Что значит математический язык. Язык математики

Доклад на конференции в рамках «Дней науки»
(организатор — Фонд «Династия», СПб, 21−23 мая 2009 г.)

Вообразите Париж 20-х годов — столицу модернизма и мировой моды. Коко Шанель, вспоминая это время, рассказывает Полю Морану о Пикассо: «Я восхищалась его живописью, хотя не понимала ее. Но я находила ее убедительной, а это то, что я люблю. Для меня это как таблица логарифмов».

Вдумайтесь в эту удивительную параллель. Математика абстрактна, живопись Пикассо абстрактна; казалось бы, вот самое очевидное сходство между двумя непонятностями: «Девушка с обручем» (1919) и «Таблица логарифмов». Но Шанель выбирает другое слово: обе «убедительны», а убедительность — это то, что ее привлекает.

В рамках этого доклада, посвященного разным языковым аспектам содержания и формы математической деятельности, я постараюсь уделить специальное внимание этому качеству — «убедительности».

На личностном уровне убедительность доказательства, идеи, компьютерной симуляции зависит от предрасположенности математика к геометрическому или логическому мышлению, философских склонностей (возможно, неосознаваемых), наконец, ценностной установки.

В социальном плане в игру вступают крупномасштабные исторические обстоятельства, которые могут способствовать как поразительному расцвету математики, так и ее практическому исчезновению.

По понятным причинам историки математики обращаются к тем местам и временам, где математика создавалась или хотя бы принималась по наследству. Но очень интересно было бы пристально вглядеться в исторические обстоятельства ее неприятия, вплоть до (временного) ухода со сцены.

Развитие античной, главным образом греческой, математики в Европе прервалось по крайней мере на первую тысячу лет христианства. Ho еще до христианства практичные и воинственные римляне, создав высокую цивилизацию, интегрировали в нее греческую гуманитарную культуру, но не греческую науку. Даже очевидные военные приложения не смогли соблазнить их. Согласно Плутарху, при осаде Сиракуз римский генерал Марцелл тщетно призывал своих солдат не отступать перед «этим геометрическим Бриареем» (Архимедом), который со своими военными игрушками «превосходит сторуких гигантов мифологии!»

Впрочем, сам Архимед не считал свои инженерные свершения «приложением» своей математики: для его могучего ума они были отвлечением от математики, которого он предпочел бы избежать.

Скудное математическое наследие античного Рима включает дошедшую до наших дней систему обозначения целых чисел:

I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII, IX, X, XI,…, L,…, C,…, D,…, M.

Поучительнее всего рассматривать ее как уникальную археологическую коллекцию следов архаического состояния математической мысли.

Единица I символизирует зарубку на посохе (не латинскую букву I — это позднее переосмысление). Усилие, уходящее на каждую зарубку, и занимаемое ею место на, скажем, пастушеской палке, заставляет переходить от тупой, но предельно систематической и потенциально бесконечно продолжимой системы обозначения чисел

I, II, III, IIII, IIIII, IIIIII,. . .

к гораздо более непоследовательной (и не позволяющей уйти в бесконечность), но поначалу экономной и уютной системе скорее «имен», чем символов (так же в начальном отрезке прослеживаемой до зарубок):

I = 1, V = 5, X = 10, L = 50, C = 100, D = 500, M = 1000.

Короткие последовательности этих примарных символов интерпретируются с помощью сложения, иногда вычитания: 2009 = MMIX = M + M — I + X. Конечно, нуль не имеет имени. Ужас перед «отсутствием», «пустотой», глубоко укоренен в человеческой психологии. Еще Экклезиаст сказал: «Чего нет, того нельзя считать».

Невозможность обозначить нуль критически мешает развитию системы и превращению ее в позиционную.

Распространение позиционной системы записи чисел в Европе после выхода книги Леонардо Фибоначчи Liber Abaci (1202) было в сущности началом экспансии единственного действительно глобального мирового языка. Семантикой этого языка был счет чего угодно: зарубок, скота, кораблей, флоринов… Его ядерный синтаксис определялся универсальным правилом перевода абстрактного количества в позиционную (десятичную) запись и обратно. Наконец, его прагматика имела две стороны. Когда референтом текста, состоящего из чисел, был фрагмент внешнего мира, скажем торговля, важным связующим звеном между текстом и внешним миром становились синтаксические правила более высокого уровня. Знаменитый пример таких правил — система двойной бухгалтерии, кодифицированная Лукой Пачиоли в 1494 г.

Когда референтом числового текста служили данные научных, например астрономических, наблюдений, его прагматика могла быть связана с предсказанием, скажем, затмения или построением количественной модели Солнечной системы. В этом случае текст должен был подвергнуться алгоритмической переработке. Иными словами, он служит входом для некоторой программы, тогда как ее выходом становится новый числовой текст, опять имеющий референтом наблюдаемый мир.

Неоценимым достоинством позиционной системы была ее идеальная приспособленность к такой алгоритмической переработке, в частности простые и универсальные правила сложения и умножения, которым можно было научить школьников и клерков. Более сложные программы — инструкции клеркам — описывались на естественном языке как итерация элементарных алгоритмов с добавлением условных переходов («если дебит клиента NN превзойдет его кредит на ZZ флоринов, прекратить поставки»).

Язык программ очень долго существовал лишь как неформализованный поддиалект естественного языка с очень ограниченной (хотя критически важной) сферой применимости. Еще Алан Тьюринг, уже в XX в., мотивируя свою универсальную формализацию вычислимости, когда говорил «компьютер», подразумевал человека, механически следующего конечному списку лежащих перед ним инструкций.

