← 本书首页目录下载 PDF德麦国际专著第 107 号

第 14 章 非欧几何:Saccheri 为洗白欧几里得写出了它

(1733—1868)

四要件表

内容
欧氏图形传统:几何对象被显示为图,图上的关系就是几何的内容。回答方式是「画出来看,两条直线要么相交要么不相交」
平行公设的归谬程序:假设公设不成立,逐条推演,期待推出矛盾。这条程序自 Proclus 起延续一千五百年,Saccheri 1733 把它执行到最彻底
测量的账本:三角形内角和等于两直角,这是可以被测量核对的;大地测量与天文视差是当时最精密的量度手段
共有前提几何描述的是唯一的那个空间(几何命题的真假由空间本身决定)
材料·产出位置(几何自家的归谬程序):Saccheri 1733 的锐角假设推演,原题是「平行公设能否由其余公设推出」
材料·撞上位置(同位):归谬程序自己跑出了一整套融贯而驳不倒的定理——推演跑到底,矛盾没有出现
Z几何本身成为对象——不再是唯一空间的描述,而是一族可以彼此比较的公理系统,每一个描述一种空间
拒绝否定型:Ostrogradsky 对 Lobachevsky 提交彼得堡科学院的论文作否定评审并加以嘲讽;1834 年《祖国之子》上的匿名讽刺文;Gauss 明言不发表是怕「维奥蒂亚人的叫嚷」(指抱残守缺者)。放逐型:康德哲学传统把欧氏空间当作先天直观形式,非欧几何在此框架下不是错的而是不可思议的
签字Beltrami 1868:伪球面(常负曲率曲面)上的测地线给出双曲几何的一个模型;随后 Klein 1871 的射影模型、Poincaré 1882 的圆盘模型。签字的内容是相对一致性:若欧氏几何一致,则非欧几何一致

14.1 一千五百年的归谬程序

平行公设从一开始就被认为可疑。它比其余四条复杂得多,陈述冗长,而且它断言的是一件无法在有限范围内检验的事(两条直线延长下去是否相交)。

从 Proclus(五世纪)到 Saccheri(1733)到 Legendre(十九世纪初),无数人试图证明它可以由其余公设推出。最常用的方法是归谬:假设它不成立,推出矛盾。

Saccheri 1733 年的《欧几里得无懈可击》(Euclides ab omni naevo vindicatus)是这条程序的顶峰,也是本章的材料。他考察等腰双直角四边形(今称萨凯里四边形)顶角的三种可能:直角、钝角、锐角。

· 钝角假设:他推出了矛盾。(这个推导是对的,钝角假设与直线可无限延长不相容。)

· 锐角假设:他推演了极长的篇幅——推出了一整套关于「渐近直线」「公垂线」的定理,彼此融贯,无一矛盾。

最后,Saccheri 宣布锐角假设不成立,理由是它导致的结论「违背直线的本性」(两条直线在无穷远处有一条公垂线,这在他看来是荒谬的)。

这个结尾是全书最著名的一次功亏一篑。 他手里已经有了双曲几何的一大批定理,而他把它们当作归谬的材料,不是当作一个新对象的内容。

14.2 材料的四条要件在此格外清楚

出自三家之一自己:归谬程序是几何自家的方法,Saccheri 是耶稣会的数学家兼逻辑学家,他用的是几何与逻辑的标准工具。

早已掌握:1733 年,比 Lobachevsky(1829)早九十六年,比 Bolyai(1832)早九十九年。而且它不是被遗忘的——Lambert 1766 年读过并推进,Legendre 反复处理同一批问题。

原本回答另一道题:Saccheri 的题是「证明平行公设可由其余公设推出」,目的是洗白欧几里得——书名就是这个意思。这是十九例中「原题与结论方向相反」最极端的一次:材料是为了证明唯一性而做的,结果证明了多样性。

使三家无法退回:三家不能否认那些定理——它们是用标准推理从明确的假设推出来的,每一步都可核查。要否认它们,只能否认推理规则本身。

14.3 共有前提不是平行公设

这一点必须写清楚,因为它是本章最容易被误读的地方,也是第 6.3 节(乙)验收标准的一个典型应用。

平行公设是被明文写下来的。 它是《原本》第五公设,两千年里被反复讨论、质疑、试图证明。按验收标准,它不是共有前提——它是一条可争的公设,而争论它是常规工作。

共有前提是另一条,从未被写下来的:几何描述的是唯一的那个空间。

这条规定的作用是:它规定了「证明平行公设」这件事的意义。若几何描述唯一的空间,那么平行公设要么是那个空间的真理(可由其他真理推出,或是独立的公理),要么是假的。它不可能「在某些空间中真、在另一些空间中假」——因为只有一个空间。

正是这条规定,使 Saccheri 在推出一整套融贯的锐角几何之后,仍然只能把它读作「尚未找到矛盾」,而不是「这是另一种几何」。在他的账本上,没有「另一种几何」这一栏。

念给三家听的验收:

· 计说:当然,我测量的就是这个空间。

· 形说:当然,我画的就是这个空间里的图。

· 算说:当然,我推的是关于这个空间的定理。

三家一致,且一致的方式是觉得这句话不值得说。

14.4 补丁在哪里

本案例的补丁形态特殊:补丁就是那一千五百年的证明尝试本身。

回想第 2.5 节:补丁是三家为了保护共有前提而做的技术性修补。平行公设与其余公设的不协调(它太复杂、太不自明),是共有前提受到压力的表现——若几何描述唯一空间,那么关于这个空间的真理应当都是自明的,而这一条不是。

处理办法有两个:承认它是独立的公理(那就要问「为什么这个空间恰好满足它」,这个问题在唯一空间的框架下无法回答),或者证明它可推(那就没问题了)。一千五百年里,所有人选了第二个。 这个选择本身就是补丁——它保护的是「几何描述唯一空间」这条前提。

按第 3.5 节的定位方法:打补丁的是算(证明尝试是推演程序),材料就在算这一家。核对无误。

14.5 为什么高斯不发表

高斯至迟在 1816 年已经确信非欧几何是可能的(书信为证),但他终身不发表。1829 年给 Bessel 的信里说,他怕「维奥蒂亚人的叫嚷」。

这个不发表在本书框架里不是懦弱,是一个准确的判断:在没有模型的情况下,非欧几何无法签字。

高斯掌握的是一批定理——由锐角假设推出的、彼此融贯的定理。这批定理证明的是「至今未发现矛盾」,而不是「不会有矛盾」。三家中的「计」不可能凭这个签字:计要的是一致性,而「至今未发现矛盾」不是一致性。

Lobachevsky 与 Bolyai 发表了,代价正是高斯预见到的:Ostrogradsky 的否定评审、匿名讽刺、长期无人问津。Lobachevsky 至死没有被承认(他 1856 年去世,Beltrami 1868 年给出模型)。

