数学的基础思维是什么(数学世界观上)(1)

数学世界观(上)

上一篇我和大家分析了几个关于奥数的常见误区,那奥数实际上在教给我们什么呢?让我们把话题扩大一点,先把数学学习涉及的框架搭起来。

从我的理解来看,数学学习分为四个层面,借用道家学说的理论,即“道、法、术、器”。

数学之“道”,即数学思维。

数学思维不是一种知识,而是一种能力,或者说的更缥缈一点,是一种感觉。但是它又是搭建数学世界最重要的根基,可以说它不存在,但是又无处不在。

就好比学音乐的人需要的乐感,往往很难形成一门课程进行培养,但是偏偏又是学习音乐最重要的,甚至是决定成就高低的一种能力。有的人天生就有很强的乐感,但是一般人也可以通过长期接触音乐进行培养。数学思维亦然。

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这项能力在高中数学立体几何题中被极大地运用,很多被虐得很惨的高中生,都是由于这项基本能力没有掌握。

另外,空间抽象思维在认路方面也是起到非常重要的作用。有的人认路是采用平面记忆的方式,也就是将一条路线在哪里拐弯,拐弯处的景物长什么样子记下来;有的则是采用立体记忆的方式,将自己理解为在地图上行走的一个点,最后能画出一张平面地图上的线路。后者的好处是最终在脑海搭出一个立体地图,对于里面新的路线也能快速掌握,随时切换,这就是空间抽象思维在起作用。

所谓“道可道,非常道”,上面讲的这些数学思维,本身的含义是比较广和比较飘渺的,举的这些例子只是试图盲人摸象一样抓取其中一个点来展现而已。

数学思维本身不是数学的一个知识点,但又贯穿在数学学习中的方方面面,就像是数学这棵大树的庞大根系,虽然看不见,却给每一片枝叶输送赖以为生的养分。

数学之“法”,即数学理论,包括数学概念、定理。

数学概念的学习是呈明显的螺旋上升方式进行的。例如小学学习数字,先学0-9,然后拓展到两位数、三位数;高年级学小数、分数,“数”的概念就被扩大了;高中学习了无理数,这时候实数轴就被填满了;大学还会虚数,然后复平面也被填满了,发现“数”不仅是代数概念,还可以跟几何打通,最后有一种“恍然大悟”的感觉。每次学习新的概念,都是对旧概念的“传承”和“创新”,特别讲究融会贯通。

另外,有时候新的知识不仅是对旧概念的扩充,还会进行重构。

很多人很好奇,大学数学系都学什么啊,高中数学已经难得不要不要的,大学的画风是不是都是这样的?

数学的基础思维是什么(数学世界观上)(2)

恰恰相反,数学系学习的数学,有时候简单得让人吃惊——不是难度上的简单,而是形式上的简单。

以我们本科数学基础课《数学分析》为例,课本(《数学分析》,A.Zorich,第二版)的第一章标题是——基本概念(集合、函数等),第二章标题是——实数。是不是感觉高一就学完了?

数学的基础思维是什么(数学世界观上)(3)

但是书里将实数和加、乘法运算从另外一个重新进行了定义,运用了从一般到特殊的演绎方法——现在我们要找一个同时满足加法公理、乘法公理、序公理和完备公理的集,满足这些条件的集可能有很多个,我们常用的实数集刚好符合要求,里面的0、1、加法、乘法刚好能用上,挺好,就你吧。

就好比我们平时描述地球,会说上面有山有水,住着人和动植物。数学分析会这样去描述:为了找一个能产生生命的星球,星球温度要在2℃以上,氧气含量在28%以上,有液态水,引力适中巴拉巴拉。定义完了以后,在宇宙搜一圈发现地球刚好满足,挺好,以后就你了。

数学的基础思维是什么(数学世界观上)(4)

这并不是数学家们的矫情。

虽然实数是我们天天在用的概念,但是要给它作一个定义,其实是很难的。这本书一耙刨到这个概念的根子里面去,顺带挖出实数一些有用的性质,在此之上再衍生出其他变化万千的性质、定理等等,最后形成了丰富多彩的代数世界。

这里可以看出数学非常重视概念的定义,同时也看出了它的严谨性,那就是定义之外别无它物。类似的还有欧几里得几何理论体系,用一些基本概念和五条公理推导出我们常见的整个几何体系。更有意思的是,这些公理作为整个体系的基石,还可以挪动,例如将第五公理改写,可以搭建出黎曼几何、罗氏几何等完全不同样子的大厦!

所以,学数学的人在争辩问题的时候,常常会说“这要看你怎么定义XXX”,因为在他们眼里,没有清晰的定义,整个讨论就无从谈起了。

数学概念和由此推导而成的定理,是使用者从无到有的创造,然后又利用这些创造去约束其他的万事万物,类似于道家中“法”的概念

这些数学理论构成了数学大树的枝干。所有细枝末叶,都是从枝干延伸出去的。枝干一圈一圈地增长,支撑着树冠长得越来越繁茂。

(未完待续)

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