古希腊数学中的公理化思想及其历史发展

古希腊数学中的公理化思想及其历史发展

摘要:欧几里得几何是第一个公理化体系，非欧几何的出现促使人们对它的基础作了严格审视，其中希尔伯特公理化方法最为成功；但它的相容性问题一直没有解决，集合论悖论使得这个问题更加尖锐。虽然集合论的公理化一度时期曾化解了悖论给公理化方法所带来的危机，但不久哥德尔不完全性定理就深刻地揭露了公理化方法不可避免的局限性。尽管后来的布尔巴基学派的结构数学使公理化方法更上一层楼，但仍然无法克服公理化方法本身的局限性。

关键词: 欧几里得几何；公理化；相容性；历史发展；局限性

1 欧几里得以前的几何学

人类最初的几何知识是从对形的直觉中萌发出来的，不过在不同的地区，几何学的这种实践来源方向不尽相同。古埃及几何学产生于尼罗河泛滥后土地的重新丈量；古代中国几何学的起源更多地与天文观测相联系；古代印度几何学的起源则与宗教实践密切相关。当古代实用几何知识积累到一定阶段时，对它们进行系统整理与理论概括必然形成趋势。向理论数学的过渡，大约是公元前6世纪在地中海沿岸开始的，它带来了初等数学的第一个黄金时代，以论证几何为主的希腊数学时代。论证数学鼻祖的荣耀归于泰勒斯，据称他领导的爱奥尼亚学派首开希腊命题证明之先河，他自己证明了不少定理，其中包括那条至今仍被称作“泰勒斯定理”的命题:半圆上的圆周角是直角。

论证数学的成长归功于毕达哥拉斯及其在克洛托内创建的秘密会社，普遍的认识是欧几里得《原本》前两卷的大部分材料均来源于毕达哥拉斯学派。毕达哥拉斯学派另一项几何成就是正多面体作图，他们称正多面体为“宇宙形”。在三维空间仅有的五种正多面体中，毕达哥拉斯及其学派成员先后解决了它们的作图问题。在所有正多面体中,正十二面体最为引人注目，这是因为它的每个面都是五边形，其作图问题涉及到了所谓的“黄金分割”。

毕达哥拉斯以后，在作为希腊民主政治与经济文化中心的雅典及其周边地区，先后涌现出了众多的学术派别。这些学派虽然主要从事哲学讨论，但他们的研究活动同时也极大地加快了希腊数学的理论化进程。雅典时期，数学中的演绎化倾向有了实质性的进展，这主要应归功于柏拉图、亚里士多德和他们的学派。

柏拉图开设的雅典学院，据说大门上写着“不懂几何者莫入”。柏拉图本人在数学上虽未取

得什么具体成就，但对数学研究的方法却颇多贡献。分析法与归谬法即被认为是他的思想，他给出了许多几何定义，并坚持对数学知识作演绎整理。

柏拉图的思想在他的学生与同事亚里士多德那里得到发展和完善。亚里士多德对定义作了精密的讨论，并指出需要有未加定义的名词，他也深入研究了作为数学推理出发点的基本原理，并将它们区分为公理和公设。亚里士多德最重大的贡献是将前人使用的数学推理规律规范化和系统化，从而创立了独立的逻辑学，其中的基本逻辑原理矛盾律和排中律，成为数学间接证明的核心。亚里士多德的形式逻辑被后人奉为演绎推理的圣经，在当时则为欧几里得演绎几何体系的形成奠定了方法论的基础。

2 欧几里得《原本》与公理化

在希腊数学史上，欧几里得具有承前启后的作用。他是希腊论证几何学的集大成者，更是亚历山大数学学派的奠基人。他对数学或者说整个人类文明史的贡献，主要体现在他的鸿篇巨著《原本》当中。这部杰作的出台亮相，使以前所有有关数学原理的书册黯然失色。

“原本”的希腊文原意是指一个学科中最重要的定理，如同字母之于语言的作用一样，它们必须具有最一般最广泛的应用。《原本》所包含的正是这样一些数学定理，欧几里得在这里运用公理法则对当时的数学知识进行了系统化、理论化的总结。全书共分13卷，包括5条公理、5条公设、119个定义和465条命题，构成了人类文明史上第一个演绎数学的公理化体系。其中5条公理为: 1)等于等量的量彼此相等；2)等量加等量和相等；3)等量减等量差相等；4)彼此重合的图形是全等的；5)整体大于部分。5条公设为: 1)从任意一点到任意一点可做一条直线；2)一条有限直线可不断延长；3)一任意中心和直径可以画圆；4)凡直角都彼此相等；5)若一直线落在两直线上所构成的同旁内角和小于两直角，那么把两直线无限延长，它们将在同旁内角和小于两直角的一侧相交。基本定义有:点是没有部分的；线是没有宽度的长；面是只有长度和宽度的；直线是与其上的点相平齐的线；平面是与其上的线均匀平放着的面等等。