这是第 28 章签字律的一个纯粹标本:对象出生于 1829—1832,签字于 1868,中间的三十六年里它是「有内容但无名分」的状态。

14.6 Beltrami 的签字与它的形式

1868 年,Beltrami 指出:常负曲率曲面(伪球面)上的测地线满足双曲几何的全部公理。于是双曲几何的每一条定理,都可以翻译成欧氏空间中一个曲面上的一条命题。

签字的逻辑形式是相对一致性:若双曲几何有矛盾,则那个矛盾可以翻译成欧氏几何中的矛盾;所以若欧氏几何一致,双曲几何也一致。

这个形式在本书里极重要,因为它是此后一切签字的模板:

· Klein 1871 的射影模型、Poincaré 1882 的圆盘模型:同一形式的改进版。

· Hilbert 1899《几何基础》:把几何的一致性归约到实数算术的一致性。

· Hilbert 纲领:把实数算术的一致性归约到有穷方法——这一步失败了(第 24 章)。

相对一致性签字有一个哲学后果,Hilbert 与 Frege 关于此有过著名的通信争论:Frege 认为公理必须是关于某种东西的真理,Hilbert 认为公理系统只要一致,它就定义了它自己的对象。Hilbert 的立场正是本书所说的签字,而它是从 Beltrami 这一步长出来的。

14.7 被排除的替代解释:物理测量

第 3.6 节点名过这个危险案例,此处正面处理。

流传的说法是:高斯做过大三角测量(Hohenhagen–Brocken–Inselsberg),以检验空间是否欧氏。若非欧几何的动力来自物理测量,那么材料出自三家之外(自然科学),本案例即是材料来源规则的反例。

这个说法在史学上站不住,三条理由。

其一,那次三角测量的目的是大地测量(汉诺威王国的测绘),高斯本人的记述里没有把它说成对几何的检验。这个「检验」说法出自后世的转述。

其二,即使他做过这样的检验,结果是否定的:测量在误差范围内符合欧氏几何。一个否定的结果不能充当推翻共有前提的材料。

其三,最要紧的一条:物理测量在原则上不可能推翻「几何描述唯一空间」这条前提。 测量只能告诉你这个空间是什么样的,它无法告诉你「几何可以描述多种空间」。要得到后者,需要的是一个关于公理系统的结果——而那只能来自算或计。

这条排除同时给出一个更一般的观察:共有前提是关于「什么算数」的规定,而经验材料只能报告「是什么」。 因此在数学里,外部经验材料在原则上不能充当推翻共有前提的材料。这是第 3.2 节那条规则在数学中格外硬的深层理由,第 36 章会用它来预测反例搜索的结果。

14.8 本章最弱处

其一,「计」这一家是否真的在争。 测量传统对平行公设的争论没有直接参与——测量学家不讨论公设。本书把计填为「测量的账本」,理由是三角形内角和是可测量的量,因而计对这道题有立场。但这个立场在文献上是隐含的,不像形与算那样有大量文本。

按第 6.2 节(丙),这接近于「三家不齐」。本书判为齐(因为计有立场:它认为几何命题可由测量核对,这本身就预设了唯一空间),但这个判定比第 9 章、第 11 章的相应判定弱。

其二,Saccheri 的材料是否「早已掌握」。 1733 年到 1829 年之间,Saccheri 的书一度罕见(它在十九世纪初被 Beltrami 重新发现并指出其重要性)。Lambert 1766 年独立做了类似的工作,而 Lambert 的手稿 1786 年才发表。因此「材料早已掌握且众所周知」这一条,在本案例上只是部分成立——它被掌握过,然后部分地失传了。

本书的处理:材料来源规则要求的是材料出自三家之一自己且早于推翻,不要求它连续地被记住。但这削弱了「三家无法退回」这一条的力度——若材料一度失传,三家在那段时间里是可以退回的。如实记。

其三,与最近占位者的区分。 最近的占位者是 Gray(1989, 2007)关于非欧几何史的系列工作,以及 Torretti(1978)。Gray 的框架是:非欧几何的出现要放在「几何作为一门经验科学还是先天科学」的争论中理解。

区分:Gray 解释的是接受过程(为什么当时的哲学环境使它难以被接受),本书解释的是出生机制(Saccheri 的材料如何逼出它)。两者不冲突,可以并存。本书在本章没有能给出一个可判错的区分设计。


第 15 章 流形:绝妙定理说曲面不需要外面

(1827—1854)

四要件表

内容
嵌入曲面传统:一个曲面被显示为三维空间中的一张面,它的性质由它在空间中的位置决定
多值函数的处理程序:复函数如 √z、log z 有多个值,为了让它们单值,必须做割线、拼接分支——Riemann 1851 的黎曼面就是这条程序的产物
位势论与 Dirichlet 原理的账本:一个区域上的调和函数由边界值决定,能量泛函取极小。回答方式是「这个量在这个区域上算得出来,且算出来的值与怎么放置这个区域无关」
共有前提空间必须是某个外围空间的子集(一个几何对象要存在,必须存在于某个更大的空间里)
材料·产出位置(微分几何):高斯绝妙定理(1827),原题是大地测量与地图投影中哪些量在弯曲时不变
材料·撞上位置:没有一条程序跑出「没有外面的空间」——它由一条关于不依赖性的定理直接读出(见 26.3 的五例之一)
Z没有外面的空间——一个由自身的度量与坐标图册定义、不预设任何外围空间的几何对象
拒绝沉默型为主:Riemann 1854 年的就职演讲《论作为几何学基础的假设》,据 Dedekind 记述,除高斯外几乎无人听懂;讲稿直到 1868 年 Riemann 去世后才发表。否定型证据薄弱:Helmholtz、Klein 后来的批评是技术性的,非本体论的
签字分两次:Beltrami 1868(把 Riemann 的度量与非欧几何模型连起来)、以及更彻底的 Weyl 1913《黎曼面的概念》——第一次给出流形的现代定义(坐标图册加相容性)。签字工具是拓扑与集合论,均已被签过字

15.1 绝妙定理为什么绝妙

高斯 1827 年的《关于曲面的一般研究》,出自一件极实际的工作:汉诺威王国的大地测量。他要处理的是地球表面的测量与地图投影问题——把一个弯曲的面画到平的纸上,什么会变、什么不变。

绝妙定理的内容是:曲面的高斯曲率 K(两个主曲率之积),可以完全由曲面上的第一基本形式(度量 ds² = E du² + 2F du dv + G dv²)算出来。

这句话的意思是:一个生活在曲面上的二维生物,不能离开曲面、不能看见曲面在空间中的样子,但它可以通过在曲面上量长度和角度,算出这个曲面的曲率。

高斯自己给它起名「绝妙」,说明他知道这件事不寻常。但他把它当作大地测量的定理:它回答的是,做地图投影时哪些量必然改变(因为平面的 K = 0,而球面的 K > 0,所以球面到平面的等距投影不存在——这是绝妙定理最直接的实用推论,正是投影理论的核心)。

