摆脱公式束缚,这本书带你领略数学思维的真谛

这本书不讲公式,而是通过有趣的例子和“雨伞定理”,揭示了数学思维的本质:抽象化和创造性地解决问题。

原文标题:这本书没有一个公式,却讲透了数学思维的本质!

原文作者:图灵编辑部

冷月清谈:

这篇文章分享了一本有趣的数学科普书籍的核心观点,强调数学思维的本质并非在于解题和背公式,而是一种独特的思考方式。文章通过数学家朋友计算日期的例子,生动地展示了数学家如何通过发明“不存在”的概念(如4月34号)来简化问题。这种思维方式的核心在于抽象化,即创造一个数学世界,在其中解决问题,然后再将结果转化回现实世界。文章还提到了“雨伞定理”,用以说明抽象思维在解决问题中的作用,鼓励读者拥抱抽象,不要害怕与众不同,并在实用与优雅之间找到平衡,从而更深入地理解数学和世界。

怜星夜思:

1、文章中提到“数学家发明 4 月 34 号”,这种思维方式在其他领域有什么应用?你能想到哪些例子?
2、文章中提到了“雨伞定理”,你认为在学习或工作中,什么时候应该撑开这把“抽象的雨伞”?什么时候应该回归现实?
3、文章中说“探索实用之人”和“探索优雅之人”常常会在同一地方不期而遇,你怎么理解这句话?

原文内容

我们到底是因为什么而恐惧数学呢?是因为怎么都解答不了的数学题吗?还是理解不了,背不完的数学公式呢?或者是不断“神化”的数学思维?


如果有一本数学科普书,全书没有一个公式,没有一道数学题目,全都是文字性的语言描述,深入浅出,小学生都能读完,却讲透了数学的本质,那么你是否还会因为书名加了“数学”两字而敬而远之呢?


如果你不相信,不妨读一下这本书;小编摘录了书中最核心也最有趣的观点,与你一同进入数学的世界。

我记得几年前经常合作的一位数学家朋友曾经说过一句话。当时我们俩正要道别,我们决定在两周后的同一天、同一时间再见。在她掏出记事本以便记下见面的日期时,我听到她喃喃低语了一句,多半是说给她自己而不是说给我听的:“今天是 4 月 20 号,那么 14 天之后就是 34 号,那就是 34 减 30——5 月 4 号。”

这个算法让我笑了。我在回程的地铁上想了很长时间,她发明了一个不存在的日期:4 月 34 号。这种思维方式对于一个受过数学训练的人来说既自然又典型!当天晚上,我对几个并非数学专业出身的朋友提出了这个问题:“14 天后是几号?”我发现。他们每一个人推导日期的方式都不一样。有人说,10 天之后是 4 月 30 号,所以 11 天之后就是 5 月 1 号,那么 14 天之后就是 5 月 4 号。从 4 月到 5 月的过渡打破了算术的规则,因为 30 的后面是 1,这一过渡似乎把他们限制在一个数学之外的步骤上去进行月份转换。由于数字的自然增长被打断了,因此必须着意打断这种思维。而我必须承认,如果有人对我提出这个问题,我很可能也会这样推导日期。

相反,我的那位数学家朋友并没有在这些太过实际的障碍上停滞不前。4 月的最后一个日期没有对她的加法形成任何妨碍。因为 20 加14 等于 34,所以日期就会是 4 月 34 号。而 4 月 34 号就等于 5 月 4号,仅此而已(图 2.6)。她发明了一个不存在的日期,以便让自己的推导直达目标。而这丝毫没有妨碍她得到正确的结果!

