公理法
選取少數(shù)不加定義的原始概念(基本概念)和無條件承認的規(guī)定(公理)作為出發(fā)點,再加以嚴格的邏輯推理,將某一數(shù)學分支建成演繹系統(tǒng)的方法,叫數(shù)學系統(tǒng)的公理化方法,簡稱“公理法”.
兩千多年來,歐幾里得的《幾何原本》在傳播幾何知識方面做出了巨大的貢獻,并一直被人們作為標準的教科書使用.《幾何原本》的特點是建立了一個比較嚴密的幾何體系,提出了幾何學的“根據(jù)”和它的邏輯結構問題.但是,隨著時間的推移,人們逐漸發(fā)現(xiàn)《幾何原本》的體系還存在不少破綻和漏洞,例如使用一些未知的定義來解釋另一個未知的定義,這樣的定義既不能邏輯地確定幾何名詞和術語,也不能在邏輯推理中起作用;《幾何原本》也使用了一些未曾定義的概念,如“連續(xù)”的概念就未定義而被使用.正是由于對《幾何原本》在邏輯結構方面存在的破綻和漏洞的發(fā)現(xiàn),推動了幾何學的不斷發(fā)展.
1899年,德國數(shù)學家希爾伯特在他的《幾何基礎》一書中,首次用公理化的方法提出了一個比較完善的幾何學的公理系統(tǒng),即希爾伯特公理體系,克服了《幾何原本》中的一些缺點.
希爾伯特公理體系的主要思想包含:
(1)把幾何中的點、直線、平面等概念,作為不加定義的“原始”概念,叫基本對象.
(2)給出幾何元素的一些基本關系:結合關系、順序關系、合同關系.
(3)規(guī)定了五組公理,用它闡述基本對象的性質.
希爾伯特還提出建立一個公理化體系的原則,即在一個公理體系中,取哪些為公理,應包含多少公理,必須考慮以下三點:
第一,相容性,即各公理必須是互相不矛盾的,同存于一個體系中.
第二,獨立性,即每條公理都是各自獨立的,不能由其他公理推出.
第三,完備性,即體系中所包含的公理應足以推出本學科的任何命題.
歐幾里得的幾何體系實際上是公理化體系的雛形,常稱之為古典公理體系.
公理化方法給幾何學的研究帶來了一個新的觀點.在公理體系中,由于基本對象不加以定義,因此就不必考慮研究對象的直觀形象,只要研究抽象的對象之間的關系、性質.凡符合公理體系的元素都可以作為這個幾何體系的直觀解釋,或稱幾何學的模型.因此,幾何學的研究對象更廣泛,其含義也更抽象.
20世紀以來,由于公理化方法在研究幾何基礎方面所取得的成就,促使公理化方法滲透到數(shù)學的其他分支,諸如代數(shù)、泛函、拓樸等比較抽象的數(shù)學分支的研究.公理化方法對近代數(shù)學的發(fā)展所產生的巨大影響,已成為舉世公認的事實,公理化方法早已超過數(shù)學理論范圍,進入其他自然科學的領域.如本世紀40年代波蘭數(shù)學家巴拿赫完成了理論力學的公理化,物理學家還將相對論表述為公理體系等等.當然,公理化方法若不與實驗方法相結合,不與科學方法相結合,也不會更好地解決和發(fā)現(xiàn)問題.