它在本家回答的是这道题。 与「空间需不需要外面」无关。

15.2 共有前提:空间必须有外面

在 1854 年之前,几何对象的存在方式是:它在空间中。

· 一条曲线在平面或空间中。

· 一个曲面在三维空间中。

· 三维空间本身在……这个问题不问,因为三维空间就是那个容器本身。

这条规定从未被写下来,因为它太基本了。你甚至难以想象它的否定是什么意思——一个曲面「不在任何空间里」,这句话在 1830 年是不知所云的。

三家:

· :曲面被显示为空间中的一张面;离开空间,无法显示。

· :曲面的方程 z = f(x,y) 或 F(x,y,z) = 0,本身就是用外围坐标写的。

· :曲面的面积、体积、曲率,都是用外围空间的度量算的(第二基本形式明显依赖法向量,而法向量是外围的概念)。

15.3 Riemann 的一步

1854 年 6 月 10 日,Riemann 在哥廷根做就职演讲,题目是三个候选中高斯挑的那一个:《论作为几何学基础的假设》。

他做的事,用今天的话说是:定义了 n 维流形,在其上定义了黎曼度量,定义了截面曲率,并指出空间的几何性质(曲率)是可以逐点变化的、需要由经验确定的物理量

这一步的关键在于:他不预设外围空间。 一个 n 维流形是「n 重延展量」,它的几何由其上的度量给出,度量是一个逐点定义的二次型。整个构造是内蕴的。

而使这一步成为可能的,正是绝妙定理:如果曲率可以由内部度量算出来,那么就不需要外面。 Riemann 明确地把高斯的结果推广到 n 维(他给出的截面曲率公式是绝妙定理的高维版本)。

材料的四条要件:出自形(微分几何)自己;早二十七年;原本回答大地测量与投影;三家无法退回(绝妙定理是高斯的定理,是当时微分几何最重要的结果,无人能否认)。

15.4 为什么无人听懂

Dedekind 记述,除高斯外几乎无人理解那次演讲。讲稿一直到 1868 年(Riemann 死后两年)才由 Dedekind 整理发表。

这个「无人听懂」在本书框架里是拒绝的沉默型形态(第 4.4 节丙)。而它的原因可以诊断得很具体:

Riemann 的演讲几乎没有公式。 出于就职演讲的体例(听众包括非数学的教授),他用的是散文式的表述。而他要表达的东西——一个不在任何空间里的空间——在当时的账本上没有对应物,散文表述无法把它显示出来。

按第 28 章的签字律:计只能对形签字,不能对散文签字。 形在这里缺席(没有公式、没有构造、没有模型),所以听众无从判断这是深刻还是空洞。

这个诊断有一个可核查的推论:Riemann 的思想被接受,应当发生在它被形式化之后。 事实符合:Beltrami 1868 把度量与非欧几何模型连起来(形出场),Christoffel 与 Lipschitz 1869—1870 给出张量计算的工具(算出场),Ricci 与 Levi-Civita 1900 完成绝对微分学,Weyl 1913 给出流形的现代定义(图册+相容性)。整整六十年。

15.5 Weyl 1913:流形定义的最后一块

《黎曼面的概念》做的事,是给出一个不预设外围空间的定义

一个流形是一个拓扑空间,配上一族坐标图(每个图把一个开集同胚地映到 ℝⁿ 的开集),任意两个图在重叠区域上的转移映射是光滑的。

这个定义的每一个零件——拓扑空间(Hausdorff 1914,几乎同时)、同胚、开集——都是一阶抽象的产物(第 5.2 节丙)。第 5.6 节说过:一阶工作是签字工具。这里是又一个直接证据。

值得注意的是顺序:流形这个对象出生在 1854,它的定义完成于 1913,中间五十九年里,数学家在使用一个没有定义的对象。这在本书十九例中不是例外,是常态。第 29 章的时长表会显示:从出生到定义完成的中位数是四十年左右。

15.6 这一栏的后果

流形这一栏开了之后的后果,比多数案例大。

其一,几何与空间脱钩。 此后「空间」这个词在数学里指的是任何一个带某种结构的集合——拓扑空间、度量空间、向量空间、概率空间。这个用法今天如此自然,以至于难以看出它曾经是一次开栏。

其二,物理学的容器被取消。 广义相对论(1915)的基本设定是:时空是一个四维流形,其度量由物质分布决定。没有外围空间——这正是 Riemann 那一步的直接后果,而 Einstein 明确说过他需要的数学是 Riemann 与 Ricci 的。

其三,「局部—整体」成为一个可问的问题。 只有当对象不预设外围空间时,「局部性质如何决定整体性质」才成为一个真问题(在有外围空间时,整体性质可以从外面看出来)。此后的整个微分拓扑与整体微分几何建立在这个问题上。

15.7 与第 14 章的关系

非欧几何与流形常被放在一起讲,但按本书的框架,它们是两次不同的开栏,须分开。

· 非欧几何推翻的是「几何描述唯一的空间」——它开的是「多个空间」这一栏。

· 流形推翻的是「空间必须有外面」——它开的是「内蕴对象」这一栏。

两者的关系是:非欧几何在前(1829—1832),流形在后(1854);而 Beltrami 1868 的模型同时给两者签了字——这不是巧合,因为伪球面正好是一个常负曲率的曲面,它用内蕴度量实现了双曲几何。

一次签字给两个对象,这在十九例中只此一次。它提示两栏之间有依赖关系:若空间必须有外面,则「多个空间」这一栏难以稳固(因为你会问:这些空间都在哪个更大的空间里?)。Riemann 的这一步取消了这个问题。

15.8 本章最弱处

其一,拒绝的证据是全书第二弱的(仅强于第 16 章)。「无人听懂」只有 Dedekind 一处记述,且它记的是听众的困惑,不是拒绝。按第 6.5 节(丙),本案例只有一家的拒绝可以说有据(形与算的沉默是从「六十年无人推进」推断的)。

本书判定:本案例参与第五编统计,但在第 27 章(名字化石律)中标为「无命名证据」。 流形从未被叫作虚构的、不可能的——它只是被忽略了。这一点与第 16 章(分数维)一起,构成对名字化石律最不利的两个案例。

其二,「空间必须有外面」是否真的是共有前提。 一个质疑:Gauss 自己在绝妙定理里已经做了内蕴的工作,Riemann 之前的微分几何(Monge、Dupin)也在处理曲面上的内蕴量。若内蕴的观点已经在用,前提就不成立。

本书的辩护:内蕴的计算与内蕴的存在是两件事。高斯计算了内蕴的曲率,但他的曲面仍然是三维空间中的曲面——他从未提出一个不在空间中的曲面。区分在于:做内蕴计算是承认某些量与嵌入无关;开这一栏是承认对象本身可以无嵌入。 这个区分是实质的(可以查文献:高斯从未讨论过无嵌入的曲面),但它要求读者接受「计算与存在」这个区分,而这个区分在数学实践中并不总是清楚的。

其三,与最近占位者的区分。 最近的占位者是 Scholz(1980)关于流形概念史的专著、Laugwitz(1999)的 Riemann 传记、以及 Ferreirós(2007)关于集合论与结构概念兴起的工作。Scholz 的书几乎穷尽了本章的史实。

