从表达的角度看数学建模

yushan

  
< >推荐新书：《表达的探究》与数学建模<p></p></P>
<> 《表达的探究》一书从数学、语言和信息三个角度，对表达的一般原理和技术做了全面的探讨。这里就此书在数学建模的独特意义做一点介绍：</P>
< >首先《表达的探究》对数学方法做了语言分析。“乘”是我们最熟悉的算术谓词，所谓语言分析，就是不再把“乘”简单地看成是一种运算，而是强调它的描述和显示功能，它不仅可以表达“倍数”，还可以表达“相遇”、“相碰”、“组配”“相交”“推导”等复杂的语义，通过这个最简单的案例，揭示出数学语言的表达特点。从“计算”和“恒等变换”这两个数学语言最常用的词汇，讨论了它们之间的互相可表达性，特别是如何把日常的词汇设法转换成以上的数学词汇，什么是日常语言不能胜任的表达，却可以用数学语言来进行表达。总之，突出数学的描述和显示功能，就是把数学作为语言来使用，而不是将其仅仅作为计算方法来使用。这是数学建模区别于一般数学教学的根本之处。</P>
<P >其二，定性与定量表达。只有研究透彻此关系，才能理解数学为何能从“定量”的计算技术转换为一种“定性”的语言工具。而只有懂得了定性表达的妙处，才能真正懂得数学的妙处。数学中的几个典型结构：度量空间和拓扑空间，这两者有定量与定性之间的差别，而序结构则是在定性与定量之间。拓扑方法是定性研究的典型方法，它的种种技巧就是要超越定量。所谓“橡皮上的几何学”，就是说和“数量长度”无关。再如，微分方程定性解的理论中，采用微分几何的描述方法，关注的是所谓定性态势，而不是具体的数值，这些都是典型的拓扑方法。此书特别揭示了定性与定量表达之间的重要关系。</P>
<P >其三，《表达的探究》具体演示了数学语言是如何刻画非对称性的。因为既然语言的功能就是给出信息，从数学上可以把它抽象为一种非对称性显示和描述。数学语言也能刻画组织结构性，因为所谓的组织结构就是一种非对称性。《表达的探究》揭示了对应、构造、闭环和相关这四个典型方法是如何刻画非对称性的。在对应中探讨了原形与影像之间的变形问题，通过变形大小，揭示了对应表达的柔性技巧。</P>
<P >其四，以数学为工具，为表达理论建立了数学模型。表达理论的根本是意义分析，而意义的形式化抽象可以视为一种排序。《表达的探究》第一部分就是表达的数学分析，就是为表达建立数学模型。它从不同平面的排序观点出发，提出了四个排序模型：对应是在两个平面上排序，构造是在三个平面（多个平面）上排序，而闭环是在一个平面上从整体到个体的分解排序。相关则是最一般刻画非对称的模型。比如哪些日常词汇可以用“乘”这个算术谓词来表达呢，那么这种转换在表达上究竟是什么意思？这些就涉及到对应同构的表达界限。在构造表达中，通过提出的三个数学模型：递归函数、自动机模型和形式语言的文法，探讨了时间序贯的前后表达、空间的内外表达和空间的层次表达，这三种看似不同方法其实在表达上具有相当程度的等效性。</P>
<P >其五，数学建模。最好的学习方法就是结合案例，《表达的探究》为你提供了数学建模的具体案例，而不停留在纸上谈兵上。所以，这也是一本学习如何建立数学模型的优选教材。</P>
<P >这本书是为具有文科大学文化程度的读者写作的，基本没有公式计算，着重讲情思想，应该铺垫的知识都做了耐心的引导。作者相信通过此书的阅读，能让那些对数学有恐惧感的读者，从此喜爱上数学语言。</P>
<P > 欢迎索取《表达的探究》电子版书目介绍</P>
<P >电子邮件：yushan@mail.dlptt.ln.cn</P>
<P >　</P>[em01][em01][em01]