Парадоксальный пример такой деятельности, ставший культурно-историческим памятником общецивилизационного масштаба, — 90 страниц таблиц натуральных логарифмов Джона Непера, опубликованные в его работе Mirifici Logarithmorum Canonis Descriptio, 1614 (интуиция Коко Шанель и здесь не обманула ее). Логарифмы были вычислены знак за знаком, вручную. Конечно, Непер соединял в одном лице роль творца новой математики и клерка-компьютера, следующего собственным инструкциям.

Тем поразительнее философское прозрение Лейбница, его знаменитое Calculemus!, постулирующее, что не только манипуляции с числами, но любое строгое и логически последовательное рассуждение, выводящее умозаключение из принятых посылок, должно быть сводимо к вычислению.

Нанесение на карту точных границ лейбницевского идеального мира, в котором рассуждение эквивалентно вычислению, истинность может быть формализована, но не всегда может быть формально удостоверена, где с предельной ясностью можно увидеть, как даже самая малая канторовская бесконечность (натуральных чисел) ускользает из объятий конечно порожденного языка, и было высшим достижением великих логиков ХХ в. (Гильберт, Черч, Гедель, Тар-ский, Тьюринг, Марков, Колмогоров…).

Центральное понятие этой программы, формальный язык, унаследовало основные черты как естественных языков (фиксируемых посредством алфавитной письменности), так и позиционной системы записи чисел и арифметики. В частности, любой классический формальный язык одномерен/линеен, состоит из дискретных символов, эксплицитно выражает базисные логические средства.

Любой реальный математический текст состоит из слов с вкраплениями формул. Формулы можно считать выражениями формального языка (он может меняться от статьи к статье, но часто представляет собой просто версию языка теории множеств).

Вопрос о том, как слова и символы делят между собой функцию передачи содержания, заслуживает отдельного обсуждения. Важнее всего, что слова адресуют работу людям, а не читающим автоматам; они же занимаются такими тонкостями, как выражение системы ценностей автора.

Формулы не всегда и не везде являются носителем смысла в ядерных фрагментах математического текста. По крайней мере со времени Евклида и до наших дней в школьных учебниках геометрии роль формул играют чертежи. Многие помнят рисунок квадрата, разделенного двумя линиями на два меньших квадрата и два прямоугольника. Этот чертеж иллюстрирует/заменяет/доказывает формулу (а + b) 2 = а 2 + 2ab + b 2 .

Гораздо интереснее — и гораздо менее известен — чертеж, иллюстрирующий античную теорему Паппа Александрийского (около 300 г. н. э.).

Пользуясь им, удобно проиллюстрировать, как геометрическое мышление математиков взаимодействует с формульным и формальным, причем на протяжении многих поколений.

Прежде всего — о содержании теоремы.

Начнем с плоского шестиугольника, на чертеже его вершины BXbCYc. (Он не обязан быть выпуклым, как на картинке! Вот первая ловушка чертежей — они часто заставляют принимать неосознанные ограничения.)

Любая пара противоположных сторон шестиугольника, скажем Bc и bC, определяет также промежуточную между ними диагональ XY. Продолжим эти две стороны и диагональ; может оказаться, что три прямые пересекутся в одной точке.

ТЕОРЕМА ПАППА. Если это свойство выполняется для двух пар противоположных сторон шестиугольника, то оно выполняется и для третьей пары.

Это удивительный результат. Прежде всего, трудно вообразить себе, как к нему можно было прийти. Он не принадлежит евклидовой геометрии: расстояния, длины и углы не играют в его формулировке и доказательстве никакой роли; не играет роли также группа эвклидовых движений плоскости. Единственные структурные отношения примитивны: плоскость состоит из точек; прямые — это некоторые подмножества точек; две прямые пересекаются ровно в одной точке; через две точки проходит одна прямая.

Только в XIX в. было понято, что теорема Паппа — центральный результат плоской проективной геометрии. Сначала это была геометрия обычной плоскости над вещественными числами. Потом открылось, что-то же верно для проективной плоскости над любым абстрактным полем; это поле, его законы композиции и аксиомы — всё восстанавливается по конфигурациям Паппа.

Наконец, ближе к концу XX в. оказалось, что эквивалентность теоремы Паппа с теорией коммутативных полей объясняется и обобщается в широком контексте теории моделей. Модель формального языка есть, попросту говоря, отображение этого языка в язык теории множеств вместе со стандартной интерпретацией последнего. Так смысл изысканного чертежа проявляется в сложной метаязыковой конструкции.

Чертежи не поддаются объединению в язык по многим причинам. Синтаксис чертежей прихотлив и не систематичен, синтаксические связи между ними сопротивляются формализации, чертежи обладают целостностью, которая утрачивается при анализе. Их функция в разных процессах передачи и хранения информации отличается от функции даже «синонимичных» языковых конструкций, они взывают к другому типу воображения, к право-полушарной интуиции.

Когда с развитием гомологической алгебры и теории категории во второй половине ХХ в. в математику стали внедряться «чертежеподобные» языковые конструкции, коммутативные диаграммы, должен был пройти некоторый период привыкания к ним.

На рис. 2 изображена такая диаграмма (вполне реалистическая: из работы Д. Борисова и автора, 2007 г.). Элементарной составляющей диаграммы является коммутативный квадрат. До эры категорий линейная языковая запись утверждения, выражаемого этим квадратом, почти исчерпывалась бы равенством h ◦ f = k ◦ g. Но это верно лишь с существенной оговоркой: f, g, h, k здесь — морфизмы в категории, и необходимо знать, из какого объекта в какой каждый морфизм «бьет».

Более того, в большой диаграмме на рис. 2 можно увидеть косые стрелки, вроде а. Такая стрелка изображает морфизм не в исходной категории, скажем C, где живут объекты, имена которых отмечают начала и концы стрелок. Она изображает морфизмы в категории морфизмов Mor C:

а: Id ◦ F"- F" ◦ G.