本书与 Scholz 的区分:他追踪的是「流形」这个概念的语义演变(从 Riemann 的 Mannigfaltigkeit 到 Weyl 的定义),本书追踪的是它被逼出来的机制。这个区分与第 11.8 节(其三)、第 13.8 节(其三)同型:单章看,本书是史料的重新组织;独立价值在第五编。

本书在这里再记一次这个模式,因为它已经出现了三次,说明它不是偶然:案例编的每一章都有一个已存在的、更详尽的史学专著。本书不与它们竞争史实,本书竞争的是组织方式,而组织方式的检验在十九章之外。


第 16 章 分数维:Hausdorff 测度本来是为康托集为零而写

(1918—1975)

四要件表

内容
病态集合的图像传统:康托三分集、Koch 雪花、Weierstrass 处处不可导函数的图。这些在十九世纪末被称为「病态」的对象,形已经把它们画出来了
迭代与自相似的构造程序:取一段、去中间、对剩下的重复;每次操作产生下一级。回答方式是「照这个程序做下去,得到的就是它」
测度与维数的账本:Lebesgue 1902 的测度、Brouwer 1911 的维数不变性定理(ℝⁿ 与 ℝᵐ 不同胚若 n ≠ m)。维数是一个整数,它数的是独立方向的个数
共有前提维数必须是整数
材料·产出位置(测度论):Hausdorff 1918 的 s 维外测度构造,原题是「怎样区分零测集的大小」
材料·撞上位置(同篇):临界值 s₀ 是这个构造自动跑出来的产物,不是被寻找的东西。产出与撞上在同一篇论文里(见 16.5、25.7)
Z非整数的维数——一个不数独立方向个数、而由测度的临界指数定义的量,它可以取任何非负实数值
拒绝沉默型,且只有沉默型。没有任何人称它不可能、虚构、荒谬。Hausdorff 的论文发表在《数学年刊》上,被引用,被 Besicovitch 学派在 1920—1930 年代持续使用(几何测度论由此而来)。但它在此后五十年里不被视为一个概念,只被视为一个技术工具
签字无独立签字事件。Hausdorff 的构造本身就在勒贝格测度论内部,一致性不成问题。真正的「承认」是 Mandelbrot 1967—1975 的命名(fractal)与推广,而那是命名,不是签字

16.1 这一章对本书是不利的

按第 6.8 节纪律三,不利于本书的读数写进正文。本章整章是一处不利读数,须在开头说明。

第 27 章的名字化石律说:0 到 1 的对象出生时必得否定性名字或蔑称,而这是二阶碰撞的可检索签名。

分数维没有得到任何否定性名字。 它没有被叫作不可能的维数、虚构的维数、荒谬的维数。它就是「Hausdorff 维数」,一个中性的、以人名命名的术语。

而按本书的其余判据,它是二阶的:四要件表填得满,材料出自计自家且原本回答另一道题,Z 是新存在物(一个非整数的维数在 1918 年的账本上确实没有位置)。

于是本章构成对名字化石律的一个反例。本书不修改定律去迁就它,也不淡化。第 27 章会把它与第 15 章(流形,无命名证据)一起,作为该定律的两个例外一并统计,并讨论一个可能的修正形式(16.6)。

16.2 病态集合的压力

十九世纪末,数学里出现了一批被称为「病态」的对象:

· Weierstrass 1872:处处连续处处不可导的函数。

· Cantor 1883:三分集,闭、无处稠密、不可数、勒贝格测度为零。

· Peano 1890、Hilbert 1891:填满正方形的连续曲线。

· Koch 1904:处处不可导的连续闭曲线,围成有限面积而周长无限。

这些对象的存在,对「维数」这个概念造成了持续的压力。Peano 曲线特别尖锐:它是一条曲线(一维对象的像),却填满了一个正方形(二维)。这直接威胁到「维数」的意义。

回应这个威胁的工作,构成了本案例的背景。 Brouwer 1911 年证明了维数不变性(ℝⁿ 与 ℝᵐ 在 n ≠ m 时不同胚),Menger 与 Urysohn 在 1920 年代建立了拓扑维数理论——这些工作全部是保卫整数维的:它们说明,虽然有 Peano 曲线这样的连续满射,但同胚意义下维数仍然是一个整数不变量。

这批工作是补丁(第 2.5 节)。它们保护的共有前提是:维数必须是整数。

16.3 材料:为区分零测集而造的工具

Hausdorff 1918 年的题是这样的:

勒贝格测度把康托集的测度算成零。但零测集之间显然有区别——一个可数集是零测的,康托集也是零测的,而康托集是不可数的,「明显更大」。怎样区分零测集的大小?

他的构造是:把勒贝格测度定义中的「区间长度」换成「区间长度的 s 次幂」,用覆盖取下确界,令覆盖的直径趋于零。这样对每个 s ≥ 0 得到一个外测度 Hˢ。

然后是关键的观察:对任意集合 E,存在唯一的 s₀,使得 s < s₀ 时 Hˢ(E) = ∞,s > s₀ 时 Hˢ(E) = 0。

这个 s₀ 就是分数维。 而它是这个构造的一个自动产物——不是被寻找的东西,是构造跑出来的东西。

对康托集,s₀ = log2/log3 ≈ 0.631。

材料的四条要件:出自计(测度论)自己;材料与推翻同时(这一点特殊,见 16.5);原本回答的是零测集的区分;三家无法退回(Hˢ 的构造在勒贝格测度论内部,完全合法)。

16.4 为什么没有拒绝

这是本章要回答的核心问题:为什么这一栏开了,而没有人反对?

本书给出三条理由,三条都指向同一个诊断:这一栏开得太顺,以至于没有人注意到它是一栏。

其一,它没有要求任何人放弃什么。 整数维仍然是整数维(对光滑流形,Hausdorff 维数等于通常维数)。分数维只在那些「病态」的对象上取非整数值,而那些对象本来就被认为是例外。新对象被安置在既有账本的边缘,没有触动中心。

其二,它的构造完全在既有框架内。 Hˢ 的定义只用了勒贝格测度论的标准手段。没有新公理,没有新原始概念。一个东西若能用既有材料造出来,「计」这一家没有任何理由拒绝(回想第 13 章:拒绝的根据正是造不出来)。

其三,它没有被当作一个概念,只被当作一个数。 五十年里,Hausdorff 维数在几何测度论中作为一个技术参数被使用(Besicovitch 学派用它研究可求长集与不可求长集),而没有人问「一个 0.631 维的东西是什么」。没有人问,就没有人拒绝。

第三条最要紧,因为它诊断了名字化石律失效的原因:否定性命名产生于「三家必须表态」的时刻。 而分数维从未逼三家表态——它是一个可以不表态而使用的东西。

16.5 材料与推翻同时:本案例的第二处异常

其他案例中,材料早于推翻数十年至数百年:奇偶论证早于不可通约量(不确定但显然更早)、Euler 恒等式早九十五年、Saccheri 早九十六年、绝妙定理早二十七年、紧致性定理早三十一年。