黑白

<>偶也来点．．</P>

黑白

书摘《表达的探究》作者欧阳余山
                    §7.9 数学语言的特点
            
        数学语言可以看作关系语言的典范，那么数学语言在表达上有什么特点呢？
        数学语言的第一大特点是“数值计算”。从四则运算、解代数方程、到求微分与积分，都是数值计算。计算不太像语言，而是一种算术。要使算术具有普遍意义，就必须推广算术谓词的含义，这在§1.5“乘”的语义分析中给出了具体的说明。在数学史上，有两个最重要的方法极大扩展了“数值计算”的语义表现力：一个是我们熟悉的笛卡尔坐标，它能够把所有的几何证明问题转换为代数计算问题； 另一个是天才的哥德尔编码，它能将所有形式语言系统的符号变换（当然也包括了所有的推理证明），都变换为自然数论中的计算问题，从此“可计算”这一概念就包含了所有的推理证明。从这里我们可以看出，“计算”并不只是对某个实际问题求解的“术”，它是数学语言独特的表达形式，即将日常谓词用算术谓词的形式表达出来，变成一个数值计算问题。比如决策问题对应一个极值求解，相关判断对应于内积运算等等。另外，与自然语言和逻辑语言相比，数学语言能更细腻更方便的表达差别。就像§7.8中的分析，在组合关系同构的情况下，如果要作进一步的区分，就只能引入“量值”的形式因素，这是表准的重要手段。这一点在后面“定性与定量”表达中还要讨论。算术的出发点是自然数，高等数学的出发点是实数域或复数域。总之，数学以数域为表达基础，在此基础上可以刻画各种函数关系，此时的“数值计算”已不是目的，而是成为刻画和显示函数关系的手段。
数学语言的第二大特点就是“证明推理”，这首先来自欧几里得平面几何。几何证明的最大特点就是不计算。从小学算术到高等数学，我们的一个直观感受是：数值计算越来越少了，而所谓的恒等变换越来越多了。其实，推理证明只是符号变换的一个特例，所以语形符号的变换具有更为普遍的意义。而利用语形变换法则来刻画语义，正是数学语言表达的另一特点。像我们最熟悉的“乘”，它的形式语义就是交换律和分配律：a × b = b × a， a × (b + c) = a × b + a × c。对于A、B两个事物“彼此独立”的语义，在概率语言中，是通过语形P(A)P(B) = P(A)P(A&frac12;B)来刻画；在向量语言中，是通过A、B向量“内积”为零来体现：&lt;A, B&gt; = (a1b1 + a2b2) = 0。数学的运算法则从根本上也可以归结为语形符号的变换规则，它具有人为规定性、理想性和逻辑必然性。它相当于形式语言中合式规则和变形规则，也就是字符串的产生规则。那么，为什么数学语言能对客观世界进行刻画呢？这是个令人费解的问题。历史上曾有一个信念：全能的上帝是按数学原理来创造世界的。因为上帝本人就是最伟大的数学家，因此现实世界刚好符合一种理想的数学语言也就不足为奇了。理想性和客观性、逻辑必然性和经验有效性在这里求得了统一。正是在这种信念的支持下，开普勒才能够在浩繁的数据中建立起行星的运动周期律。但是，我们今天知道，数学语言之所以具有实用意义，是因为在语形的搭配规则中抽象刻画了实际对象之间的关系，所以也就刻画了对象。客观世界在关系语言中成了一个具体的释义模型。比如复数的加法法则：从语形角度看，这是一种人为规定的运算规则；从语义角度看，它刻画了力或其他矢量的合成效果，它符合平行四边形的对角线法则，具有实际的对应意义。
根据著名数学家吴文俊的研究成果，中国古代的数学传统偏重“算法”，西方的数学传统偏重“证明”，这是两种不同风格的数学语言。但是从上面的讨论看，它们之间在很大程度上是可以相互表达的，都是具有普遍表达能力的数学语言。
<p><p><p><p><p><p><>