Точное содержание диаграммы можно передать лишь подробно откомментировав ее обычным линейным текстом, перемежающим слова и формулы. Но делает ли такой текст излишней самое диаграмму? Нет! (Я переписывался с коллегой по электронной почте, обсуждая вполне конкретный математический сюжет. В тексте e-mail, конечно, приходится обходиться словесными экивоками. Вдруг я получаю от своего корреспондента вопль души: «Диаграмму! Полцарства за диаграмму!»)

Ниже я намерен аргументировать точку зрения, согласно которой, развитие теории категорий, и в особенности гомотопической топологии, в течение последних десятилетий не только было существенным прогрессом конкретной области математики, но также способствовало осознанию и вербализации происходящего на наших глазах эпистемологического сдвига в том, что принято было называть «основаниями» математики.

Я должен оговориться: для меня «основания» лишены прескриптивной или нормативной функции. Я понимаю под «основаниями» плод работы математиков, которые склонны вглядываться в практику выбора задач, оформления доказательств и экспериментов, в ценностные ориентации живущих и ушедших поколении математиков.

Важнейшая социальная функция исследований, посвященных основаниям, состоит в поддержании диалога между «двумя культурами» (Ч.П.Сноу). Диалог этот начинается потому, что математика постоянно вызывает естественное философское беспокойство. Если не принимать буквально существование объективного, независимого от нас платоновского мира идей (а философы иногда готовы не принимать даже существования мира вещей и явлений), то придется признать, что математика есть просто плод высокотренированного воображения нескольких тысяч человек в каждом поколении.

Тогда, даже оставив на время заботу о критериях «истинности» математических утверждений, нельзя не поразиться упрямой устойчивости математического знания, его межпоколенческой и межцивили-зационной воспроизводимости.

Больше того, это знание не просто воспроизводится, как воспроизводятся тексты «Одиссеи», «Гильгамеша» или Евангелия. Оно развивается и обогащается, в последние 200 лет — с неслыханной прежде скоростью.

Возвращаясь к проблеме математического содержания «оснований математики» и его исторической эволюции за последние полторы сотни лет, я представлю ее следующим образом.

Исходным ментальным образом, общим для огромного большинства работающих математиков после, скажем, Второй мировой войны, является образ множества с дополнительной структурой: топологического пространства, группы, кольца, пространства с мерой…

На первых ступеньках это множество является чисто канторовской абстракцией: природа его элементов не важна, важно лишь, что они попарно различимы и мыслятся как объединенные в единое целое. На следующих этапах элементы нового множества могут быть открытыми подмножествами предыдущего, локальными функциями на нем и т. п.

Сам Кантор в минималистком вдохновении задал самые базисные вопросы о таких множествах, продемонстрировал бесконечную шкалу бесконечностей и оставил нескольким поколениям логиков задачу разбираться с онтологией и гносеологией этой шкалы.

Более прагматичное поколение, пережившее первую войну, построило на этом потенциально метафизическом фундаменте архитектурно современное и функционально эффективное здание работающей математики из индустриально производимых элементов под названием «структуры» в смысле Бурбаки.

Вопросы о шкале бесконечностей ушли для работающих математиков на задний план, но дискретные множества как основной строительный материал остались. Непрерывное стало надстройкой над дискретным.

Между тем, еще до Кантора некоторые проблемы со строительством из множеств даже элементарной арифметики были совершенно ясны. Если натуральные числа именуют количества палочек или любых конечных дискретных множеств,

I, II, III,. . .

то уже нуль как мощность пустого множества создает психологические проблемы, а отрицательные числа требуют или искусственной алгебры, или интерпретации в совершенно другом универсуме, скажем экономических отношений («долг»).

Вместе с тем, если исходным элементом интуиции считать непрерывное, а дискретное вводить как производную структуру, то целые числа получают удивительно естественное воплощение. Вообразите точку, движущуюся по плоскости. Пусть она выходит из какой-то начальной позиции, блуждает некоторое время, а потом возвращается назад, ни на момент не попадая, скажем, в начало координат. Вопрос: сколько раз она обойдет вокруг начала? Нетрудно дать точное определение этому целому числу: оно может быть нулем, положительным или отрицательным (обходы бывают по часовой стрелке, а бывают — против).

Более того, нетрудно понять, как обходы сначала в одну сторону, а потом в другую сокращаются (1 — 1 = 0): путь, состоящий из двух таких обходов, можно стянуть в точку, не задевая начала координат.

Так что же было вначале, дискретное или непрерывное? Конечно, это архетипический вопрос философии: ijoyoq, вероятно, символизирует дискретное, а х ао? — непрерывное.

Пользуясь метафорой из смежной профессии, этнографии, я сравнил бы эту ситуацию с теорией мифа по Леви-Строссу. Не без влияния Бурбаки Леви-Стросс сконструировал интерпретацию мифа как медиации оппозиции. Обдумывая его концепцию четверть века назад, я предположил эволюцию в обратном направлении: согласно этому взгляду, миф отмечает эпоху, когда осознание оппозиции («дискретного») рождалось из ментального хаоса. Так музыкальная нотация рождалась из самой музыки.

Способ вводить целые числа, который я набросал выше — считать количество обходов с учетом ориентации, которые делает замкнутый путь на плоскости вокруг начала координат, — начал свое существование как одна из самых ранних теорем гомотопической топологии.

Геометр, занимающийся гомотопической топологией, видит умственным взором бесконечномерные пространства, которые могут деформироваться и должны деформироваться вплоть до стягивания в одну точку. В конечном счете дискретность, которую тополог вычисляет и передает дискретным языком, сводится к «связным компонентам» этих пространств и производных от них пространств отображений.