本案例中,材料与推翻在同一篇论文里。Hausdorff 造 Hˢ 的同时就得到了 s₀。

按第 6.4 节(乙)的验收标准,材料必须早于推翻事件——本案例不合格。

本书的处理:保留该案例,但标注这一处不合格,且该案例在第 26 章(逾越律)的计数中不计入。

保留的理由是:材料来源规则的核心是「材料出自三家之一自己且原本回答另一道题」,这两条本案例都满足(Hˢ 是为区分零测集造的)。「早已掌握」这一条的功能是保证材料的中立性(第 3.4 节:它出场时是既成事实,不带立场),而本案例中 Hˢ 的中立性由另一个方式保证:它是为另一道题造的工具,而那道题被成功回答了(Hˢ 确实区分了零测集)。

这个处理是一个让步,须记账。

16.6 对名字化石律的一个可能修正

由 16.4 的诊断,可以提出一个修正形式,留给第 27 章检验:

修正形式:0 到 1 的对象得到否定性名字,当且仅当它逼迫三家表态。

而「逼迫表态」的条件是:新对象出现在既有账本的中心,即承认它就要修改已经在大量使用的东西。复数逼三家表态(承认它就要改「数是什么」),超穷数逼(要改「无穷怎么谈」),四元数逼(要改运算律)。分数维不逼——整数维原封不动。

这个修正若成立,名字化石律就从一条无条件的定律变成一条有条件的定律,其条件是「中心性」。而中心性可以独立地判定(看承认它是否要求修改既有的大量工作)。

但本书对这个修正持保留态度,因为:它是为了消化一个反例而提出的,而事后为了消化反例而加条件,是标准的临时补救(ad hoc)。第 27 章会把这个修正明确标为「事后提出、未经独立检验」,并在第 35 章(真跑一)的编码设计中把「中心性」作为一个独立变量,看它是否真的预测否定命名率。若真跑一显示中心性不预测命名,则这个修正撤回,名字化石律降为倾向性描述。

16.7 Mandelbrot 是命名,不是签字

1967 年 Mandelbrot 的《英国的海岸线有多长》与 1975 年的 fractal 一词,常被当作分数维的诞生。

按本书的规格,那不是诞生,也不是签字,是命名与推广

· 不是诞生:对象在 1918 年已经在那里,且被持续使用(Besicovitch 学派五十年的工作)。

· 不是签字:签字的规格是给出一致性模型(第 6.6 节),而 Hausdorff 维数的一致性从来不是问题。

Mandelbrot 做的是第三件事:指出这一栏不是边缘的,而是普遍的。 海岸线、云、山脉、血管、股价——这些不是病态的例外,它们是常态。这个工作改变了这一栏在账本上的位置(从边缘移到中心),而没有改变这一栏的内容。

这个观察给出本书的一个附带判断:开栏与栏目的位置是两件事。 一栏可以开在边缘、几十年后才移到中心。若第 16.6 的修正成立,那么可以预言:移到中心之后,会出现追溯性的争论——事实上确实出现了(1980—1990 年代关于分形几何是否是「真数学」的争论,Krantz 1989 在《数学信使》上的批评文章及其引发的论战,措辞的激烈程度与十九世纪对超穷数的批评可比)。

这个追溯性争论对第 16.6 的修正是一个支持性证据,但它是事后找到的,不构成独立检验。

16.8 本章最弱处

其一,整章是名字化石律的反例(16.1)。已标。

其二,材料与推翻同时(16.5)。已标,不计入第 26 章计数。

其三,三家是否真的在争。 这是本章最实的质疑。1918 年,形(病态集合的图像)、算(迭代构造)、计(测度与维数)三家之间,有没有一个不可调解的断裂?

本书的填法是:断裂在 Peano 曲线上——形说这是一条曲线(一维),计说它填满了正方形(二维),算说这个构造是合法的。三家各持一答。但这个断裂在 1911 年已经被 Brouwer 的维数不变性定理部分调解了(同胚意义下维数不变,Peano 曲线不是同胚)。

若断裂已被调解,则 1918 年不存在断裂状态,本案例不符合第 6.2 节(乙)。

本书的辩护:Brouwer 的定理调解的是「维数是不是拓扑不变量」这个问题,没有调解「康托集这样的对象该有几维」这个问题——拓扑维数给康托集的答案是 0,而它显然比一个点「大」。断裂在这里仍然存在。

这个辩护成立,但它把断裂缩小到了一个相当技术性的角落,远不如复数、超穷数那样是数学的中心问题。这与 16.4 的诊断一致(这一栏开在边缘),但它使本案例作为「二阶碰撞」的典型性大打折扣。

综合判定:本案例是十九例中最弱的一个。本书保留它,因为排除它会使名字化石律的反例消失——而排除一个对自己不利的案例,是本书最不该做的事。


第 17 章 范畴:「自然」这个词已经在用了

(1942—1945)

四要件表

内容
代数结构传统:群、环、模、拓扑空间——每一个都被显示为「一个集合加上结构」。回答方式是「这个对象是由哪些元素、满足哪些关系构成的」
同调与上同调的计算程序:给定一个空间,造链复形,取商,得同调群。Eilenberg 与 Mac Lane 面对的具体问题是:不同的同调论(Čech、奇异、Vietoris)给出的群何时「相同」
集合论的账本:一切数学对象是集合;两个对象相同即它们之间有一个保结构的双射。回答方式是「它们能不能一一对应上」
共有前提数学对象是带结构的集合(对象在先,对象之间的映射是导出的)
材料·产出位置(线性代数与代数拓扑的日常实践):「自然」一词的既有用法,原题是「哪些同构是好的、可以放心使用的」
材料·撞上位置:没有算法跑出「态射先于对象」——它由一个已在用而未被定义的区分逼出(见 26.3 的五例之一)
Z态射先于对象——一个由箭头及其复合定义的东西,其中对象只是箭头的端点,可以完全由箭头刻画
拒绝否定型(蔑称):「抽象废话」(general abstract nonsense)——这个词组由 Steenrod 半开玩笑地创造,此后成为标准称谓,用了数十年。放逐型:1950—1960 年代许多代数学家与拓扑学家系统地避免范畴语言;Mac Lane 记述过投稿被要求删去范畴论内容
签字困难且不完整。范畴不能直接作为集合(「一切集合的范畴」不是集合)。签字手段有三:Grothendieck 宇宙(1963,需要一条新的公理即不可达基数存在)、NBG 类理论、或把范畴论限制在小范畴上。没有一个是无代价的——这是十九例中签字最不干净的一例

17.1 「自然」这个词的历史

在 1945 年之前,数学家已经使用「自然」这个词几十年了,用法相当一致:

· 有限维向量空间 V 与它的对偶 V* 是同构的,但这个同构要选一组基。「不自然」。

· V 与它的双对偶 V** 也是同构的,而且这个同构(v ↦ 在 f 上取值 f(v))不需要选基。「自然」。

· 群的换位子商群、拓扑空间的基本群——这些构造被称为「自然的」,意思是它们不依赖任意的选择,并且与映射相容。

这个区分是实际起作用的:它决定了数学家愿不愿意用某个同构,决定了一个定理是被看作深刻还是看作巧合。它写在教科书里,用在讲课里。

而它从未被定义。 「自然」是一个数学家彼此心照不宣的形容词,像「优美」「深刻」一样。

这正是第 3.4 节所说的形状的极致:材料在本家极其稳固(每天都在用)、极其日常(写在教科书里)、极其不引人注目(它只是一个形容词)。

17.2 断裂:什么叫「同一个同调论」

Eilenberg 与 Mac Lane 面对的具体问题不是哲学问题,是一个技术问题。

1930—1940 年代,同调论有好几种造法:Čech 同调、奇异同调、Vietoris 同调、Alexander–Spanier 上同调。对于「好的」空间,它们给出同构的群。问题是:这个「同构」是什么意思?