        数学语言的第三大特点就是可以突破时空限制，以关系不变量作为表达的基础。日常的自然语言，是物理语言和心理语言的混合物，如果要表达非时空中的存在就会遇到不可克服的困难。因为自然语言只能表达时空中“有定”的对象，它以“自在的对象”和“因果关系”这两个最重要的概念为框架，因此对非时空的“不定”对象是无能为力的。然而，数学语言可以超越三维空间和一维因果关系的时间图象，比如相对论就是一种“超几何”的高维度表达，时间
与空间共同构成了四维世界，使得自然语言中的“物体”和“前后”的概念在这个世界都失效了。还有量子力学所描述的微观世界，几率波所提供的概率图象，对于那种生生不息的无形流变，对于全息相关的场，对于关系的关系描述，这些都难以用“有定”的自然语言来表达，却可以用数学语言来完成刻画。
        当年二十六岁的麦克斯韦以偏微分方程为工具，建立了电磁场理论的数学描述，就在同时他接到了六十六岁的法拉第的一封信。这位以揭示电磁奥秘而屡建奇功的卓越的物理学家在信中写到：</P><>      有一件事，我愿向你请教：当一位研究物理作用及其结果的数学家获得了他的结论时，是不是可以用普通语言尽可能像数学公式那样完全、清楚和明确地把它们表达出来呢？如果可以的话，那对于像我这样的人表述起来，不是会有巨大裨益吗？&frac34;那就可以把它们从难解的符号中翻译出来， [64]</P><>       为什么非用数学语言？能不能不用数学语言？这不仅是法拉第的问题，也是包括本书写作在内的表达问题，这是一个普遍的问题。的确，在“有定”对象的情况下，自然语言也可以表达问题，数学语言只不过显得更严密更简洁而已。所谓“有定”，就是词的意义离不开原子直观，要么是可直观的自在个体，要么是可直观的共相谓词。然而，在对“不定”的表达场合，数学语言就有其无法替代性。所以，数学语言并不只是锦上添花，它更是雪中送炭。如果认为将自然语言的词改写成数学符号，这就是所谓数学语言的形式化表达，这只是一种误解。从“有定”到“不定”，这才是形式化表达的根本。即便这时我们采用自然语言来进行相应的关系描述，这时的“词”也只能理解成一个形式变量，具有“不定”的意义。它这时候实际起的作用就是形式符号的作用。就像希尔伯特在几何公理中虽然还是采用传统的“点”、“线”、“面”来表述，但此时的“点”、“线”、“面”的直观性都会自动丧失，它们会自动“变质”为符号化的数学语言，关于这一点，在前面的公理系统和量词技术都给出了充分的证明。
        说一个词表达了“不定”的对象，这种说法被弗雷格批评为一种充满矛盾的含混表达。[65]没有“不定”的对象，因为抽象对象或者形式对象就是概念，就像“点”、“线”、“面”这些形式对象都是概念，是用谓词来表达的。所以，数学语言适合对关系的关系做出描述和表达，关系化是形式化的本质，也就是数学语言或逻辑语言的本质。
        这里顺便提一下，因为自然语言离不开直观，所以一般来说很难做出“超时空”的表达效果。但是，古代诗人所追求的“空灵”境界，也可以视为企图用自然语言创造出时空一体化的图象：</P><p><p><p><p><p><p><P>        意境一定是空间（“人闲桂花落，夜静春山空，月出惊飞鸟，时鸣春涧中”）和空间中的事物，但不是感性事物的堆积，而是有空间统一体。这不是感性材料的排比所能得到的，而是借助于一个运动形式使空间整一和激活，这就是那个被月光惊动而鸣叫的山鸟的作用。进一步的例子（“空山不见人，但闻人语响，返景入深林，复照青苔上”，“独坐幽篁里，弹琴复长啸，深林人不知，明月来相照”）显示出，作为背景的空间以空和无穷为特征，它的统一性形成于那个运动的形式（鸟鸣、明月）。[66]
         