В популярных изложениях математики, а теперь и в видеофильмах «узлы» в R 3 , или «выворачивание сферы наизнанку», используются, чтобы экстериоризировать такие приватные ментальные образы. Возможности этой экстериоризации как учебного средства ограничены, так же как ограничена возможность вообразить себя Святославом Рихтером, исполняющим Шуберта, посмотрев его интервью с Бруно Монсенжоном.

Поэтому я смогу лишь вкратце изложить свои впечатления об эпистемологическом сдвиге, динамику которого я различаю в основаниях математики.

Суть его состоит в том, что отношения между дискретным и непрерывным, между языком и воображением, между алгеброй и топологией инвертируются. Непрерывность, геометрическое воображение, топология медленно завоевывают место первичного математического материала.

Язык становится вторичным, подчиненным, его «внутренняя письменность» возвращается к архаичной иероглифической форме, и его материей делается комбинаторика геометрических образов. Сама эта комбинаторика нелинейна, многомерна, и уже на уровне своего зарождения новый язык смешивает синтаксис, семантику и прагматику способами, которые мы еще не начали философски осмыслять.

Коммутативные диаграммы категорного языка были предвестием такой эволюции. С проникновением в обиход поликатегорий, обогащенных категорий, А∞-алгебр и подобных структур мы начинаем говорить на языке, который в гораздо меньшей степени поддается экстериоризации, чем мы привыкли.

Очень убедительным для меня аргументом в пользу того, что эта перцепция — больше, чем моя частная иллюзия, было осознание параллельных процессов, происходящих на границе математики с теоретической физикой. Я имею в виду Фейнмановские интегралы, методы ренормализации и такие их приложения, как интеграл Виттена, вычисляющий инварианты узлов.

В заключение я хочу вернуться к теме, с которой начал, — проблеме убедительности математики и, более общо, современной науки.

Убедительность личного опыта, свидетельств очевидцев, отсылка к авторитетам и авторитетным текстам часто воспринимаются как полный список средств убеждения. Конечно, физики, химики, биологи добавляют к этому списку направленный эксперимент.

Но я бы хотел рассмотреть здесь то, что я назову «цивилизационным» аргументом, интуитивно угаданным Коко Шанель. Цивилизация предоставляет в наше распоряжение способы проверки истинности, которые не сводятся ни к апелляции к авторитетам, ни к личному опыту разбора длинных математических доказательств, ни к свидетельствам.

Готовясь к этому докладу, я вел обильную переписку по электронной почте. Возможность ее воспринимается почти всеми сейчас как нечто, само собой разумеющееся. Но ее сделал возможной такой уровень математики, выстроенной за 2 тыс. лет, полномасштабную убедительность которого ни мы сами, ни авторитетные для нас люди проверить не в состоянии. Математика верна кроме всего прочего и потому, что открытие уравнений Максвелла привело к технике передачи информации электромагнитными волнами, а Булева алгебра стала работать в вашем и моем ноутбуке.

Культура математического рассуждения в цивилизационном аспекте есть важнейшая форма объективации абстрактного математического знания, способ его передачи от поколения к поколению.

В личностном плане математическую культуру, культуру доказательства я сравнил бы с тренировкой музыканта — отработка точности мелких движений, пока они не станут автоматическими и смогут быть синтезированными, скажем, в «Сонату для скрипки соло» Баха. Кодификация формального языка с его компонентами логики и теории множеств была идеальным средством такой «отработки точных движений». Но если она сопровождается идеологической пропагандой вроде интуиционизма или конструктивизма, она становится философски зашоренной и цивилизационную ценность теряет.

Шаповалова Анна

В работе рассказывается о развитии и универсальности языка математики.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Секция Математика

«Язык математики»

Доклад.

Выполнила Шаповалова Анна

Научный руководитель

Романчук Галина Анатольевна

учитель математики высшей квалификационной категории .

Введение.

Увидев в кабинете высказывание Г.Галилея «Книга природы написана языком математики» я заинтересовалась: а что же это за язык?

Оказывается, Галилей придерживался мнения о том, что природа сотворена по математическому плану. Он писал: “Философия природы написана в величайшей книге,… но понять ее сможет лишь тот, кто сначала выучит язык и постигнет письмена, которыми она начертана. А написана эта книга на языке математики”.

И вот, что бы найти ответ на вопрос о математическом языке, я изучила много литературы, материалов из интернета.

В, частности, нашла в Интернете «Историю математики» Стройка Д.Я., где узнала этапы развития математики и математического языка.

Я постаралась ответить на вопросы:

1. как возник математический язык;
2. что собой представляет математический язык;
3. где он распространен;
4. действительно ли он универсален.

Я думаю, это будет интересно не только мне, т.к. все мы пользуемся языком математики.

Поэтому целью моей работы стало изучение такого явления как «математический язык» и его распространение.

Естественно, что объектом исследования будет математический язык.

Я сделаю анализ применения математического языка в различных областях науки (естествознании, литературе, музыке); в повседневной жизни. Докажу, что этот язык действительно универсален.

Краткая история развития математического языка.

Математика удобна для описа ния самых разнообразных явлений реального мира и тем самым может выполнять функцию языка.

Исторически составные части математики - арифметика и геометрия - выросли, как известно, из нужд практики, из необходимости индуктивного решения различных практических задач земледелия, мореплавания, астрономии, сбора налогов, возврата долгов, наблюдения за небом, распределения урожая и т.п. При создании теоретических основ математики, основ математики как научного языка, формального языка наук, различных теоретических построений стали важными элементами различные обобщения и абстракции, исходящие из этих практических задач, и их инструментарий.