· 说:给定一个空间,按这套程序算,得到一组群。不同程序给出不同的群,但它们「本质上一样」。

· 说:一样就是有一个同构。而这几种同调论之间确实有同构。

· 说:光有同构不够。因为每个空间都有一堆同构,问题是这些同构彼此之间要相容——当空间之间有一个映射时,两边的同构要与那个映射交换。

第三家的要求是关键的,而它在集合论的语言里说不出来。集合论的语言只能说「这两个群同构」,说不了「这一族同构是彼此相容的」。

17.3 1945 年的论文

《自然等价的一般理论》(Eilenberg–Mac Lane 1945)做的事,按作者自己的说法,是为了定义「自然变换」。而为了定义自然变换,必须先定义函子;为了定义函子,必须先定义范畴。

顺序值得注意:范畴是为了别的东西才被定义的。 论文的标题是「自然等价」,不是「范畴」。Mac Lane 后来多次强调这一点:范畴这个概念在最初是一个技术上的必需品,不是目标。

定义的内容:一个范畴由对象和态射组成,态射可以复合,复合结合,每个对象有恒等态射。一个函子把一个范畴映到另一个,保持复合。一个自然变换是函子之间的一族态射,使得所有相关的方块交换。

现在「自然」有了定义:V ≅ V 是自然的,因为那一族同构使方块交换;V ≅ V* 不自然,因为它不构成自然变换。**

17.4 共有前提被推翻的确切内容

推翻发生在一个不显眼的地方。

按「对象是带结构的集合」这条前提,映射是从对象导出的:先有集合 A 和 B,然后考虑 A 到 B 的函数。对象在先,映射在后。

范畴的定义把这个顺序颠倒了。在范畴的公理里,对象几乎不起作用——它们只是态射的端点。事实上,可以完全不提对象来定义范畴(只用态射和部分定义的复合运算,恒等态射代替对象)。这是一个标准的观察,Mac Lane 的教材里就有。

于是 Z 是:态射先于对象——一个由箭头及其复合关系定义的东西。

这个 Z 的激进程度,当时并未被充分认识(包括作者本人)。它的后果要到 Grothendieck(1957 年的 Tôhoku 论文、1960 年代的 SGA/EGA)与 Lawvere(1963 年的博士论文,用范畴论重建集合论)才充分展开。Lawvere 的 ETCS(集合范畴的初等理论)是这个后果的极致:集合论本身被重写成一个范畴论的理论,其中集合由它们之间的函数刻画,元素被定义为从终对象出发的箭头。

17.5 「抽象废话」

蔑称的出现值得单记,因为它是名字化石律最好的现代标本。

「general abstract nonsense」这个说法由 Steenrod 创造。有意思的是,Steenrod 本人是范畴语言的重要使用者(Eilenberg–Steenrod 的同调论公理化 1952 年是范畴方法的一次胜利),这个说法在他那里带有自嘲的成分。

但它迅速被广泛使用,且不总是玩笑。1950—1960 年代,范畴论在许多地方被视为空洞的形式主义:它不证明任何定理,只是把已知的东西用箭头重写一遍。

这个批评与 Bishop 对非标准分析的批评(第 13.6 节)在形式上完全相同:没有产出新定理,只是一套翻译。而两者的回应也相同:新对象的价值不由它产出多少新定理衡量。

范畴论的辩护在这里比非标准分析强,因为后来的历史给出了答案:层论、导出范畴、拓扑斯、同伦类型论——这些都是范畴这一栏开了之后才可能的东西,而它们产出了大量新定理。但这个辩护是事后的,1955 年时无法给出。

17.6 签字的困难:这一栏开在集合论外面

本案例的签字是十九例中最不干净的一个。

问题是:范畴本身不能是集合。 「一切集合的范畴」若是集合,则由 Russell 悖论式的论证得矛盾。而 Set、Grp、Top 这些范畴恰恰是范畴论最基本的例子。

签字手段有三条,每条都有代价:

(甲)Grothendieck 宇宙。 假设存在一个足够大的集合 U,它对集合论的一切操作封闭(1963,用于 SGA)。这等价于假设存在不可达基数——一条新的公理,独立于 ZFC。代价:一致性强度提高,签字不再是相对于 ZFC 的。

(乙)NBG 或 MK 类理论。 区分集合与类,范畴是类。代价:只能处理「大范畴」的一层,而范畴的范畴又超出了这一层。

(丙)限制在小范畴。 只谈集合大小的范畴。代价:Set 本身被排除,最基本的例子不在理论内。

三条路都是妥协。第 28 章会把本案例作为签字律的一个特殊形态记录:签字未能完成,而对象被接受了。

这一点对本书的签字律是不利的读数,须记:若签字是合法化的必要条件,那么范畴至今未被完全合法化,而这与它在数学中的实际地位不符。

本书的处理是把签字律的表述精确化:签字律说的是「合法化由计以一致性论证完成」,而不是「合法化必须完成」。 范畴的情形是:计给出了三条部分的一致性方案,每一条都足以让相当一部分工作合法进行,而没有一条覆盖全部。这是一个部分签字。第 28 章会把它与第 11 章(超穷数,签字后发现栏内有不可判问题)一起,作为签字并非一劳永逸的两个证据。

17.7 Z 定得多宽的问题

第 13.6 节提出过「Z 该定多宽」的问题,本案例是它最尖锐的一次。

Z 可以定得窄:范畴、函子、自然变换这三个概念。 这样它是一个技术工具,Steenrod 的批评有道理。

Z 可以定得宽:态射先于对象——即数学对象可以完全由它与其他对象的关系刻画,而不由它的内部构成刻画。这样它是一次本体论的开栏,其后果包括结构主义数学哲学、拓扑斯、同伦类型论。

本书采用宽的定义,理由是:窄的定义下,四要件表填不满——因为「定义三个概念」不构成对共有前提的推翻,而共有前提(对象是带结构的集合)确实被推翻了,推翻它的正是宽的那个内容。

但必须承认:采用宽定义是本书为了让表填满而做的选择,而它有事后择宽的嫌疑(选一个足够宽的 Z,使它显得像开栏)。第 33 章会把「Z 的宽窄由什么决定」列为本书未解决的问题,与第 13 章的相应问题合并。