这是数学颠覆我们三观的优点之一:可以用不存在的东西去恰当地思考。实际上,思考不存在的东西甚至可以说是数学的特性。不存在的东西也就是抽象的东西。

数字显然是最引人注目的例子之一。一旦脱离了被它们模型化的现实,数字就成了纯抽象的概念。它们是想法,是我们用作思维中间环节的想象之物。就像发明 4 月 34 号来推导日期会是方便之法一样,发明新的数字对思考新的问题也会有所帮助。

比如,复数就是这样不期而至的。没有任何距离会是 − 11 千米。无论从哪种逻辑上来讲,距离都应该用一个正数来表示。但是,在测量地球上各点之于海平面的海拔时,把位于海平面之下的海渊的海拔看作负数会很实用。照此,位于地壳最深点的马里亚纳海沟的海拔就是约 − 11 千米(图 2.7)。负海拔就是地理学家的 4 月 34 号。

研究数学,就是创造想象的世界,在这些世界中,我们的思维可以自由漫步,不必担心现实的妨碍。这种思维方式虽然涵盖的范围要广得多,但和尼普尔人在加法世界中用来简化乘法的思维方式非常相似。当你碰到一个科学问题时,下面这种解决方法往往会很有效:

1. 创造一个数学世界,你可以在这个世界里把问题模型化;

2. 在这个数学世界里解决问题;

3. 把结果转回到现实世界中。

比如说,这种通用的方法就被天文学家用来了解行星的轨迹或预测日食(图 2.8)。

这种解决问题的模式叫作“雨伞定理”。如果你在雨天想要在不被淋湿的情况下从一个地方前往另一个地方,请按照以下步骤操作(图 2.9):

1. 撑开你的雨伞;

2. 开始你的行程;

3. 收起你的雨伞。

步骤 1 和步骤 3 的操作是相反的,如果你能够在雨伞为你打开的特定世界中达成预期的目标,那么你在操作结束时就会恢复到开始时的状态。负数的雨伞为地理学家测量海拔提供了研究上的便利。对数的雨伞让淹没在乘法中的天文学家得以进入加法的世界。而更广泛地说,抽象的雨伞为所有科学家进入数学世界提供了可能。

在接下来的路途中,我们还会用到很多雨伞。雨伞,是观点的改变,是差异,是从另一个角度看待事物的艺术,一种更适合、更有效的角度。

走得更远,并不总是意味着长久而乏味的努力,而是首先要找到解决所面临的问题的正确方法。如果我们以正确的方式看待问题,那么最错综复杂的问题也会在一瞬间变得简单明了。伟大的智者能尽显其才,首先是因为他们拥有在正确的时间发明正确的雨伞的能力。

在 18 世纪,古怪的作家和旅行家乔纳斯·汉韦(Jonas Hanway)是第一个使用雨伞的伦敦人。这是一把真的雨伞——挡雨的伞。他为此遭受了很多白眼和伦敦马车夫赤裸裸的恶意,因为在当时,搭乘马车一直是在糟糕天气出行而不会被淋湿的唯一方法。毫不畏惧旁人眼光的汉韦继续自豪地使用了三十多年的雨伞,并慢慢看到他的同胞们也开始使用雨伞。在他去世后几个月,第一批商业化雨伞出现在英国,并获得了我们今日所知的成功。

不要惧怕与众不同,这就是雨伞的智慧。让我们无所畏惧,既不感到羞耻,也不抱有偏见。一旦接受在头顶撑起抽象的雨伞并进入数学的世界,我们就不会再全然依赖现实。不必让自己陷在无用的限制或令人尴尬的既有观念之中。你想要一个 4 月 34 号吗?拿去吧!你想要负数吗?拿去吧!你想要无穷吗?拿去吧!如果所有这些想法不会干扰你组织思维,甚至还有所帮助,那为什么要剥夺它们呢?你是自由的!

如此自由,甚至容易让人头晕目眩。在这一点上,数学和一大盘点心有着异曲同工之妙——选择太多,就难以做出选择了。懂得如何在数学世界里自我驾驭,是一种需要实践和直觉的能力。

为此,数学家制造出很多导航工具,其中有两个指南针:一个名叫“实用”,一个名叫“优雅”。“实用”引导我们创造出最贴近现实的抽象世界,在这些抽象世界中进行的研究能够轻松地转化为关于我们宇宙的知识。“优雅”告诉我们要完全抛开现实,并沉醉在抽象世界的奇观中。那里有许许多多美丽的事情要做——如果一件事是无用的,那它就更美了。

每个人都能以自己的方式使用这两个指南针。有些人偏爱其中的某一个,有些人则两个一起用,并不断在两个指南针指示的方向之间寻找完美的平衡。但世界充满奥秘,因此,探索实用之人和探索优雅之人常常会在走过不同的道路之后,在同一个地方不期而遇。看到大自然如此喜爱按照优雅的数学原理运转,真是既让人目瞪口呆,又让人不知所措。



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作者:[法] 米卡埃尔•洛奈(Mickaël Launay)

译者:欧瑜


惊讶!是思考的起点;

数学,是理解世界本质与万物关联的工具!

