12.24 由勾股定理引发的一桩“惨案”

由勾股定理引发的一桩“惨案”



提起勾股定理大家一定都很熟悉——“勾三股四弦五”嘛!

其实,在古代几大文明古国,数学家们不约而同地都发现了这一定律。在中国西周时期,就有一个叫商高的人发现了“勾三股四弦五”的规律,也就是说只要一个直角三角形两个直角边分别是3、4,那么斜边一定是5,当然这只是一种典型的特例。公元一世纪成书的《九章算术》中则明确写道“勾股各自乘,并而开方除之,即弦”,这就意味着找到了勾股定理的普遍形式。到公元三世纪,三国时代的赵爽对《周髀算经》内的勾股定理作出了详细注释,并创制了一幅“勾股圆方图”,对勾股定理做出了证明。

勾股定理在西方一般被称为“毕达哥拉斯定理”,因为它和毕达哥拉斯有密切关系。

其实,在西方,最早发现这个定理的也不是毕达哥拉斯本人,而是古埃及人。相传埃及人早就已经知道了“三角形两个直角边分别是3和4或二者的倍数,那么斜边一定是5或5的相应倍数”。但是他们只是发现了它,没能证明它。这就是“只知其然,而不知其所以然”。古希腊人素来热爱纯形式的理论,喜欢研究那些“没有实用性”的知识,所以,当身为古希腊人的毕达哥拉斯得知这一规律后,便想方设法找到其背后的原理。

毕达哥拉斯到底是怎样证明这个原理的?因为年代久远、资料缺失,我们已经不得而知了。我们只知道他成功后非常高兴,特地宰杀了一百头牛来祭神,所以古希腊也把“毕达哥拉斯定理”叫做“百牛定理”。(这说明这个家伙还挺有钱的)。

在数学史乃至哲学史上,“毕达哥拉斯定理”的地位是非常高的。因为它是人类第一个把数与形联系起来的定理,说明二者之间是相通的、可以互相解释说明的。数是存在于抽象思维中的东西,形是存在于现实世界中的东西,数和形可以互相联系,那么思维与存在当然也可以,这就极大地激发了人们用数字和思维探究世界的勇气和信心。

所以说,毕达哥拉斯定理意义非凡,往小了说,它解决了一个集合难题,为人们在工程建筑(比如金字塔、水利工程等)上提供了方便;往大了说,它开启了新世界的大门:我们可以运用看似虚无的理性去把握眼前这个复杂的世界。

由勾股定理引发的一桩“惨案”

甚至毕达哥拉斯由此更加坚定了他的“数本原说”(关于数本原说的内容,可参看我的上一篇文章《不想当哲学家的数学家不是一个好教主——毕达哥拉斯思想简介》):他认为数之所以可以解释形,是因为数是世界的本原,世界上的一切具体事物都不过是对数的模仿。

可正是这个使毕达哥拉斯为之自豪的定理,却无意间触发了数学史上的第一次危机。

这个危机是还是由毕达哥拉斯的一位门徒——希帕索斯引起的。接下来我们来详述一下整个过程,在叙述中可能会出现一些数学符号,但是大家千万不要嫌弃。因为作为一名文科生的我理解起来都不觉得困难,所以你可以放心阅读。而且我相信,通过阅读,你一定会爱上又蠢又萌的古希腊人的。

好,我们接着这个希帕索斯往下说。据说这位徒弟为了发展师父的定理,他假设了一个等腰直角三角形,并且直角边长都是1。那么根据伟大的“毕达哥拉斯定理”,斜边的平方应该是2,那斜边本身是多少呢?当然我们现在都知道,是(根号下2),但是当时希腊人没有根号的概念,他们要徒手开平方。

我们要知道,古希腊人还不具备无理数的概念,在他们看来,数字只有三种:要么是奇数,要么是偶数,要么是分数,而且这个分数必须要尽量约到最简,即分子和分母中至少有一个是奇数。

这个希帕索斯发现没有一个整数的平方是2,那么这个数就只能是分数。好,那他就假设这个分数是(m/n),于是就得出(m/n)2=2。由此得出m2=2n2。

既然m2=2n2,那么m2一定就是偶数了。希腊人那个时候已经发现了偶数的平方一定是偶数,奇数的平方一定是奇数,所以m一定是偶数。希腊人还发现偶数的平方的一半也一定是偶数。既然这样n2也一定是偶数了,那么n也就是偶数了。于是乎,m和n都是偶数了!

可是他刚开始假设的时候,假定它是一个不能再约分的分数了啊,也就是说,这个分数中m和n至少有一个应该是奇数的啊!

由勾股定理引发的一桩“惨案”

他的假设没有问题,论证过程也无懈可击,但是最后得出的结论

却是自相矛盾的。最终这个也没有找出来。

这就是第一次数学危机。这个希帕索斯本来想证明师父的伟大,但是没想到弄巧成拙,捅了这么个大篓子,搞得以数学见长的毕达哥拉斯学派焦头烂额,很没面子。恼羞成怒的毕达哥拉斯不顾师生情分,把徒弟装进麻袋,抛入地中海淹死了。

虽然不得不承认这是个悲剧,但是我们都会忍不住笑出声。首先,这个所谓的数学危机在我们看来是很幼稚的:归根结底是因为古希腊人没有“无理数”这个概念。其次,这个徒弟确实比较搞笑,这个师父确实也比较生猛,总之他们都好可爱。

我们现在觉得古希腊人可爱,站在上帝视角,或许我们也同样可爱。这可能就是所谓的“人类一思考,上帝就发笑”。一个人可爱大多是因为他可笑。

我们刚才说过,毕达哥拉斯以他的定理为依据提出了“数本原说”,认为世界上所有的事物都可以用数来表达,数和形之间是相通的。这就已经不再是数学原理了,而是一个货真价实的哲学思想了。但是在这个等腰直角三角形这里,明明可以看到一个形(三角形斜边)在那摆着,但是他们却死活找不到表示那个形的数字。于是一场数学危机就这样变成了一个哲学问题。

如果读过我的前一篇文章(《不想当哲学家的数学家不是一个好教主——毕达哥拉斯思想简介》),你会知道毕达哥拉斯这个人本来就喜欢搞那些神神叨叨的东西。现在正好有一个数在一个直角三角形斜边的背后隐而不彰,毕达哥拉斯对此又惶恐、又狂热,以为自己窥到了天机。他认为神秘的、隐而不彰的东西里一定隐藏着真理,隐藏着深刻的、本质性的东西。这个东西越隐秘,越能激发他探究的欲望。

对于每一个学科而言,初创者的旨趣和个性往往能影响甚至决定这个学科的走向。毕达哥拉斯作为早期的一位哲学家,他的这种取舍倾向也埋伏在了哲学史的发展过程中。这种倾向就是:当感觉和思维发生矛盾或冲突的时候,哲学家们更愿意选择相信思维与理性;当现实生活和抽象概念同时摆在眼前,哲学家们更喜欢投身后者,而不喜欢沉浸于前者。

世界本来是一览无余地呈现在我们眼前的,但是我们总觉得有更本质的东西或者一些神圣的秘密隐藏在更深处,等着我们去发掘、去揭示。

这种倾向叫形而上学。


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