17.8 本章最弱处

其一,签字不完整(17.6)。已标,作为对签字律的不利读数。

其二,Z 的宽窄是选择的(17.7)。已标。

其三,材料的位置可两判。 「自然」一词的既有用法,出自形(结构的日常实践)还是出自算(同调计算的实践)?本书判为形,理由是这个用法首先出现在线性代数(V 与 V*)这个纯结构的语境里。但它在 1940 年代最活跃的使用场所是代数拓扑,那是算的地盘。

按第 7.8、10.7、11.4 节的一贯做法(凡两判取对本书定律不利的那一判):判为形——因为判为算会增加逾越律的计数。已按不利判法填表。

其四,与最近占位者的区分。 最近的占位者有三处:Mac Lane 自己的历史回顾(1988 及《范畴论基础》各版序言)、Marquis(2009)《从几何学观点看》、以及 Krömer(2007)关于范畴论早期史的专著。

Marquis 最有威胁。他主张范畴论的兴起应放在「数学从研究对象转向研究对象之间的映射」这一长期趋势中理解,这个趋势可以上溯到 Klein 的埃尔朗根纲领(用变换群刻画几何)、Noether 学派的结构主义、以及同态定理的中心地位。

这个占位者本书排不掉。 若 Marquis 是对的,范畴论是一个长期趋势的自然顶点,不是一次碰撞。

本书能给的区分:那个长期趋势中的每一步(埃尔朗根、同态定理、结构主义),都仍然把对象放在先——变换群是作用在一个空间上的,同态是两个已给定的群之间的。而范畴的定义取消了这个先后。这一条区分是实质性的,且可核查(查那些文献里对象与映射的定义顺序)。

但它有一个弱点:Marquis 可以回应说,取消先后正是那个趋势的极限。 而「极限」与「断裂」的区别,在本书里是靠共有前提被推翻这一条来判的——于是辩护又回到了「对象在先是不是一条共有前提」这个问题上,而这个问题的证据(前提从未被写下来)在本案例中不如别的案例强:Bourbaki 的《集合论》(1954)确实明文把数学对象定义为带结构的集合。这构成与第 8.8、11.8 节同型的质疑,且本案例中它最有力,因为 Bourbaki 的明文表述与范畴论的兴起几乎同时。

如实记为本章最重的一处未闭合。


第 18 章 概形:Bézout 数重数非要幂零元不可

(1949—1960)

四要件表

内容
代数簇传统:一个簇被显示为仿射或射影空间中多项式方程组的零点集,即一堆点。回答方式是「它是这些点」
算术几何的计算需求:把几何方法用到数论上——Diophantus 方程、模 p 约化、算术曲面。Weil 1949 猜想把有限域上方程的解数与拓扑不变量联系起来,需要一种能同时处理特征 0 与特征 p 的几何
交换代数的账本:交点重数、Hilbert 多项式、Bézout 定理(两条 m 次与 n 次平面曲线交于 mn 个点,须计重数)。回答方式是「数一数,账要平」
共有前提空间先有点(几何对象由它的点的集合给出,函数是点上的函数)
材料·产出位置(交换代数与交点理论):Bézout 重数,原题是「相交数怎么算才与连续变形相容」
材料·撞上位置:重数的局部环长度计算跑出了幂零元 k[x]/(x²)——一个在唯一的点上取值为零而非零的函数
Z带幂零函数的空间——一个几何对象,其上的「函数」可以非零而幂为零;点被素理想代替,空间由环给出而非环由空间给出
拒绝否定型:Weil 与经典代数几何学派长期抵触;「一个函数在每一点都取值零而它不是零函数」在几何直观上被视为荒谬。放逐型:1960—1970 年代不少代数几何教程绕开概形,只讲簇;意大利学派传统与概形语言之间长期无法通话
签字提出即签字(本书两例之一,另一例是第 13 章超实数)。Grothendieck 的 EGA(1960 起)同时给出对象与其构造:概形被定义为局部同构于 Spec(A) 的局部环空间,而 Spec(A) 是由交换环 A 直接造出来的。一致性归约到交换代数与集合论

18.1 账平不了

Bézout 定理是代数几何最古老的计数定理之一:平面上一条 m 次曲线与一条 n 次曲线交于 mn 个点。

但这个定理只有在「计重数」的意义下才对:

· 若两条曲线横截相交,交点是 mn 个不同的点,没问题。

· 若它们相切,交点少了——但为了让定理成立,必须把切点计作两个。

· 若一条曲线是另一条的重复(如 x² = 0 是一条「二重直线」),情况更复杂。

「计重数」是一个补丁。 它保护的共有前提是:几何对象由它的点给出。因为若几何对象只由点给出,那么两条相切曲线的交集就是一个点,而不是两个——重数是外加的一个记账数字,不对应任何几何事物。

这个补丁用了两百年,而且用得很不安。整个十九世纪与二十世纪上半叶的交点理论(Chasles、Schubert 的计数几何、Severi 的等价理论、Weil 的《代数几何基础》1946),大部分工作是在给重数找一个可靠的定义。Hilbert 第十五问题就是要求给 Schubert 的计数演算一个严格基础——这个问题存在本身,就是补丁不安的证据。

按第 3.5 节的定位法:补丁在计,材料在计。

18.2 材料:重数在环里的样子

材料是一个具体的代数事实:交点重数可以由局部环的长度算出。

考虑 y = x² 与 y = 0 在原点相切。交点的坐标环是 k[x,y]/(y − x², y) ≅ k[x]/(x²)。

这个环有一个非零元 x,满足 x² = 0——一个幂零元。而这个环作为 k-向量空间的维数是 2,正好是重数。

这个计算在交换代数里是标准的,回答的是「相交数怎样算才与连续变形相容」(当两条曲线连续地从横截变到相切,交点数不能跳变——这是交点理论的基本要求)。

而它的含义是:那个「点」不是一个普通的点。它带着一个 k[x]/(x²),也就是带着一个「方向上的无穷小延展」。

这正是三家撞上的地方:

· 说:账要平,重数必须是 2。而它在环里表现为一个幂零元。

· 说:我看见的是一个点。一个点上的函数环应当是 k,没有幂零元。

· 说:我需要一种几何,它在模 p 约化下仍然有意义(模 p 约化天然产生幂零元——比如 Spec(ℤ/p²))。

18.3 共有前提:空间先有点

这条前提的表述要小心。

它不是说「空间是点的集合」这么简单——那是明文的定义,可以争。它是一条更基本的规定:几何对象的存在方式是点在先,函数在后。 你先有一堆点,然后考虑这些点上的函数;函数由它在每个点的取值决定;两个函数相等当且仅当它们在每点取值相同。

三家都站在这条规定上:

· :显示一个几何对象就是显示它的点。

· :数一个几何对象就是数它的点(或它的维数、次数——都由点导出)。

· :在一个对象上计算就是在它的点上计算。

而幂零元直接违反最后一句:k[x]/(x²) 中,x 在唯一的点上取值为 0,但 x ≠ 0。一个处处为零的非零函数。 这在「函数由取值决定」的账本上不可能。

18.4 Grothendieck 的翻转

概形的定义把顺序颠倒了:

