: универсальная достоверность утверждений в логике первого порядка не разрешима (это только полуразрешимый как дано теорема полноты ).
  • 1955: Петр Новиков показал, что существует конечно определенная группа G такая, что проблема слов для G неразрешима.
  • 1963: Пол Коэн показал, что гипотеза континуума недоказуема из ZFC. Доказательство Коэна развило метод принуждение, который сейчас является важным инструментом для создания независимость приводит к теории множеств.
  • 1964: Вдохновленный фундаментальной случайностью в физике, Григорий Чайтин начинает публиковать результаты по алгоритмической теории информации (измерение неполноты и случайности в математике).[12]
  • 1966: Пол Коэн показал, что аксиома выбора недоказуема в ZF даже без урэлементы.
  • 1970: Десятая проблема Гильберта оказывается неразрешимым: не существует рекурсивного решения для определения того, является ли Диофантово уравнение (многочленное полиномиальное уравнение) имеет решение в целых числах.
  • 1971: Проблема суслина доказана независимость от ZFC.

Частичное разрешение кризиса

Начиная с 1935 г. Бурбаки Группа французских математиков начала издавать серию книг, чтобы формализовать многие области математики на новом основании теории множеств.

Интуиционистская школа не привлекала многих приверженцев, и только после этого Епископ работа 1967 г. конструктивная математика был поставлен на более прочную основу.[13]

Можно считать, что Программа Гильберта частично завершена, так что кризис, по сути, разрешен, и мы удовлетворяем себя более низкими требованиями, чем первоначальные амбиции Гильберта. Его амбиции были выражены в то время, когда ничего не было ясным: не было ясно, может ли математика вообще иметь строгий фундамент.

Существует много возможных вариантов теории множеств, которые различаются по степени согласованности, где более сильные версии (постулирующие более высокие типы бесконечностей) содержат формальные доказательства согласованности более слабых версий, но ни один из них не содержит формальных доказательств собственной согласованности. Таким образом, единственное, чего у нас нет, - это формального доказательства непротиворечивости любой версии теории множеств, которую мы можем предпочесть, например ZF.

На практике большинство математиков либо не работают с аксиоматическими системами, либо, если они это делают, не сомневаются в согласованности ZFC, как правило, их предпочтительная аксиоматическая система. В большинстве случаев математики в том виде, в каком она практикуется, неполнота и парадоксы лежащих в ее основе формальных теорий никогда не играли роли, и в тех областях, в которых они участвуют или попытки формализации которых сопряжены с риском формирования противоречивых теорий (таких как логика и категория теория), к ним можно относиться осторожно.

Развитие теория категорий в середине 20-го века показали полезность теорий множеств, гарантирующих существование более крупных классов, чем ZFC, таких как Теория множеств фон Неймана – Бернейса – Гёделя. или Теория множеств Тарского – Гротендика, хотя во многих случаях использование больших кардинальных аксиом или вселенных Гротендика формально невозможно.

Одна цель обратная математика Программа состоит в том, чтобы определить, существуют ли области «основной математики», в которых фундаментальные проблемы могут снова спровоцировать кризис.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Иоахим Ламбек (2007), «Основы математики», Encyc. Британика
  2. ^ Леон Хорстен (2007, ред. 2012), "Философия математики" СЕН
  3. ^ Карлис Подниекс, Платонизм, интуиция и природа математики: 1. Платонизм - философия работающих математиков.
  4. ^ Аналитик, Беседа, адресованная неверному математику
  5. ^ Лаптев, Б. И Б.А. Розенфельд (1996) Математика XIX века: геометрия, стр. 40, Биркхойзер ISBN  3-7643-5048-2
  6. ^ ван Дален Д. (2008), «Брауэр, Луитцен Эгбертус Ян (1881–1966)», в Biografisch Woordenboek van Nederland. URL:http://www.inghist.nl/Onderzoek/Projecten/BWN/lemmata/bwn2/brouwerle [2008-03-13]
  7. ^ а б Гильберт 1927 Основы математики в Ван Хейенорте 1967: 475
  8. ^ п. 14 в Hilbert, D. (1919–20), Natur und Mathematisches Erkennen: Vorlesungen, gehalten 1919–1920 в Геттингене. Nach der Ausarbeitung von Paul Bernays (Отредактировано и с английским введением Дэвида Э. Роу), Базель, Биркхаузер (1992).
  9. ^ Вейль 1927 Комментарии к второй лекции Гильберта об основах математики в van Heijenoort 1967: 484. Хотя интуиционист Вейль полагал, что «взгляд Гильберта» в конечном итоге возобладает, это принесет значительную потерю философии:Я вижу в этом решительное поражение философской позиции чистой феноменологии., что, таким образом, оказывается недостаточным для понимания творческой науки даже в области познания, которая наиболее первична и наиболее открыта для доказательств - математике »(там же).
  10. ^ Ричард Фейнман, Удовольствие узнавать вещи п. 23
  11. ^ Стивен Вайнберг, глава Против философии написал, в Мечты о последней теории
  12. ^ Чайтин Григорий (2006), "Пределы разума" (PDF), Scientific American, 294 (3): 74–81, Bibcode:2006SciAm.294c..74C, Дои:10.1038 / scientificamerican0306-74, PMID  16502614, заархивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-04, получено 2016-02-22
  13. ^ Андрей Бауэр (2017), «Пять этапов принятия конструктивной математики», Бык. Амер. Математика. Soc., 54 (3): 485, Дои:10.1090 / бык / 1556

