公理基礎:希爾伯特、平行公設與嚴謹性

公理化方法(axiomatic method)

假設你想建立一套完全可信的真命題。你無法證明每件事,因為每個證明都倚賴更早的命題,而這條鏈條若不在某處停下,就會無止盡延伸。公理化方法是誠實的出路:先寫下一份簡短的起始假設清單,講清楚它們的意思,然後純粹靠邏輯由它們證出其他所有主張。此後你斷言的一切,要嘛是你公開選定的公理,要嘛是你推導出的定理——沒有任何東西能偷偷溜進來。

具體而言,這套方法有四個部分。第一,未定義詞(undefined term)——像「點」「線」「落在……上」這類基本字詞,你不去定義它們,因為定義也得在某處停下。第二,公理(或稱公設,axiom/postulate)——關於這些詞、你不加證明就接受的命題。第三,定義(definition)——把舊詞的組合引進新詞作為簡稱(「線段」由點與介於關係定義出)。第四,定理(theorem)——其餘一切,每條都由公理、定義與先前證得的定理透過演繹論證證出。在腦中跑個例子:由公理「任兩點恰落在一條線上」與「至少存在三個不全共線的點」,你不必畫任何圖,就已能證出定理「兩相異線至多交於一點」。

這正是歐幾里得約於公元前 300 年首創、希爾伯特於 1899 年臻於完善的方法;它是所有現代純數學的形態,不只是幾何。它最大的優點是讓你的假設可見、推理可查。它誠實的極限——由二十世紀的哥德爾(Godel)說精確——是:任何一個夠豐富的公理系統,永遠無法證出關於自身的每個真命題,也無法證明自己不含矛盾——所以這套方法給的是相對於你公理的確定性,而非無中生有的確定性。

一個玩具系統:未定義詞「社團」與「成員」;公理 (1) 每個社團恰有三名成員,(2) 任兩個社團恰共用一名成員,(3) 至少有兩個社團。單憑這些你就能證出定理「沒有成員屬於所有社團」——一個真正的推導,不靠圖、只靠宣告過的假設。

未定義詞、公理、定義、定理——每個公理系統的四個運作部件。

公理選得越多並非「越好」——好的公理集應盡量精簡且彼此獨立,使每條公理都真正出力,且沒有哪一條其實可由其他公理證出。

又称
the deductive method公理法演繹方法