       我们知道，爱因斯坦相对论的时空一体化正是通过运动实现的。所以，上述关于“空灵”境界的分析并非无稽之谈，而是抓住了问题最微妙之处。超时空的体验也是佛学和禅宗所努力达到的境界，它们都感到了日常语言的局限性，很难言说出这种体验。然而，“空灵感”则可视为诗人用自然语言创造出的一个表达奇迹。</P><P>        数学语言可以看作关系语言的典范，那么数学语言在表达上有什么特点呢？
        数学语言的第一大特点是“数值计算”。从四则运算、解代数方程、到求微分与积分，都是数值计算。计算不太像语言，而是一种算术。要使算术具有普遍意义，就必须推广算术谓词的含义，这在§1.5“乘”的语义分析中给出了具体的说明。在数学史上，有两个最重要的方法极大扩展了“数值计算”的语义表现力：一个是我们熟悉的笛卡尔坐标，它能够把所有的几何证明问题转换为代数计算问题； 另一个是天才的哥德尔编码，它能将所有形式语言系统的符号变换（当然也包括了所有的推理证明），都变换为自然数论中的计算问题，从此“可计算”这一概念就包含了所有的推理证明。从这里我们可以看出，“计算”并不只是对某个实际问题求解的“术”，它是数学语言独特的表达形式，即将日常谓词用算术谓词的形式表达出来，变成一个数值计算问题。比如决策问题对应一个极值求解，相关判断对应于内积运算等等。另外，与自然语言和逻辑语言相比，数学语言能更细腻更方便的表达差别。就像§7.8中的分析，在组合关系同构的情况下，如果要作进一步的区分，就只能引入“量值”的形式因素，这是表准的重要手段。这一点在后面“定性与定量”表达中还要讨论。算术的出发点是自然数，高等数学的出发点是实数域或复数域。总之，数学以数域为表达基础，在此基础上可以刻画各种函数关系，此时的“数值计算”已不是目的，而是成为刻画和显示函数关系的手段。
数学语言的第二大特点就是“证明推理”，这首先来自欧几里得平面几何。几何证明的最大特点就是不计算。从小学算术到高等数学，我们的一个直观感受是：数值计算越来越少了，而所谓的恒等变换越来越多了。其实，推理证明只是符号变换的一个特例，所以语形符号的变换具有更为普遍的意义。而利用语形变换法则来刻画语义，正是数学语言表达的另一特点。像我们最熟悉的“乘”，它的形式语义就是交换律和分配律：a × b = b × a， a × (b + c) = a × b + a × c。对于A、B两个事物“彼此独立”的语义，在概率语言中，是通过语形P(A)P(B) = P(A)P(A&frac12;B)来刻画；在向量语言中，是通过A、B向量“内积”为零来体现：&lt;A, B&gt; = (a1b1 + a2b2) = 0。数学的运算法则从根本上也可以归结为语形符号的变换规则，它具有人为规定性、理想性和逻辑必然性。它相当于形式语言中合式规则和变形规则，也就是字符串的产生规则。那么，为什么数学语言能对客观世界进行刻画呢？这是个令人费解的问题。历史上曾有一个信念：全能的上帝是按数学原理来创造世界的。因为上帝本人就是最伟大的数学家，因此现实世界刚好符合一种理想的数学语言也就不足为奇了。理想性和客观性、逻辑必然性和经验有效性在这里求得了统一。正是在这种信念的支持下，开普勒才能够在浩繁的数据中建立起行星的运动周期律。但是，我们今天知道，数学语言之所以具有实用意义，是因为在语形的搭配规则中抽象刻画了实际对象之间的关系，所以也就刻画了对象。客观世界在关系语言中成了一个具体的释义模型。比如复数的加法法则：从语形角度看，这是一种人为规定的运算规则；从语义角度看，它刻画了力或其他矢量的合成效果，它符合平行四边形的对角线法则，具有实际的对应意义。
根据著名数学家吴文俊的研究成果，中国古代的数学传统偏重“算法”，西方的数学传统偏重“证明”，这是两种不同风格的数学语言。但是从上面的讨论看，它们之间在很大程度上是可以相互表达的，都是具有普遍表达能力的数学语言。