Язык современной математики - результат ее длительного развития. В период своего за рождения (до VI в. до н. э.) математика не имела собственного языка. В процессе формирования письменности появились математические знаки для обозначения некоторых натуральных чисел и дробей. Математический язык античного Рима включает дошедшую до наших дней систему обозначения целых чисел был скуден:

I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII, IX, X, XI,..., L,..., C,..., D,..., M.

Единица I символизирует зарубку на посохе (не латинскую букву I - это позднее переосмысление). Усилие, уходящее на каждую зарубку, и занимаемое ею место на, скажем, пастушеской палке, заставляет переходить от просто системы обозначения чисел

I, II, III, IIII, IIIII, IIIIII, . . .

к более сложной, экономной системе скорее «имен», чем символов:

I = 1, V = 5, X = 10, L = 50, C = 100, D = 500, M = 1000.

В русском языке числа записывались буквами с особым знаком «титло»

Первые девять букв алфавита обозначали единицы, следующие 9 – десятки, и последние 9 – сотни.

Для обозначения больших чисел славяне придумали свой оригинальный способ: десять тысяч – тьма, десять тем – легион, десять легионов – леодр, десять леодров- ворон, десять – ворон – колода. И более сего несть человеческому уму разумевати, т.е. для больших чисел нет названий.

В следующем периоде развития элементарной математики (VI в. до н. э. -XVII в. н. э.) основным языком науки был язык геометрии. С помощью отрезков, фигур, площа дей и объемов изображались объекты, доступ ные математике того времени. Именно поэтому знаменитые "Начала" Евклида (III в. до н. э.) впоследствии воспринимались как геометри ческий труд, хотя большая их часть - это изло жение на геометрическом языке начал алгебры, теории чисел и анализа. Однако возможности геометрического языка оказались недостаточ ными для обеспечения дальнейшего развития математики, что привело к возникновению сим волического языка алгебры.

Проникновением в науку теоретико-мно жественной концепции (конец XIX в.) начинается период современной математики. Построение математики на теоретико-множественном бази се вызвало кризис ее основ (начало XX в.), так как в теории множеств были обнаружены противоре чия. Попытки преодоления кризиса стимулиро вали исследования проблем теории доказа тельства, которые в свою очередь потребовали разработки новых, более точных средств выра жения логического компонента языка. Под вли янием этих потребностей и получил дальнейшее развитие появившийся в середине XIX века язык математической логики. В настоящее время он проникает в различные разделы математики и становится составной частью ее языка.

Основой развития математики в XX веке стал сформировавшийся формальный язык цифр, символов, операций, геометрических образов, структур, соотношений для формально-логического описания действительности, - то есть сформировался формальный, научный язык всех отраслей знания, в первую очередь, естественнонаучных. Этот язык успешно используется в настоящее время и в других, "не естественнонаучных" областях.

Язык математики - это искусственный, формальный язык, со всеми его недостатками (например, малой образностью) и достоинствами (например, сжатостью описания).

Разработка искусственного языка символов и формул была величайшим достижением науки, в значительной мере определившим дальнейшее развитие математики. В настоящее время стано вится очевидным, что математика - это не толь ко совокупность фактов и методов, но и язык для описания фактов и методов самых разных облас тей науки и практической деятельности.

Распространение математического языка

Таким образом, математический язык - это совокупность всех средств, с помощью которых можно выразить математическое содержание. К таким средствам относятся логико-математи ческие символы, графические схемы, геометри ческие чертежи, система научных терминов вместе с элементами естественного (обычного) языка.

Математический язык в отличие от естест венного является символическим, хотя и естест венный язык тоже пользуется определенными символами - буквами и знаками препинания. В использовании символов в математическом и естественном языках имеются существенные различия. В математическом языке один знак обозначает то, что в естественном языке обозначается словом. Этим достигается значительное сокра щение "длины" языковых выражений.

Применение математического языка в естествознании.

«... Все законы выводятся из опыта. Но для выражения их нужен специальный язык. Обиходный язык слишком беден, кроме того, он слишком неопределен для выражения столь богатых содержанием точных и тонких соотношений. Таково первое основание, по которому физик не может обойтись без математики; она дает ему единственный язык, на котором он в состоянии изъясняться". "Механизм математического творчества, например, не отличается существенно от механизма какого бы то ни было иного творчества". (А.Пуанкаре).

Математика - наука о количественных отношениях действительности. "Подлинно реалистическая математика представляет собой фрагмент теоретической конструкции одного и того же реального мира."(Г.Вейль) Она является междисциплинарной наукой. Результаты ее используются в естествознании и общественных науках. Роль математики и языка, которым она говорит, в современном естествознании проявляется в том, что новая теоретическая интерпретация какого-либо явления считается полноценной, если удается создать математический аппарат, отражающий основные закономерности этого явления. Во многих случаях математика играет роль универсального языка естествознания, специально предназначенного для лаконичной точной записи различных утверждений.

В естествознании все шире использует математический язык для объяснения природных явлений, это:

1. количественный анализ и количественная формулировка качественно установленных фактов, обобщений и законов конкретных наук;
2. построение математических моделей и даже создание таких направлений, как математическая физика, математическая биология и т.д.;

Рассматривая математический язык, отличающийся от естественного языка, где, как правило, используют понятия, которые характеризуют определенные качества вещей и явлений (поэтому их часто называют качественными). Именно с этого начинается познание новых предметов и явлений. Следующий шаг в исследовании свойств предметов и явлений - образование сравнительных понятий, когда интенсивность какого-либо свойства отображается с помощью чисел. Наконец, когда интенсивность свойства или величины может быть измерена, т.е. представлена в виде отношения данной величины к однородной величине, взятой в качестве единицы измерения, тогда возникают количественные, или метрические, понятия.

