12.24 由勾股定理引發的一樁“慘案”

由勾股定理引發的一樁“慘案”



提起勾股定理大家一定都很熟悉——“勾三股四弦五”嘛!

其實,在古代幾大文明古國,數學家們不約而同地都發現了這一定律。在中國西周時期,就有一個叫商高的人發現了“勾三股四弦五”的規律,也就是說只要一個直角三角形兩個直角邊分別是3、4,那麼斜邊一定是5,當然這只是一種典型的特例。公元一世紀成書的《九章算術》中則明確寫道“勾股各自乘,並而開方除之,即弦”,這就意味著找到了勾股定理的普遍形式。到公元三世紀,三國時代的趙爽對《周髀算經》內的勾股定理作出了詳細註釋,並創制了一幅“勾股圓方圖”,對勾股定理做出了證明。

勾股定理在西方一般被稱為“畢達哥拉斯定理”,因為它和畢達哥拉斯有密切關係。

其實,在西方,最早發現這個定理的也不是畢達哥拉斯本人,而是古埃及人。相傳埃及人早就已經知道了“三角形兩個直角邊分別是3和4或二者的倍數,那麼斜邊一定是5或5的相應倍數”。但是他們只是發現了它,沒能證明它。這就是“只知其然,而不知其所以然”。古希臘人素來熱愛純形式的理論,喜歡研究那些“沒有實用性”的知識,所以,當身為古希臘人的畢達哥拉斯得知這一規律後,便想方設法找到其背後的原理。

畢達哥拉斯到底是怎樣證明這個原理的?因為年代久遠、資料缺失,我們已經不得而知了。我們只知道他成功後非常高興,特地宰殺了一百頭牛來祭神,所以古希臘也把“畢達哥拉斯定理”叫做“百牛定理”。(這說明這個傢伙還挺有錢的)。

在數學史乃至哲學史上,“畢達哥拉斯定理”的地位是非常高的。因為它是人類第一個把數與形聯繫起來的定理,說明二者之間是相通的、可以互相解釋說明的。數是存在於抽象思維中的東西,形是存在於現實世界中的東西,數和形可以互相聯繫,那麼思維與存在當然也可以,這就極大地激發了人們用數字和思維探究世界的勇氣和信心。

所以說,畢達哥拉斯定理意義非凡,往小了說,它解決了一個集合難題,為人們在工程建築(比如金字塔、水利工程等)上提供了方便;往大了說,它開啟了新世界的大門:我們可以運用看似虛無的理性去把握眼前這個複雜的世界。

由勾股定理引發的一樁“慘案”

甚至畢達哥拉斯由此更加堅定了他的“數本原說”(關於數本原說的內容,可參看我的上一篇文章《不想當哲學家的數學家不是一個好教主——畢達哥拉斯思想簡介》):他認為數之所以可以解釋形,是因為數是世界的本原,世界上的一切具體事物都不過是對數的模仿。

可正是這個使畢達哥拉斯為之自豪的定理,卻無意間觸發了數學史上的第一次危機。

這個危機是還是由畢達哥拉斯的一位門徒——希帕索斯引起的。接下來我們來詳述一下整個過程,在敘述中可能會出現一些數學符號,但是大家千萬不要嫌棄。因為作為一名文科生的我理解起來都不覺得困難,所以你可以放心閱讀。而且我相信,通過閱讀,你一定會愛上又蠢又萌的古希臘人的。

好,我們接著這個希帕索斯往下說。據說這位徒弟為了發展師父的定理,他假設了一個等腰直角三角形,並且直角邊長都是1。那麼根據偉大的“畢達哥拉斯定理”,斜邊的平方應該是2,那斜邊本身是多少呢?當然我們現在都知道,是(根號下2),但是當時希臘人沒有根號的概念,他們要徒手開平方。

我們要知道,古希臘人還不具備無理數的概念,在他們看來,數字只有三種:要麼是奇數,要麼是偶數,要麼是分數,而且這個分數必須要儘量約到最簡,即分子和分母中至少有一個是奇數。

這個希帕索斯發現沒有一個整數的平方是2,那麼這個數就只能是分數。好,那他就假設這個分數是(m/n),於是就得出(m/n)2=2。由此得出m2=2n2。

既然m2=2n2,那麼m2一定就是偶數了。希臘人那個時候已經發現了偶數的平方一定是偶數,奇數的平方一定是奇數,所以m一定是偶數。希臘人還發現偶數的平方的一半也一定是偶數。既然這樣n2也一定是偶數了,那麼n也就是偶數了。於是乎,m和n都是偶數了!

可是他剛開始假設的時候,假定它是一個不能再約分的分數了啊,也就是說,這個分數中m和n至少有一個應該是奇數的啊!

由勾股定理引發的一樁“慘案”

他的假設沒有問題,論證過程也無懈可擊,但是最後得出的結論

卻是自相矛盾的。最終這個也沒有找出來。

這就是第一次數學危機。這個希帕索斯本來想證明師父的偉大,但是沒想到弄巧成拙,捅了這麼個大簍子,搞得以數學見長的畢達哥拉斯學派焦頭爛額,很沒面子。惱羞成怒的畢達哥拉斯不顧師生情分,把徒弟裝進麻袋,拋入地中海淹死了。

雖然不得不承認這是個悲劇,但是我們都會忍不住笑出聲。首先,這個所謂的數學危機在我們看來是很幼稚的:歸根結底是因為古希臘人沒有“無理數”這個概念。其次,這個徒弟確實比較搞笑,這個師父確實也比較生猛,總之他們都好可愛。

我們現在覺得古希臘人可愛,站在上帝視角,或許我們也同樣可愛。這可能就是所謂的“人類一思考,上帝就發笑”。一個人可愛大多是因為他可笑。

我們剛才說過,畢達哥拉斯以他的定理為依據提出了“數本原說”,認為世界上所有的事物都可以用數來表達,數和形之間是相通的。這就已經不再是數學原理了,而是一個貨真價實的哲學思想了。但是在這個等腰直角三角形這裡,明明可以看到一個形(三角形斜邊)在那擺著,但是他們卻死活找不到表示那個形的數字。於是一場數學危機就這樣變成了一個哲學問題。

如果讀過我的前一篇文章(《不想當哲學家的數學家不是一個好教主——畢達哥拉斯思想簡介》),你會知道畢達哥拉斯這個人本來就喜歡搞那些神神叨叨的東西。現在正好有一個數在一個直角三角形斜邊的背後隱而不彰,畢達哥拉斯對此又惶恐、又狂熱,以為自己窺到了天機。他認為神秘的、隱而不彰的東西里一定隱藏著真理,隱藏著深刻的、本質性的東西。這個東西越隱秘,越能激發他探究的慾望。

對於每一個學科而言,初創者的旨趣和個性往往能影響甚至決定這個學科的走向。畢達哥拉斯作為早期的一位哲學家,他的這種取捨傾向也埋伏在了哲學史的發展過程中。這種傾向就是:當感覺和思維發生矛盾或衝突的時候,哲學家們更願意選擇相信思維與理性;當現實生活和抽象概念同時擺在眼前,哲學家們更喜歡投身後者,而不喜歡沉浸於前者。

世界本來是一覽無餘地呈現在我們眼前的,但是我們總覺得有更本質的東西或者一些神聖的秘密隱藏在更深處,等著我們去發掘、去揭示。

這種傾向叫形而上學。


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