“定理”是不是隻有數學領域才有?

博士大叔愛讀書


凡是可以判斷正誤的陳述句稱之為命題(proposition),例如“3比2大”,“兩條邊相等的三角形是兩底角也相等”,“英國的首都是倫敦”都是命題,並且判斷為正確,“平面上三角形內角和是170度”,就是一句判斷為錯誤的命題。

而“身高超過175算是高個子”就不是命題,因為這句話的正誤對不同人而言是不一樣的,“明早8點取一下快遞”就更不是命題了。

正確的命題裡面又區分為公理(axiom),公設(postulate),定理(theorem),定律(law),定則(rule)和原理(principal)。這幾個概念的含義是不一樣的。

公理指的是大家都認為是正確,但是卻又無法利用已有的結論來證明出的命題,例如“1+1=2”,“兩點之間直線最短”等等(當然,隨著數學不斷地深入發展,上面說的這兩個公理也是可以被其它更基礎的公理所證明的,但我們這裡暫時不談)。

公設指的是大家不知道它是不是正確的,但是為了研究需要,我們就假定它是正確的這樣的命題。比如大名鼎鼎的歐幾里得第五公設:“若兩條直線被一直線截得的一組同側內角之和小於二直角,則適當延長這兩條直線,必在和小於二直角的一側相交”。而經濟學上公社用的更是廣泛,比如最著名的理性人假說(雖然叫假說,但實質是公設):所有人都是理性的。即在面對同一個問題不同解決方案時,一定會選擇那個使自己收益最大的方案。

定理指的是利用已知結論,通過邏輯推導得到的結論。數學上除了公理外,所有的定理都是這麼來的。定理又分為三種,引理(Lemma),定理(Theorem)和推論(Corollary),這三種命題之間沒有嚴格的劃分,一般來說,用途較多,重要性較高的稱之為定理,證明一個重要性較高的定理所需要的不太重要的定理稱之為引理,由重要性較高的定理直接推導出來的定理稱為推論。比如高等數學裡面利用費馬定理來推拉格朗日中值定理,費馬定理就可以稱為一個小的引理。

定律指的是人們通過對大自然或實驗進行觀察,所得到的一般規律。它不是用已有結論邏輯推導出來的,而是歸納總結出來的。例如開普勒三定律,它不是經過推理得到的,而是經過對大量天體與行星的運動的觀察,發現他們都遵循一個普遍的規律,於是總結出來開普勒三定律。再比如牛頓運動三定律,萬有引力定律等等。都是經過觀察或做實驗直得到的。定律在物理學上出現的比較多。

定則是人為規定的一種法則。比如計算向量叉乘的右手定則,食指指向被乘向量,中指指向乘向量,那麼我們就規定大拇指指的就是結果向量的方向。當然人們規定這些法則不是盲目規定,而是根據自然界中的物理現象來規定的。

原理有點類似於定律,它與定律之間的界限也不是很清晰,甚至還有一些原理有點類似於定理,因此它是上面所有概念中最模糊的一個。它有時候指依賴自然觀察得到的規律,比如勒夏特列原理;有時候也只經過邏輯推導,比如說測不準原理。

通過上述分析我們發現,一個理科學科裡面都有可能包含上面所有的內容,而定理,當然不是隻有數學中才有。定理的產生靠的是邏輯推導,而數學就是邏輯推導的工具。因此,但凡以數學為研究工具的學科裡邊,肯定都包含大量定理。比如物理學和經濟學,尤其以經濟學最多,比如經濟學上做比較靜態研究,即研究一個經濟過程中參數的變化對最優經濟產出結果的影響,最常用的工具——包絡定理