Давайте вспомним мультфильм «38 попугаев» .Фрагмент мультфильма

Удава измеряли мартышками, слонами и попугаями. Так как величины разномерны, то удав делает вывод: «А в попугаях то я длиннее…»

Но если его длину перевести на математический язык; перевести измерения в одноимённые величины, то вывод совершенно иной: что в мартышках, что в слонах, что в попугаях длинна удава будет одинакова.

Преимущества количественного языка математики в сравнении с естественным языком состоят в следующем:

Такой язык весьма краток и точен. Например, чтобы выразить интенсивность какого-либо свойства с помощью обычного языка, нужно несколько десятков прилагательных. Когда же для сравнения или измерения используются числа, процедура упрощается. Построив шкалу для сравнения или выбрав единицу измерения, можно все отношения между величинами перевести на точный язык чисел. С помощью математического языка (формул, уравнений, функций и других понятий) можно гораздо точнее и короче выразить количественные зависимости между самыми разнообразными свойствами и отношениями, характеризующими процессы, которые исследуются в естествознании.

Здесь математический язык выполняет две функции:

1. с помощью математического языка точно формулируются количественные закономерности, характеризующие исследуемые явления; точная формулировка законов и научных теорий на языке математики дает возможность при получении из них следствий применить богатый математический и логический аппарат.

Все это показывает, что в любом процессе научного познания существует тесная взаимосвязь между языком качественных описаний и количественным математическим языком. Эта взаимосвязь конкретно проявляется в сочетании и взаимодействии естественно-научных и математических методов исследования. Чем лучше мы знаем качественные особенности явлений, тем успешнее можем использовать для их анализа количественные математические методы исследования, а чем более совершенные количественные методы применяются для изучения явлений, тем полнее познаются их качественные особенности.

Прмер. Мультфильм об уже знакомых нам персонажах: удаве, мартышке, попугае и слонёнке.

Куча орехов – это много. А «много» - это сколько?

Математический язык играет роль универсального языка, специально предназначенного для лаконичной точной записи различных утверждений. Конечно, все, что можно описать языком математики, поддается выражению на обычном языке, но тогда изъяснение может оказаться чересчур длинным и запутанным.

2. служит источником моделей, алгоритмических схем для отображения связей, отношений и процессов, составляющих предмет естествознания. С одной стороны, любая математическая схема или модель - это упрощающая идеализация исследуемого объекта или явления, а с другой - упрощение позволяет ясно и однозначно выявить суть объекта или явления.

Поскольку в математических формулах и уравнениях отражены некие общие свойства реального мира, они повторяются в разных его областях.

Вот задачи о совершенно разных вещах.

1. В двух гаражах было 48 машин. В одном гараже в два раза больше машин, чем в другом. Сколько машин в первом гараже?
2. На птичьем дворе гусей было в два раза меньше, чем уток. Сколько было гусей, если всего на птичьем дворе 48 птиц.

Можно таких задач придумать очень много, но все они описываются с помощью математического одной моделью:

2х+х=48., понятной всем математикам мира.

Математический язык в литературе.

Так как язык математики универсален, то не зря существует выражение «поверил алгеброй гармонию».

Вот вам примеры.

Метры и размеры стиха.

В литературе есть приём «эвфоника», где с помощью математического языка описывается звучность стихотворения.

Послушайте два отрывка из стихотворений.

Дактиль - 1,4,7,10,13…

Как хорошо ты, о море ночное,-

Здесь лучезарно, там сизо-темно...

В лунном сиянии, словно живое,

Ходит и дышит, и блещет оно.

Анапест – 3,6,9,12…

Прозвучало над ясной рекою,

Прозвенело в померкшем лугу,

Прокатилось над рощей немою,

Засветилось на том берегу.

Если взять весь звуковой состав в целом, то картина будет такова (в%):

Вот их описание с помощью математического языка.

Математический язык в музыке.

В основе музыкальной системы были два закона, которые носят имена двух великих ученых - Пифагора и Архита.

1. Две звучащие струны определяют консонанс, если их длины относятся как целые числа, образующие треугольное число 10=1+2+3+4, т.е. как 1:2, 2:3, 3:4. Причем, чем меньше число n в отношении n/(n+1) (n=1,2,3), тем созвучнее получающийся интервал.

2. Частота колебания w звучащей струны обратно пропорциональна ее длине l .

w = a/ l , (а - коэффициент, характеризующий физические свойства струны).

Интервальные коэффициенты и соответствующие им интервалы в средние века были названы совершенными консонансами и получили следующие названия: октава ( w 2 / w 1 = 2/1, l 2 / l 1 =1/2); квинта (w 2 / w 1 =3/2, l 2 / l 1 = 2/3); кварта (w 2 / w 1 =4/3, l 2 / l 1 = 3/4).

(3/2) 1 = 3/2 - соль, (3/2) 2 :2 = 9/8 - ре, (3/2) 3 :2 =27/16 - ля, (3/2) 4 :2 2 = 81/64 - ми, (3/2) 5 : 2 2 = 243/128 - си, (3/2) -1 :2 =4/3 - фа.

Для построения гаммы гораздо удобнее пользоваться, оказывается, логарифмами соответствующих частот:

log 2 w 0 , log 2 w 1 ... log 2 w m

Итак, музыка, написанная математическим языком, понятна всем музыкантам независимо от их языка разговорного.

В повседневной жизни

Сами не замечая того мы постоянно оперируем математическими терминами: числа, понятия (площадь, объём), отношение.

