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数学证明的教育价值

时间：2022-11-08 22:31:21 下载该word文档

数学证明的教育价值目前，数学教育界都在关注《国家数学课程标准(初稿－－目标体系》的研讨，其中一个热门的话题是如何处理中学几何课程的改革。争论焦点之一是如何看待几何中逻辑推理的教育价值。为此，笔者认为首先应该探讨一下数学证明的教育价值。一、问题的提出从一组原始概念和命题(即公理出发，经过逻辑推理得到一系列的定理和证明，这就是几千年来数学学科所遵循的研究模式。但随着数学的发展，特别是电子计算机的出现，人们对上述研究模式产生了怀疑。其中最典型的一个例子就是所谓“四色问题”的证明。下面详细谈一下由“四色问题”所引起的争论。1852年，英国数学家(格思里在给他弟弟的一封信中说：“看来每幅地图若用不同颜色标出邻国，只要用四种颜色就够了。”这就是“四色问题”的由来。一百多年来数学家们不断努力企图用数学方法来证明这个结论。直至1970年左右，问题归结为计算几千个不可约构形的问题〔1〕，但其计算量之大是难以想像的，因此人们望而生畏。1976年美国两位计算机专家(阿佩尔和(哈肯找到了一种新的计算方法。他们用了三台IBM计算机经过1000多个小时(约52天的运算，“证
明”了格思里提出的结论是正确的。因此，“四色问题”得到了“证明”。阿佩尔和哈肯的“证明”引起了人们的争论。首先，他们的“证明”，其计算机程序就达400多页，要用人工去检验其程序有无问题是十分吃力的。因此，似乎无人愿意再去重复阿－哈的“证明”。其次，能否保证计算机在计算过程中绝对不出错误？第三，人们无法确定计算出现错误是计算机本身的机械或电子方面的毛病，还是“证明”过程本身逻辑有问题。于是就引起了什么是“数学证明”的争论。有些数学家认为数学证明只能是以人工可重复检验的逻辑演绎(计算也是一种演绎过程，否则只能称为计算机证明，二者不能混为一谈。因此，按这种观点，“四色问题”只能称已得到了计算机证明，而不能称已得到了数学证明。但是，另一些数学家反驳说，用人工来检验也可能产生错误。例如，数学史上曾有不少数学家(如意大利的Saccheri，法国的Legendre声称他们已“证明”了欧几里得第五公设(即欧氏平行公理。但后来发现他们的“证明”均有问题，其主要错误在于他们利用了与第五公设等价的命题，因此从逻辑上说他们都犯了循环论证的错误。另外人工逻辑演绎证明可以重复吗众所周知，群论中有一个著名的所谓有限单群的分类定
理，单群的概念是由Galois(伽罗华在1830年最初给出的。一百多年来数学家企图对单群进行分类。直至20世纪80年代，由100多位数学家组成的非正规“队伍”，他们共同努力列出所有的单群并证明这样的列举是完全的。在花费了成千上万个小时以及发表了几百篇论文之后，这项工作才得以完成，证明长达15000多页!〔2〕试问谁还愿意(或说可能去重复他们长达15000多页的证明?(恐怕连读一遍都不愿意。于是问题就不集中在“证明”是否可检验的问题上了，而在于人们如何来理解“证明”的真正含义。数学证明的功能到底是什么二、数学家们对数学证明的看法国际数学教育委员会(ICMI在《计算机对数学和数学教学的影响》报告中指出：“借助于计算机的证明不应该比人工证明加以更多的怀疑……，我们不能认为计算机将增加错误证明的数目，恰恰相反对计算机证明的批评，例如四色问题的证明，主要集中在它仅依靠蛮力和缺乏思考的洞察力。……计算机证明会给人们带来一些新启示，会激励人们去寻找更好的、更短的、更富有说服力的证明，会鼓励数学家去更准确地把握形式化的想法。英国数学家Atiyah(阿蒂亚在评论“四色问题”的证明时说：“这证明是一大成功，但在美学观点上看极令人失望。完
全不靠心智创造，全靠机械的蛮力。科学活动的目的是理解客观世界并进而驾驭客观世界，然而我们能说‘理解’了四色问题的证明了吗?”“数学是一种艺术，一种使人摆脱蛮力计算，而且成熟概念和技巧，使人更轻松地漫游。”〔3〕