數學救火隊長


好問題,如果讀艾薩克·牛頓的《自然哲學的數學原理》的目錄,會發現有太多的——

定義、定律、推論、命題、問題、定理、引理、假設、規則、現象、附註。

——都是形式邏輯框架下的專業術語,具有非常嚴密的義理結構。這樣的科學著作與思維方式與我們國學思維是風馬牛不相及的。

▲這樣的行文格局,會讓國人感到匪夷所思。

▲JUDGE AND REASON(斷後證),是科學精神的座右銘。只要有斷言或主張,就得有必要的理據與充分的證據,絕不可以想當然莫須有。

英國的基礎教育體系,非常重視邏輯思維與數學思維,《邏輯》課程是小學階段的必修課。難怪英國是科學強國、數理強國。

定理在邏輯思維體系中的位置

就實證主義語境而言,邏輯思維體系可以有下面的四個子系統,定理屬於一種邏輯依據。

實證主義的思維體系總表

① 認知主張:命題·問題·課題·主題

當人們有了認知動機,就會以“命題·問題·課題·主題”四種方式提出自己的主張。

② 客觀依據:現象·效應·事件·數據

為了求證與驗證某主張,首先尋求諸如“現象·效應·事件·數據”等客觀依據,作為例證。

③ 邏輯依據:公理·公設·定義·定理

例證因有感性干擾而不可靠,需要先判斷是否滿足起碼的“公理·公設·定義·定理”。

④ 物理依據:原理·機制·法則·定律

滿足邏輯依據,未必可靠。最終還要看是否滿足“原理·機制·法則·定律”等物理依據。

定理的意思

●定理,是理論上對特定參量關係的依據,是邏輯操作必須遵守的規則,英文的theorum,=theory(理論/學說)+um(事項)。例如:

基於平面三角形的內角和定理,可以計算平面多邊形的內角和。

基於畢達哥拉斯定理a²+b²=c²,推出直角三角函數的定義與關係:sinA=a/c,cosA=b/c,tgA=a/b,sinA=cosB,sin²A+cos²A=1

基於動能定理Ek=½mv²,可寫出熱力學第一定律與溫度的定義T=mv²/3k。

基於動量定理p=mv,可以寫出動量守恆與轉換定律:△Σp=0。

邏輯依據:公理·公設·定義·定理

定理、公理、定義、公設——這四個術語之間的關係比較密切。其中,定理不再解釋。

●公理,是若干定理所依據的總定理,公理是定理的定理。例如,基於“不共線三點確定一個平面”之公理,進而有平面三角形之定義,進而有平面三角形內角和之定理。

英文axiom, =axis(軸)+om(事項),字面意思:公理是處於軸心地位的定理。

●定義,是對概念的外延(或結構性)與內涵(功能性)的預設。定義是公理與定理的邏輯基礎。

英文定義definition,=de(下來)+fin(限定)+ ition(事項),即:在特定範圍所規定的意思。

凳子(的定義),是有四條腿一塊板(外延/結構)用來就坐(內涵/功能)的傢俱。

參量(的定義),是以參照系為測量基準(外延)用來構建解析方程(內涵)的變量。

溫度(的定義),是實介質量子的平均動能(外延/結構)所規定的絕對溫標(內涵/功能)。

●公設,是在特定範圍內基於大量具體事實歸納出來的抽象性設定。有時,公設≈公理。

英文公設postulate,=post(後援/支撐)+ulate (相關的),即:支撐若干定理的定義或規定。

公設,通常特指數學公設,尤其是幾何公設。但是,根據公設的定義,其它學科也有公設。

數學公設如:直線(公設)是兩點之間最短連線。距離是兩點之間的直線長度。

物理公設如:質點(公設)是比參照系遠的多或小的多的物系可看成沒有體積的點。

化學公設如:摩爾質量(公設)是基於阿伏伽德羅常數之粒子個數所對應的質量[kg/mol]。

物理依據:原理·機制·定律·法則

定理,歸根結底,來自物理科學原理,來自人類對客觀世界的科學發現或正確認知。

●原理,是對特定物質的基本存在形式與共有運動方式的解釋,是基本科學發現。英文原理principle, =prin(primary基本)+ciple(把持),字面意思:原理是基本原則。