        数学语言的第三大特点就是可以突破时空限制，以关系不变量作为表达的基础。日常的自然语言，是物理语言和心理语言的混合物，如果要表达非时空中的存在就会遇到不可克服的困难。因为自然语言只能表达时空中“有定”的对象，它以“自在的对象”和“因果关系”这两个最重要的概念为框架，因此对非时空的“不定”对象是无能为力的。然而，数学语言可以超越三维空间和一维因果关系的时间图象，比如相对论就是一种“超几何”的高维度表达，时间
与空间共同构成了四维世界，使得自然语言中的“物体”和“前后”的概念在这个世界都失效了。还有量子力学所描述的微观世界，几率波所提供的概率图象，对于那种生生不息的无形流变，对于全息相关的场，对于关系的关系描述，这些都难以用“有定”的自然语言来表达，却可以用数学语言来完成刻画。
        当年二十六岁的麦克斯韦以偏微分方程为工具，建立了电磁场理论的数学描述，就在同时他接到了六十六岁的法拉第的一封信。这位以揭示电磁奥秘而屡建奇功的卓越的物理学家在信中写到：</P><P>      有一件事，我愿向你请教：当一位研究物理作用及其结果的数学家获得了他的结论时，是不是可以用普通语言尽可能像数学公式那样完全、清楚和明确地把它们表达出来呢？如果可以的话，那对于像我这样的人表述起来，不是会有巨大裨益吗？&frac34;那就可以把它们从难解的符号中翻译出来， [64]</P><P>       为什么非用数学语言？能不能不用数学语言？这不仅是法拉第的问题，也是包括本书写作在内的表达问题，这是一个普遍的问题。的确，在“有定”对象的情况下，自然语言也可以表达问题，数学语言只不过显得更严密更简洁而已。所谓“有定”，就是词的意义离不开原子直观，要么是可直观的自在个体，要么是可直观的共相谓词。然而，在对“不定”的表达场合，数学语言就有其无法替代性。所以，数学语言并不只是锦上添花，它更是雪中送炭。如果认为将自然语言的词改写成数学符号，这就是所谓数学语言的形式化表达，这只是一种误解。从“有定”到“不定”，这才是形式化表达的根本。即便这时我们采用自然语言来进行相应的关系描述，这时的“词”也只能理解成一个形式变量，具有“不定”的意义。它这时候实际起的作用就是形式符号的作用。就像希尔伯特在几何公理中虽然还是采用传统的“点”、“线”、“面”来表述，但此时的“点”、“线”、“面”的直观性都会自动丧失，它们会自动“变质”为符号化的数学语言，关于这一点，在前面的公理系统和量词技术都给出了充分的证明。
        说一个词表达了“不定”的对象，这种说法被弗雷格批评为一种充满矛盾的含混表达。[65]没有“不定”的对象，因为抽象对象或者形式对象就是概念，就像“点”、“线”、“面”这些形式对象都是概念，是用谓词来表达的。所以，数学语言适合对关系的关系做出描述和表达，关系化是形式化的本质，也就是数学语言或逻辑语言的本质。
        这里顺便提一下，因为自然语言离不开直观，所以一般来说很难做出“超时空”的表达效果。但是，古代诗人所追求的“空灵”境界，也可以视为企图用自然语言创造出时空一体化的图象：
        意境一定是空间（“人闲桂花落，夜静春山空，月出惊飞鸟，时鸣春涧中”）和空间中的事物，但不是感性事物的堆积，而是有空间统一体。这不是感性材料的排比所能得到的，而是借助于一个运动形式使空间整一和激活，这就是那个被月光惊动而鸣叫的山鸟的作用。进一步的例子（“空山不见人，但闻人语响，返景入深林，复照青苔上”，“独坐幽篁里，弹琴复长啸，深林人不知，明月来相照”）显示出，作为背景的空间以空和无穷为特征，它的统一性形成于那个运动的形式（鸟鸣、明月）。[66]
         
       我们知道，爱因斯坦相对论的时空一体化正是通过运动实现的。所以，上述关于“空灵”境界的分析并非无稽之谈，而是抓住了问题最微妙之处。超时空的体验也是佛学和禅宗所努力达到的境界，它们都感到了日常语言的局限性，很难言说出这种体验。然而，“空灵感”则可视为诗人用自然语言创造出的一个表达奇迹。</P>[em07]

cnpliuzuming

<>好</P>