先有环,点是导出的。 给一个交换环 A,它的谱 Spec(A) 是 A 的素理想的集合,配上 Zariski 拓扑与一个结构层。一个概形是局部长得像 Spec(A) 的局部环空间。

于是:

· 点=素理想。经典的点(极大理想)只是其中一部分;还有「一般点」(generic point,对应零理想),它的闭包是整个不可约分支。

· 函数不由取值决定。结构层给出「函数」,而函数在一点的「值」是它在剩余域中的像——两个不同的函数可以在所有点有相同的值。

· 幂零元合法:Spec(k[x]/(x²)) 是一个只有一个点的概形,但它不是 Spec(k)——它「胖一点」。

这一步做完,Bézout 的重数不再是外加的记账数字:它就是那个交概形的长度,是一个几何量。 补丁被取消了。

18.5 这一栏解决的不止一件事

概形这一栏开了之后,一批原本互不相干的困难同时消失。这一点在十九例中是最显著的,值得单列。

其一,重数几何化(18.4)。

其二,算术与几何统一。 Spec(ℤ) 是一个概形,它的点是素数(加一个一般点)。于是数论问题成为几何问题:一个整系数方程定义 Spec(ℤ) 上的一个概形,模 p 约化就是取纤维。Weil 猜想需要的正是这个(Deligne 1974 用概形语言下的étale 上同调证完)。

其三,形变理论有了对象。 「无穷小形变」在经典语言里只能靠形式幂级数与形式的话来说;在概形语言里,用 Spec(k[ε]/(ε²)) 参数化的族就是一阶形变。幂零元从障碍变成工具。

其四,「一般点」不再是一个说法。 经典代数几何里,「一般点」是意大利学派用了几十年的一个不严格的说法(「取曲线上一个足够一般的点」),Weil 1946 花大力气用「泛点」(generic point over a universal domain)来严格化。在概形里它就是一个点。

这四件事同时被解决,是本书第 29 章要用的一个观察:开一栏往往同时消掉一批不相干的补丁。 这个现象可以作为共有前提确实存在的一个间接证据——若那些困难各自独立,它们不会同时消失。

18.6 提出即签字,且签字者是提出者

本案例与第 13 章(超实数)一样,是「提出即签字」的一例,但形态不同。

超实数的情形:对象由模型存在性定理产出,所以对象与模型同时。

概形的情形:对象由一个构造给出(Spec 是从环显式造出来的),一致性归约到交换代数。

第 6.6 节的签字规格要求指出「一个具体的一致性论证或模型构造」。EGA 提供的是后者,而且是最强的形态:概形不是被假设存在的,它是被造出来的。

这构成对第 28 章签字律的一个不利读数:签字律说签字者通常不是提出者,而本案例中是同一人(Grothendieck)。第 28 章会把它与第 13 章一起统计为例外,并说明定律的准确形式是关于位置(签字必须由计完成)而非人物。

在本案例中,这个辩护是有力的:Grothendieck 做 Spec 构造时,站的正是计的位置——他用的全部是交换代数(Serre 1955 的 FAC 是直接前身)。而他做几何直觉的部分(把 Spec 想象成一个空间)站的是形的位置。一个人可以先后站在两个位置上(第 1.3 节),这不违反定律。

18.7 拒绝的形态:直觉的丧失

对概形的拒绝,措辞与前几章不同。很少有人说它「不存在」——它是造出来的,存在性不成问题。批评集中在两点:

其一,它取消了几何直观。 一个由素理想构成的空间,一个带幂零元的点,一个不由取值决定的函数——这些无法被画出来。经典代数几何的力量在于图像(意大利学派几乎完全靠几何直觉工作),而概形语言把这个力量拿走了。

其二,它的技术门槛极高。 EGA 有一千多页,SGA 更多,而它们在讲到具体几何问题之前要铺极长的基础。这引发了一个持续的批评:为了解决一个具体问题需要建这么大的机器,是不是不成比例。

这两个批评在本书框架里是形这一位置的拒绝(第 1.3 节:形的拒绝是「我画不出它」)。而它的结局与其他案例一致:形最终找到了新的显示方式(概形的图示传统——Mumford《红书》里那张著名的 Spec(ℤ[x]) 的图,把算术曲面画出来,是形重新出场的标志)。

Mumford 那张图的意义,与 Wessel–Argand 的复平面(第 9.4 节)是同一件事:给一个已被算与计承认的对象一个显示。 而它出现在概形定义之后十几年,晚于签字——这与复数相反(复数是先有显示后有签字)。第 28 章会把两种顺序都记录下来。

18.8 本章最弱处

其一,提出即签字,签字者即提出者(18.6)。已标为签字律的例外。

其二,「空间先有点」在文献中的证据是间接的。 与前几章一样,这条前提从未被写下来。本书的证据是补丁(重数的两百年)与拒绝的措辞(「处处为零的非零函数是荒谬的」)。但与第 9 章(Euler 明说「与零不可比者不是数」)相比,本案例没有一处接近明说的文本。

其三,材料是否「早已掌握」有争议。 重数的局部环长度公式,是二十世纪四五十年代交换代数发展(Krull、Zariski、Samuel、Serre)的产物,与概形的提出只差十年左右,且是同一批人的工作。这比 Saccheri 早九十六年、Euler 早九十五年要近得多。

本书的处理:仍判为合格,因为重数计算本身(不用局部环语言)可以追到 Bézout(1779)与十九世纪的交点理论,而那时它已经是一个既成的记账事实。但「材料出自哪一层」在这里不干净:Bézout 层的材料是一个记账要求(重数必须计),交换代数层的材料才是它的环论表现(幂零元)。 前者早、后者晚,而推翻共有前提要靠后者。

如实记:本案例的材料时间差被本书用了较宽的算法。

其四,与最近占位者的区分。 最近的占位者是 McLarty(2007)关于 Grothendieck 与范畴论基础的工作、Dieudonné(1985)的代数几何史、以及 Schappacher 关于算术几何统一进程的研究。

Dieudonné 的叙事(他是 EGA 的合著者)是:概形是「几何与算术统一」这个长期纲领的自然完成,从 Kronecker 到 Dedekind–Weber 到 Weil 到 Serre,方向一以贯之。

这个占位者与第 17.8 节的 Marquis 同型,而且更强,因为 Dieudonné 是当事人。本书能给的区分同样是:那个纲领的每一步都保持「空间先有点」(Weil 的泛点理论是为了在保持点的前提下得到一般点),而概形取消了它。这条区分可核查,但同样面对「取消是不是那个纲领的极限」这个反驳。

两章遇到同一形态的占位者,说明这是本书在二十世纪案例上的系统弱点:二十世纪的数学有清晰的纲领意识,而纲领叙事与碰撞叙事在同一批史料上都能自圆。 第 33 章会把这一点记为本书对二十世纪案例的解释力弱于十九世纪案例。


丙 过程与对象的账本多开的那几栏