解釋,是理性與本性(自然性)之間的對應關係。解釋方式:映射、拓撲、函數、方程,是可靠的。否則,就可能缺乏說服力與執行力。

常用基本原理,如:槓桿原理、超對稱原理、最近原理、最小作用量原理、濃度擴散原理、泡利不相容原理、同斥異吸原理、人擇原理、社會節約勞動原理。

●機制,即機動性工作制度,也叫工作原理。機制涉及因果鏈、過程鏈、發生鏈。

重要機制如:光的發生機制、波的傳播機制、希格斯機制、電磁感應機制、光電效應機制。

工作原理如:計算機工作原理、電冰箱工作原理、光電管工作原理、霍爾元件工作原理、二極管單向導電原理、原電池工作原理。

●定律,是適用範圍較窄的原理。

例如,牛頓三定律、萬有引力定律、庫侖定律、法拉第電磁感應定律、楞次定律、質量守恆定律、能量守恆定律。

●法則,顧名思義,是方法論上的基本規則。分為自然法則、社會法則、思維法則。

自然法則,如:適者生存法則、優勝劣汰法則、食物鏈法則、新陳代謝法則、拉格朗日平衡點法則、氧化還原法則。

社會法則,如:協作共贏法則、市場力法則、盈虧平衡點法則、社會契約法則、設身處地法則、因地制宜法則、因勢利導法則。

思維法則,如:邏輯思維法則、對立統一法則、伯努利大數法則、實事求是法則、超對稱思維法則、色空亦空法則。

認知任務:命題·問題·課題·主題

●問題 (question),是對模糊事項所提出的任務。諸如:何作者(who),何對象(what)、何因(why)、何過程(how),何時(when)、何處(where)。