3 非欧几何及其对公理化的影响

直到18 世纪末，几何领域仍然是欧几里得一统天下。解析几何改变了几何研究的方法，但没有从实质上改变欧几里得几何本身的内容。解析方法的运用虽然在相当长的时间内冲淡了人们对综合几何的兴趣，但欧几里得几何作为数学严格性的典范始终保持着神圣的地位。许多学者都视欧几里得几何为绝对真理。然而，这种近乎科学“圣经”的几何学并非无懈可击。

在对欧氏几何的疑惑中，第五公设或称平行公理首当其冲。在欧几里得的所有公理中，这条

公理表述明显较其他公理复杂，而且它在《原本》中出现很晚，欧几里得似乎在迫不得已时才启用这条公理。事实上，从公元前3世纪开始，一批又一批数学家始终怀疑欧几里得第五公设其实不是一条公理，而是一条定理。为澄清这种疑惑，一代代数学家想方设法证明这条“公设”，然而他们所给的“证明”要么隐含着等价的命题或假设，要么存在着形式的推理错误。在被证实是等价的命题中有一条普莱菲尔(1748～1819)—普洛克鲁斯(公元前500)平行公理[1]：过已知直线外一点能且只能作一条直线与已知直线平行，这就是我们今天通常使用的平行公理。

18世纪中叶，达朗贝尔无奈地把平行公设的证明问题称为“几何学中的家丑”。但就在此前后，对第五公设的研究开始出现有意义的进展。在这方面的代表人物是意大利数学家萨凯里、德国数学家克吕格尔和瑞士数学家兰伯特。他们各自从与欧几里得平行公理相反的替代公设出发，推出了一系列新奇的结论，可以说走到了非欧几何的门前，但却都没能跨进门槛。

“非欧几何”的名称来源于高斯。尽管在其正式建立之前，许多技术性的内容已被大量导出，但高斯最先对其意义有深刻理解。他从1799年开始意识到平行公设不能由其他公理推出，并从1813 年起发展了这种平行公设在其中不成立的新几何。然而由于担心“黄蜂刺耳”即世俗的攻击，这位“数学之王”决定将自己的发现秘而不宣。

1832年，对发现非欧几何深缄其口的高斯突然收到一篇论文《绝对空间的科学》[2]，文章的作者是一位名叫波约的匈牙利青年，文中论述的“绝对几何”事实上就是非欧几何，且与高斯的思想方法不谋而合。可以想象急于得到支持的波约等来的会是什么，高斯淡然而缺乏热情的评语使他十分灰心，从此放弃了发表论文的想法。

在非欧几何的三位发明人中，只有俄国数学家罗巴切夫斯基最早、最系统地发表了自己的研究成果，并且也是最坚定地宣传和捍卫自己新思想的一位。他先是于1826年在喀山大学发表了《简要论述平行线定理的一个严格证明》的演讲，报告了自己关于非欧几何的发现，而后又在1829年发表了题为《论几何原理》的论文，这是历史上第一篇公开发表的非欧几何文献。罗巴切夫斯基非欧几何与高斯、波约的基本思想一致，即用与欧几里得第五公设相反的断言: 过直线外一点，可引不止一条直线与已知直线不相交，作为替代公设，进行逻辑推导而得出一连串新几何学的定理，它们并不包含矛盾，因而在总体上形成了一个逻辑上可能的、无矛盾的理论。欧几里得几何学在这里仅成了罗巴切夫斯基几何的一个特例。

非欧几何要获得普遍接受，需要解决两方面的问题。首先是确实地证明自身在逻辑上的无矛盾性；其次是揭示这种几何的现实意义。后一个问题直到20世纪爱因斯坦相对论建立后才得到解决，至于非欧几何的无矛盾性问题，19世纪70年代以后，意大利数学家贝尔特拉米[3]、德国数学家克莱因[4]各自在欧几里得空间中给出了罗巴切夫斯基几何的模型。他们的工作，使非欧几何具