和数学家一样思考的10种方法

《像数学家一样思考》是英国数学教授Kevin Houston的一本科普书,与作品相伴的还有一套简化版,如下:

01

质疑一切

在我看来,数学的真正美妙的地方之一在于它可以被检验;你不必把任何人的话当做圣经。如果有人给你说一些事情是真的,那你可以让他证明;最好是,如果你真的想同数学家一样思考,那你可以尝试主动证明它。不要等着有人拿勺子喂你;

对于一些人的话,你的反应应该是怀疑,并且试图去找到一个反例;即便是真的,这种对你的锻炼也是有益的,同时也能帮助我们对事情的判断力;(注意,在真实生活场景中过度这么做可能会失去朋友—— 一直挑别人的刺,谁都会不爽)

某报纸的一份来信说时间旅行从逻辑上是不可能的,因为如果时间旅行是可能的,那我们是会看到很多来自未来的人。我有一些想法来反驳这个逻辑:或许时间旅行只允许我们穿越到过去某点时间(比人类历史还要长);或许时间旅行者不允许和我们交流;或许时间旅行有一个范围,能穿越的时间不超过一年,而时间旅行在数年后才出现(并且时间旅行的机器不能穿越)。

02

写下来

写下来?你可能会问,这跟和数学家一样思考有个啥关系。是这样的,语言是由一些论据构建的。高水平数学家的论据都是证明的形式(不仅仅是给出正确的数字答案)
学生通常看不到写下来的需要;他们常常说:’我来大学不是来写作文的’,’我已经知道正确答案了’,’你懂的’。他们的作业都是一些没有关系的符号堆砌但依然可以获取高分。但是,如果你想去理解数学并且思路清晰,通过写的练习可以迫使你对自己的观点想的更清楚。如果你不能正确的描述,那么很可能你并不是真正理解了你要表达什么。这是一个可以学习和发展自己技术的很好机会。其实写的一手好文章在任何领域都是很有用的技术。
彩蛋:一个提高自己数学写作和思考的方式是学会恰当的使用隐含符号 =》

03

试试逆?

语句A=>B是数学的核心,我们可以表述为如果A是真的,那么B就是真的;A=>B的逆就是B=>A,例如:”如果我是丘吉尔,那我是英国人”的逆是”如果我是英国人,那么我是丘吉尔”;这个简单的例子说明了,即便是一个语句是真的,那么其逆可能非真;可能真也可能非真,说之前要搞清楚;一个好的数学家,当提出一个A隐含B的语句时,通常会思考”其逆为真么?”,把这个问题印到脑子里,作为你和数学打交道的工具;然后,其逆是否为真并不是很重要,关键是磨练数学的能力;说个题外话,通常人们会犯一个大错误,就是当A=>B时,认为如果A非真的,那么B也非真的;这是不对的,这个语句只是在说当A为真是会发生什么,并没有说A非真时的情况。现在可以像一个数学家一样思考一下,给一个例子。

04

试着互逆

一条语句’A => B’ 的互逆是 ‘not B => not A’;

例如:

1)『如果我是丘吉尔,那么我就是英国人』的互逆就是『如果我不是英国人,那么我就不是丘吉尔』

2) 『如果我不是美国人,那么我就不是德克萨斯人』的互逆就是『如果我是德克萨斯人,那么我就是美国人』

3) 『x^2 – 4x – 5 = 0 => x >= -2』的互逆就是『x<-2 => x^2-4x-5 != 0』

A=>B的互逆命题和自身的真假惊奇的一致!也就是说,如果A=>B是真的,那么not A => not B就是真的,反之亦然。可以验证一下上面的例子。一开始可能很难在脑子里形成固有概念 – 其实大多数人都不相信;有一个著名的关于互逆的教育实验,叫做Wason的选择任务。可以看一看你是否能通过测试,只有不到10%的人通过了;

由于互逆经常用做证明,并且日常推理也经常搞错,所以你应该掌握。

05

考虑极端情况

面对一个命题,要在少量极端的假设情况下看看;如果需要的参数为0或者1会怎样?如果把需要的函数定义为f(x)=0会怎样?数据集为空呢?如果需要的序列为1,1,1,1。。。呢?直线或者圆会有什么结果?

这些例子可以帮我们更深刻的理解,意味着命题可以应用的场景;考虑一个极端的例子『如果Y=X^2,Z=Y^2,所以Z != X^2』。貌似Y和Y^2一般场景下是真的,但其实不然,比如Y=1,当X=1的条件下;

用一个极端的例子说明下列原理是错误的:

原理:假设a,b,c,d是正整数,如果ab=cd,a=c,那么b=d;

想给出好的极端例子需要积累,因此需要平时注意收集,用到的时候信手捏来,有一个训练方法,想象你正在酣睡,突然大半夜有人把你摇醒说:快!给我一个X的好例子,快!X可以是群组、向量、函数等数学对象。

06

构造自己的例子

真正的数学家创造自己的例子,不管是标准例子,极端例子还是非实例!让我们看看工作示例(例如过程、算法等)。
考虑到极大值和极小值在微积分中的标准。我们首先定义如何区别一个函数。然后将奇点定义为导数为零的点。其次,我们告诉我们奇点有3种类型:极大值、极小值和拐点。然后显示函数的二阶导数决定类型。在这些例子之后:这里有一个函数,这里是奇点的位置,这是奇点的类型。
学会方法后可以使用函数找到奇点类型,但如果我反过来问你,能否创建一个变量为x的函数f,函数的最大值和最小值分别为x=2和x=-6,这将是一个更加困难的考验。但在尝试这样做时,你可以学到很多数学知识。
因此,拿到计算方法后,您应该将其反转以创建新的问题。此外,如果你和你的朋友一起制造这些问题,那么你可以交换他们(交换的是问题,而不是朋友),并从中得到更多的实践。你也可以设置一个竞赛:看看谁能设置最难但还在解决范围内的问题。

07

假设用在哪里

学生们常对我说他们很难理解证明,这是正常的。因为证明的重点在于逻辑性和推导性,而不是提供洞察定理的陈述或它的证明是如何被发现的。普通学生在解题时面临的问题往往是“不知从何处入手”。因此,理解证明是学习成为数学家最困难的部分之一。
《像数学家一样思考》第18章的全部内容都是用各种方法来理解证明的,例如,把它分解成部分,把证据应用于一个例子。我们只考虑下面的技巧。
每个定理都有假设。例如,毕达哥拉斯定理假设我们有一个直角三角形。这些假设是证明的必要条件或背景。因此,可以从假设入手,积极寻找公式定理的应用方向,你将开始了解数学证明。
有些假设可能是隐藏的。例如,证明中往往会有“根据定理5.7,我们可以看到……”的字样,这说明定理5.7是我们需要的假设之一。(顺便说一下,如果一个定理在不同的证据中一次又一次地被使用,它一定是非常重要的,并且有潜力被用在你的证明中,所以要学好它。)
通过寻找假设,你将开始数学证明之旅,并将清晰地看到它是推导的过程以及构造,作为无偿的奖励,你也会加深对证明的理解。

08

从复杂的一面开始

从复杂的一面开始,这是我能够给出的,证明等式成立的最高秘诀。从更复杂的部分入手,通过替换来降低表达式另一端的难度。

09

问“如果有……那么会怎样”

好的数学家喜欢问:“假如我放弃这个假设会发生什么?通过思考这个问题,我们可以更好地理解为什么一个结果是正确的,或者为什么定义是这样的。有时我们可以通过弱化假设来创造一个新的定理!

10

交流!

飞马会

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