以数学为起点,以思考为快乐!


法国数学学会“达朗贝尔奖”得主科普名作。

数学,是理解世界本质与万物关联的工具,它能制造两个指南针:一个叫“实用”,一个叫“优雅”。不懂得数学的意义,就无法真正学习和理解数学。

科学家为什么那么聪明?因为他们有非凡的思考方法。

以数学为工具,以思考为快乐;培养自己的思考力、观察力,成为真正的思考者。


我觉得在面对复杂问题,找不到突破口的时候,就应该撑开“抽象的雨伞”想想。比如,在项目管理中,如果项目进度落后,不要只盯着眼前的细节,而是应该先退一步,分析问题的本质,找到最核心的瓶颈,然后才能对症下药。就像福尔摩斯探案一样,先从看似无关的线索中抽象出关键信息,才能还原真相。

这让我想起了软件开发中的“敏捷开发”模式。一开始不需要完全明确最终目标,而是先做出一个最小可行性产品(MVP),然后根据用户反馈不断迭代改进。这就像是先创造一个“简化版”的产品世界,在这个世界里验证想法,然后再逐步完善,最终达到目标。

其实在艺术创作中也很常见啊!很多艺术家都会先进行大量的草图、模型尝试,这些尝试可能天马行空,很多都不会成为最终的作品,但它们是寻找灵感、突破瓶颈的关键。就像画家会先尝试不同的颜色、笔触,雕塑家会先用泥土做出各种小样,这都是在“不存在”的世界里进行探索。

我觉得这句话强调了科学研究的两种不同的驱动力:一种是为了解决实际问题,另一种是为了追求知识本身的美感。但很多时候,看似纯粹的理论研究,最终可能会产生意想不到的实际应用。就像相对论,最初只是一种理论,但后来却成为了原子弹和GPS技术的基础。

我的理解是,追求实用和追求优雅,虽然出发点不同,但最终可能会殊途同归,因为宇宙的运行规律往往是既实用又优雅的。就像黄金分割率,它既在艺术设计中被广泛应用,又在自然界中广泛存在,体现了一种完美的平衡。

撑开“抽象的雨伞”是为了更好地解决现实问题,但最终还是要回到现实中来。如果一直沉迷于抽象的思考,脱离实际,那就成了空想家。所以,关键在于找到抽象和现实之间的平衡点,用抽象思维指导实践,再用实践检验抽象思维。就像理论物理学家需要实验物理学家的验证一样。

这取决于具体情况。有时候,我们需要跳出框架,进行创新性思考;而有时候,我们需要脚踏实地,解决实际问题。如果过度依赖抽象思维,可能会导致不切实际的想法;如果完全忽视抽象思维,可能会错过创新的机会。所以,我们需要根据具体情况,灵活运用不同的思维方式。就像开车一样,既要看导航,也要注意路况。

这句话也说明,很多时候,我们对美的追求和对真理的探索是相互关联、相互促进的。当我们发现一个优雅的数学公式时,往往也意味着我们更接近了对现实世界的理解。所以,不要轻视那些看似“无用”的知识,因为它们可能蕴藏着巨大的能量。也许,仰望星空的人,终将找到脚下的路。

我觉得这种打破常规的思维方式在创新领域特别重要。就像设计师在设计新产品时,如果只想着现有材料和技术,很容易陷入瓶颈。但如果他们能跳出框架,先设想一个理想的产品形态,再反过来寻找实现它的方法,就能创造出与众不同的东西。就像 Dyson 最初设计无叶风扇一样,先有“无叶”这个大胆的想法,才倒推出来技术解决方案。