Мы постоянно читаем на математическом языке и говорим: определяя пробег автомобиля, сообщая цену товара, время; описывая размеры комнаты и т.д.

В молодёжной среде сейчас появилось выражение «мне параллельно» - что означает «мне всё равно, меня это не касается»

А ассоциируется это с параллельными прямыми, наверно, потому что они не пересекаются, так и эта проблема «не пересекается» со мной. То есть не касается меня.

В противовес, следует ответ: «Так я сделаю, чтобы тебе было перпендикулярно».

И опять: перпендикуляр пересекается с прямой, т.е. имеется ввиду, что эта проблема будет касаться тебя – пересечётся с тобой.

Так язык математики проник в молодёжный сленг.

Универсальность.

Если вы увидите эту фразу, написанную на разных языках, вы не пойметё, о чём идёт речь, но стоит её написать на языке математики и сразу всем станет ясно.

Deux fois trios font six (французский)

Two multiply three equals six (английский)

Zwei mal drei ist secks (немецкий)

Тlур щэ пштэмэ мэхъу хы (адыгейский)

2∙3=6

Заключение.

«Если вы можете измерить и выразить в числах то, о чем вы говорите, то об этом вы кое-что знаете. Если же вы не можете сделать этого, то ваши познания скудны. Они представляют первые шаги исследования, но это не настоящее знание". Лорд Кельвин

Книга Природы написана языком математики. Всё существенное в природе может быть измерено, превращено в числа и описано математически. Математика - это язык, позволяющий создать лаконичную модель действительности; это организованное утверждение, позволяющее количественно предсказать поведение объектов любой природы. Величайшее открытие всех времен то, что информацию можно записать с помощью математического кода. Ведь формулы - это обозначения слов знаками, что ведет к огромной экономии времени, места, символов. Формула компактна, наглядна, проста, ритмична.

Математический язык потенциально одинаков для всех миров. Орбита Луны и траектория падения камня на Земле - частные случаи одного и того же математического объекта - эллипса. Универсальность дифференциальных уравнений позволяет применить их к объектам разной природы: колебания струны, процесс распространения электромагнитной волны и т.д.

Математическим языком описывают сегодня не только свойства пространства и времени, частицы и их взаимодействие, физические и химические явления, но также всё больше процессов и явлений в областях биологи, медицины, экономики, компьютерных наук; математика широко используется в прикладных сферах и инженерии.

Математические знания и навыки необходимы практически во всех профессиях, прежде всего, конечно, в тех, что связаны с естественными науками, техникой и экономикой. Математика является языком естествознания и техники и потому профессия естествоиспытателя и инженера требует серьезного овладения многими профессиональными сведениями, основанными на математике. Очень хорошо сказал об этом Галилей: ``Философия (речь идёт о натурфилософии, на нашем современном языке -о физике) написана в величественной книге, которая постоянно открыта вашему взору, но понять её может лишь тот, кто сначала научится понимать её язык и толковать знаки, которыми она написана. Написана же она на языке математики."" Но ныне несомненна необходимость применения математических знаний и математического мышления врачу, лингвисту, историку, и трудно оборвать этот список, настолько важно владение математическим языком.

Понимание и знание математического языка надо для интеллектуального развития личности. В 1267 году знаменитый английский философ Роджер Бекон сказал: ``Кто не знает языка математики, не может узнать никакой другой науки и даже не может обнаружить своего невежества."

По мере развития познания за последние сотни лет, становилась всё более очевидной эффективность математических методов для описания окружающего мира и его свойств, включая строение, превращение и взаимодействие вещества. Были построены множества систем описания явлений тяготения, электромагнетизма, а также сил взаимодействия между элементарными частицами – всех известных науке фундаментальных сил природы; частиц, материалов, химических процессов. В настоящее время математический язык является фактически единственным эффективным языком, на котором это описание производится, что порождает естественный вопрос, не является ли данное обстоятельство следствием изначально математической природы окружающего нас мира, который таким образом сводился бы к действию чисто математических законов («вещество исчезает, остаются одни уравнения»)?

Список литературы:

1. Языки математики или математика языков. Доклад на конференции в рамках «Дней науки» (организатор - Фонд «Династия», С. -Пб, 21–23 мая 2009 г.)
2. Перловский Л. Сознание, язык и математика. "Русский журнал" [email protected]
3. Грин Ф. Математическая гармония природы. Журнал « Новые Грани» №2 2005 года
4. Бурбаки Н. Очерки по истории математики, М.: ИЛ, 1963.
5. Стройк Д.Я «История математики» - М.: Наука, 1984.
6. Эвфоника «Незнакомки» А.М.ФИНКЕЛЬ Публикация, подготовка текста и комментарии Сергея ГИНДИНА
7. Эвфоника «Зимней дороги» А.С. Пушкина. Научный руководитель Худаева Л.Г.– учитель русского языка

>>Математика: Что такое математический язык

Что такое математический язык

Математики отличаются от «нематематиков» тем, что, обсуждая научные проблемы, говорят друг с другом и пишут на особом «математическом языке». Дело в том, что на математическом языке многие утверждения выглядят яснее и прозрачнее, чем на обычном.

Например, на обычном языке говорят: «От перемены мест слагаемых сумма не меняется». Слыша это, математик пишет (или говорит):

a + b = b + a.

Он переводит высказанное утверждение на математический язык, в котором используются разные числа, буквы (переменные), знаки арифметических действий, иные символы. Запись а + b = b + а экономна и удобна для применения.

Возьмем другой пример. На обычном языке говорят: «Чтобы сложить две обыкновенные дроби с одинаковыми знаменателями, нужно сложить их числители, а оставить без изменения». Математик осуществляет «синхронный перевод» на свой язык:

А вот пример обратного перевода. На математическом языке записан распределительный закон:

a(b + c) = ab + ас.