использованная литература

  • Авигад, Джереми (2003) Теория чисел и элементарная арифметика, Philosophia Mathematica Vol. 11. С. 257–284.
  • Евс, Ховард (1990), Основы и фундаментальные понятия математики Третье издание, Dover Publications, INC, Mineola NY, ISBN  0-486-69609-X (pbk.) ср. §9.5 «Философия математики», стр. 266–271. Евс перечисляет все три с краткими описаниями, которым предшествует краткое введение.
  • Гудман, Н. (1979), "Математика как объективная наука ", в Tymoczko (изд., 1986).
  • Харт, W.D. (изд., 1996), Философия математики, Oxford University Press, Оксфорд, Великобритания.
  • Херш, Р. (1979), «Некоторые предложения по возрождению философии математики», в (Tymoczko 1986).
  • Гильберт, Д. (1922), "Neubegründung der Mathematik. Erste Mitteilung", Hamburger Mathematische Seminarabhandlungen 1, 157–177. Перевод "Новое основание математики. Первый отчет" в (Mancosu 1998).
  • Кац, Роберт (1964), Аксиоматический анализ, Д. К. Хит и компания.
  • Клини, Стивен С. (1991) [1952]. Введение в мета-математику (Десятое впечатление, изд. 1991 г.). Амстердам, штат Нью-Йорк: паб Северной Голландии. Co. ISBN  0-7204-2103-9.
В главе III Критика математических рассуждений, §11. Парадоксы, Клини обсуждает Интуиционизм и Формализм глубоко. На протяжении всей остальной части книги он рассматривает и сравнивает как формалистскую (классическую), так и интуиционистскую логику с упором на первую. Необыкновенный труд выдающегося математика.
  • Манкосу П. (изд., 1998 г.), От Гильберта до Брауэра. Дебаты об основах математики в 1920-е гг., Oxford University Press, Оксфорд, Великобритания.
  • Патнэм, Хилари (1967), «Математика без оснований», Журнал Философии 64/1, 5–22. Перепечатано, стр. 168–184 в W.D. Hart (ed., 1996).
  • - «Что такое математическая истина?», В Тимочко (изд., 1986).
  • Судак, Оливье (апрель 2001 г.). «Теорема о простых числах PRA-доказуема». Теоретическая информатика. 257 (1–2): 185–239. Дои:10.1016 / S0304-3975 (00) 00116-X.
  • Троэльстра, А.С. (без даты, но позже 1990 г.), «История конструктивизма ХХ века», Подробный обзор для специалистов: §1 Введение, §2 Финитизм и §2.2 Актуализм, §3 Предикативизм и полуинтуиционизм, §4 Брауверианский интуиционизм, §5 Интуиционистская логика и арифметика, §6 Интуиционистский анализ и более сильные теории, §7 Конструктивный Рекурсивная математика, § 8 Конструктивизм Бишопа, § 9 Заключительные замечания. Примерно 80 ссылок.
  • Тимочко, Т. (1986), «Сложные основы», у Тимочко (изд., 1986).
  • -, (ред., 1986), Новые направления в философии математики, 1986. Исправленное издание, 1998 г.
  • ван Дален Д. (2008), «Брауэр, Луитцен Эгбертус Ян (1881–1966)», в Biografisch Woordenboek van Nederland. URL:http://www.inghist.nl/Onderzoek/Projecten/BWN/lemmata/bwn2/brouwerle [2008-03-13]
  • Вейль, Х. (1921), "Uber die neue Grundlagenkrise der Mathematik", Mathematische Zeitschrift 10, 39–79. Перевод "О новом фундаментальном кризисе математики" в (Mancosu 1998).
  • Уайлдер, Раймонд Л. (1952), Введение в основы математики, Джон Уайли и сыновья, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.

внешняя ссылка