●主題 (theme),通常是需要在很長時間有待解決的主要問題。例如:空間是永恆的主題。場是至少是本世紀的主題。

●課題 (task problem),是需要專項研究的問題,是科學論文研究的任務(task)。

●命題 (proposition),是有待證實或驗證的對問題的解決方案,如主意、主張、觀點。

已經被證實的命題,就可以升級為原理、定律、公理、定理。定理是可靠的命題。

客觀依據:現象·效應·事件·數據

實證主義認為,公理、公設、定義與定理,都是有客觀依據的,換言之,都是可證實的。

●現象,是人們利用感官與儀器所觀測或發現或的跡象。簡言之,現象是被發現的跡象。

現象本來是客觀的,但由於感知有誤判,故所謂的“現象”未必是可靠的,需要嚴格甄別。

經過科學甄別的真實現象,可作為理論研究的證據。科學甄別很複雜,不能輕易下結論。

海市蜃樓屬於光學現象,但容易引起其它的解釋性誤判。水變油是假冒的其它化學現象。

哈勃望遠鏡接收的類星體紅移,屬於場效應現象,不能斷言是多普勒退行性紅移。

●效應,是典型的現象或效果,是科學研究的重要依據。但必須清楚,效應都是在特定條件下的局部現象,不能以偏概全。

濃度擴散效應,是針對開放系統的,環境的溫度、壓強與密度,一定比系統的低。

窪地拉平效應,是針對開放系統的,系統的溫度、壓強與密度,一定比環境的低。

●事件,是可以分析為“原因·歷程·結局”中若干節點組成的因果鏈。

就統計學而言,事發過程的每個節點叫狀態,可定量表示為態參量或態函數。

●數據,是隊樣本事件的若干參量進行測量、統計處理的重要信息,數據代表客觀事實。

科學精神,就是用可靠的大數據說話。沒有數據的任何旁徵博引,都是不可靠的。

證偽一個命題,只要一個樣本數據即可。證實一個命題,需要大量樣本事件的大數據。

定理的基本性質

定理是基於科學發現的技術發明。定理既源於現實又超出現實,即定理的抽象性,是可證實的。定理是對自然的模擬,定理是超自然的。

1. 定理的抽象性

定理是理想化或抽象化的操作模型。抽象,是對大量類似現象忽略次要差異的近似操作。

雖然,理想化的抽象蘊含在千差萬別的現象之中。但是,抽象模型≠自然真實。

彈道曲線,可以抽象為幾何學的拋物線。但實際截然不同:彈道還夾插如自由落體運動。

地球的繞日軌道可近似為封閉的橢圓,但實際軌跡絕非如此,太陽不可能只在原處。

雜化軌道理論的s軌道,可以近似為球形分佈,但絕不是實際軌跡,至少核子也在震盪。

天體可以抽象為球模型,但是,不能把宇宙空間也抽象為球模型,畢竟,二者沒有可比性。

2. 定理的侷限性

無論是公理公設還是定理,都有前提條件。定理在特定命題下得以成立,不可誇大範圍。

勾股定理,只適合小範圍的理想平面,但絕不適合大範圍。真實世界裡不存在平面。

動能定理,只適合離散性粒子或天體的運動。但絕不適合連續性場介質的波動。

3. 定理的可證性

無論是公理公設定理,還是原理法則定律,都有各自的客觀依據,都不是想當然的莫須有。

卡爾波普爾的證偽主義,主張“科學是可證偽的但是不可證實的”,違背起碼的思維法則。

勾股定理,可以有400多種證明方案。無理數定理,可以用歸謬法來證明。大數定理(或稱定律)可以用拋硬幣足夠多次的發生率大數據來證明。

動能定理,可以用熱力學第一定律的絕對溫標來證明。萬有引力定律(可晉升為定理)可以用卡文迪許扭秤實驗來證明。

結語

對於從事科學研究與工程技術的所有科學工作者而言,必須熟練掌握基於科學實證主義的邏輯思維概念體系。

為了提升全體國民的科學素質,在基礎教育與高等教育,普及科學實證主義的方法論,有關部門如教育部理當列入議事日程上來。

本文值得那些望子成龍盼女成鳳的家長們收藏。學者學子們,若有不同意見或重要補充,歡迎積極參與進來,讓更多網友受益。謝謝。


物理新視野


定理是經過受邏輯限制的證明為真的陳述,一般來說,在數學中,只有重要或有趣的陳述才叫定理。證明定理是數學的中心活動。在物理學中而定理是通過數學工具(如微積分)推理得來的,如動能定理;定律是由實驗得出或驗證的,如機械能守恆定律,不可混淆。


N維數學


定理:

是能夠被一些更原始的公理、原理、定義、常識等等大家公認的所謂事實所證明的,可以描述抽象問題或者具體問題的一些定量或定性的規律。

自然科學領域或者社會科學領域都存在定理。

記得的最有名的定理有:牛頓第一二定律,能量守恆定律,動量定理,阿基米德定理,勾股定理,墨菲定理,二八定理,………

多如牛毛。


惡魔數學


你的問題挺好,以前沒怎麼想過這個問題,答案好像是yes,物理化學等我查了下都是叫“**定律”“**法則”“**規則”之類的,比如質量守恆定律,右手法則,安培定律,馬氏規則,等等。反對的能舉幾個例子嗎?目前我還沒找到。


留法歲月


物理也有定理。


直指見性


定理,這個詞呀。太有迷惑性了。定理它雖然不變,內部核心不變而已。就和真理是一個道理,變得是組合的方式。我們需要做的就是,理是讓人明白的,來實踐運用的即可。有句話就是明理窮理盡性至命。 理這個東西,到了任何領域都是相通的,無論定和真,把握核心作用即可。個人淺見


芝士大漢堡


1.首先我們應該理解”定理”都是從公理在一定條件下推導出來的,而公理實際上是沒法證明的。換言之我們可以理解成”定理”是的人們在當前對世界的認知下對客觀世界的主觀抽象,也許隨著我們認識的提高都可能會推翻之前的認知,放大了說”定理有沒有”都是一個問題。

2.另外假設他真的確實有,還要看要看是廣義的數學還是狹義的數學。如果從狹義上說我們還會有物理學定理,化學定理等等細分學科的定理。如果從廣義上說,按照我們目前的認知,數學是所有科學之母,所有科學的基礎都是數學,也可以說是所有學科的”定理”都是從數學定理派生出來的,這種說法也沒問題


庫巴老師


很負責任地告訴你,物理中也有定理,例如動能定理。定律是不能用已有理論推導出來的,而定理是可以有已有理論推導出來的結論。


高中物理嶽老師


物理化學沒學過?


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