Осуществляя перевод на обычный язык, получим длинное предложение: «Чтобы умножить число а на сумму чисел b и с , надо число а умножить поочередно на каждое слагаемое и полученные произведения сложить».

Во всяком языке есть письменная и устная речь. Выше мы говорили о письменной речи в математическом языке. А устная речь - это употребление специальных терминов, например: «слагаемое», уравнение , «неравенство», «график», «координата», а также различные математические утверждения, выраженные словами.

Говорят, что культурный человек, кроме родного языка, должен владеть хотя бы одним иностранным языком. Это верно, но требует дополнения: культурный человек должен еще уметь говорить, писать, думать и на математическом языке, поскольку это тот язык, на котором, как мы не раз убедимся в дальнейшем, «говорит» окружающая действительность. Этому и будем учиться.

Чтобы овладеть новым языком, необходимо изучить его буквы, слоги, слова, предложения, правила, грамматику. Это не самое веселое занятие, интереснее сразу читать и говорить. Но так не бывает, придется набраться терпения и сначала изучить основы. Такие основы математического языка мы будем изучать с вами в главах 2-5. И, конечно, в результате такого изучения ваши представления о математическом языке будут постепенно расширяться.

А. В. Погорелов, Геометрия для 7-11 классов, Учебник для общеобразовательных учреждений

“Философия природы написаны величайшие книги, но понять ее сможет лишь тот кто сначала выучит язык и постигнет письмена, которыми она начертана. А написана эта книга на языке математики» Галилей.

Язык современной математики это результат ее длительного развития. В период своего зарождения до 6 века, до Новой эры математика не имела собственного языка. Но по мере формирования письменности появились математические знаки для обозначения некоторых натуральных чисел и натуральных дробей. Математический язык античного Рима включает дошедшую до наших времен систему обозначения целых чисел (I, II, III, IV…). В русском языке числа записывались с особым знаком. Первыми буквами алфавита обозначали единицы следующие 9 букв 10-ки, а последние 9 букв 100-ни. Для обозначения больших чисел славяне придумали оригинальный способ. 10000-тьма, 10 тем-легион, 10 легионов - леодр, 10 леодров - ворон, 10 ворон – колода. И более сего несть человеческому уму разумевати. Язык математики – это искусственный формальный языке со всеми его недостатками и достоинствами.

Математика изучает объекты свойства которых точно сформулированы. Не все что сказано на естественном языке точно. Квадрат первого сложенный с квадратом второго и с удвоенным произведением первого на второго есть квадрат сумы двух. Разработка искусственного языка символов и формул была величайшим достижением науки в значительной мере определившим дальнейшее развитие математики. Язык математики употребляется во многих науках: в естествознании для объяснения природных явлений.

Количественный анализ и формулировка, качественно установленных фактов, обобщений и законов конкретных наук.

Построение математических моделей и даже создание новых направлений таких как математическая физика, биология, лингвистика.

Математический язык очень точен. Преимущества количественного языка математики в сравнении с естественным языком состоит в том, что такой язык весьма краток и точен. Например если нам надо выразить интенсивность какого-либо свойства с помощью обычного языка нам нужно использовать несколько десятков прилагательных, а если математически мы выберем шкалу для сравнения или выберем единицу измерения, то все отношения можно перевести на точный количественный язык. Математический язык выполняет 2 функции:

С помощью математического языка точно формулируется количественные закономерности характеризующие исследуемые явления. Точная формулировка законов и научных теорий на языке математики дает возможность при получении из них следствий применить богатый математический и логический аппарат. При этом надо отметить что существует тесная связь между естественным языком которая описывает качественные характеристики и количественным математических языком, причем чем лучше мы знаем качественные особенности явлений тем успешнее можем использовать для их анализа количественные математические методы. Математический язык это универсальный язык специально предназначенный для краткой и точной записи различных явлений.

Он служит источником моделей алгоритмических схем для отображения связей, отношений и процессов, составляющих предмет естествознания. С одной стороны любая математическая схема или модель это упрощающаю идеализация исследуемого объекта или явления, но с другой стороны упрощение позволяет ясно и однозначно понять суть объекта или явления.

Математический язык применяется в: литературе(стихосложение), в музыке.

Математический язык дал начало языку математической логике. Язык математической логики стал символическим языком современной математики. Он возник тогда когда неудобства математического языка для нужд математики было окончательно понятно. Формализация математики привела к более ясному осознанию природы самой математики. К применению ее нечисловым и не пространственным объектам (гены, языки, программы и тд). До тех пор пока наши знания у некоторой конкретной области не могут быть переведены на формальный математический язык единообразным методом мы не сможем осознать исходные понятия и их свойства настолько чтобы применять математические методы. Основная задача языка математики: дать точное и удобное определение математического суждения, то есть дать такой язык который удовлетворял бы трем требованиям.

На него возможно перевести математические утверждения.

Он допускал бы сравнительно легкий перевод на обычный язык.

Записи на нем были бы компактны и удобны в обращении.

Сама математическая логика начинается со второй задачи неразрывно связанной с основной задачей языка математики. Вторая задача основная задача логической семантики которая заключается в следующем: дать четкое и однозначное истолкование суждений формального языка одновременно как можно более простое и как можно более близкое к естественному математическому понимаю.

Подготовить доклад: «Такой простой знак равенства»

Язык математической логики исторически первый точно определенный формальный язык. Он появился в конце 19 века в трудах итальянского математика Пеано и его учеников. Современную форму этому языку предали Рассел и Гильберт. Язык математической логики ялвяется базой формальных языков программирования, математической лингвистики и искусственного интелекта.