Tài liệu Đặc trưng và chướng ngại tri thức luận của khái niệm vô cực trong Toán học - Nguyễn Ái Quốc: TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN SAIGON UNIVERSITY
TẠP CHÍ KHOA HỌC SCIENTIFIC JOURNAL
ĐẠI HỌC SÀI GÒN OF SAIGON UNIVERSITY
Số 65 (5/2019) No. 65 (5/2019)
Email: tcdhsg@sgu.edu.vn ; Website: https://tapchikhoahoc.sgu.edu.vn
43
ĐẶC TRƯNG VÀ CHƯỚNG NGẠI TRI THỨC LUẬN
CỦA KHÁI NIỆM VÔ CỰC TRONG TOÁN HỌC
An epistemological analysis of infinity in Mathematics
TS. Nguyễn Ái Quốc
Trường Đại học Sài Gòn
TÓM TẮT
Vô cực xuất hiện ở nhiều hình dạng và hình thức trong Toán học. Các điểm ở vô cực trong hình học xạ
ảnh rất khác với các đại lượng vô hạn và vô cùng bé xuất hiện trong giải tích phi chuẩn, hoặc các số siêu
hạn trong lý thuyết tập hợp, hoặc vô hạn liên quan đến một tiến trình giới hạn. Nghiên cứu này trình bày
một phân tích tri thức luận làm rõ quá trình hình thành và phát triển của khái niệm vô cực và xác định các
đặc trưng tri thức luận của nó.
Từ khóa: vô cực, vô cực tiềm năng, vô cực thực tế, đặc trưng tri thức luận, phân tích tri thức luận lịch sử
ABST...
13 trang |
Chia sẻ: quangot475 | Lượt xem: 563 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đặc trưng và chướng ngại tri thức luận của khái niệm vô cực trong Toán học - Nguyễn Ái Quốc, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN SAIGON UNIVERSITY
TẠP CHÍ KHOA HỌC SCIENTIFIC JOURNAL
ĐẠI HỌC SÀI GÒN OF SAIGON UNIVERSITY
Số 65 (5/2019) No. 65 (5/2019)
Email: tcdhsg@sgu.edu.vn ; Website: https://tapchikhoahoc.sgu.edu.vn
43
ĐẶC TRƯNG VÀ CHƯỚNG NGẠI TRI THỨC LUẬN
CỦA KHÁI NIỆM VÔ CỰC TRONG TOÁN HỌC
An epistemological analysis of infinity in Mathematics
TS. Nguyễn Ái Quốc
Trường Đại học Sài Gòn
TÓM TẮT
Vô cực xuất hiện ở nhiều hình dạng và hình thức trong Toán học. Các điểm ở vô cực trong hình học xạ
ảnh rất khác với các đại lượng vô hạn và vô cùng bé xuất hiện trong giải tích phi chuẩn, hoặc các số siêu
hạn trong lý thuyết tập hợp, hoặc vô hạn liên quan đến một tiến trình giới hạn. Nghiên cứu này trình bày
một phân tích tri thức luận làm rõ quá trình hình thành và phát triển của khái niệm vô cực và xác định các
đặc trưng tri thức luận của nó.
Từ khóa: vô cực, vô cực tiềm năng, vô cực thực tế, đặc trưng tri thức luận, phân tích tri thức luận lịch sử
ABSTRACT
Infinity occurs in many shapes and forms in mathematics. The points at infinity in projective geometry
are very different from the infinite and infinitesimal quantities that occur in nonstandard analysis, or the
transfinite numbers in set theory, or the infinity involved in a limiting process. This study presented the
epistemological analysis that could clarify the emergence and development of concept of Infinity and
determine the epistemological characteristics of this knowledge object.
Keywords: infinity, potential infinity, actual infinity, epistemological characteristic, historical epistemological
analysis
1. Đặt vấn đề
1.1. Sự cần thiết nghiên cứu khái niệm
vô cực
Khái niệm vô cực hiện diện trong nhiều
lĩnh vực khác nhau của Toán học như lý
thuyết tập hợp, giải tích, hình học, đại số,
tôpô học. Nhiều khái niệm toán học được
xây dựng gắn liền với khái niệm vô cực, cho
thấy vai trò quan trọng của tri thức này trong
việc thiết lập các nền tảng của Toán học.
1.2. Tồn tại những quan niệm sai của
học sinh về khái niệm vô cực
Cuối tháng 4 năm 2019, hai thực nghiệm
khảo sát được tiến hành trên 5 học sinh (HS)
lớp 10 và 5 HS lớp 11 Trường trung học phổ
thông Hùng Vương. Vì đây là thời điểm cuối
học kỳ 2 nên các HS lớp 10 đã kết thúc môn
đại số, và các HS lớp 11 đã kết thúc môn đại
số và giải tích. Khảo sát nhằm tìm hiểu xem
HS hiểu như thế nào về khái niệm vô cực
trong Toán học.
Nội dung thực nghiệm thứ nhất trên HS
lớp 10 bao gồm câu hỏi sau:
“Cho các hệ thức sau:
a/ = + 1; b/ - = 1; c/
∞
∞
= 1.
Email: nguyenaq2014@gmail.com
SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 65 (5/2019)
44
Em hãy cho biết mỗi hệ thức đúng hay
sai? Vì sao?”
Câu trả lời mong đợi:
a/ đúng; b/ sai; c/ sai.
Nội dung thực nghiệm thứ hai trên HS
lớp 11 bao gồm câu hỏi sau:
“Trong giới hạn hàm số, em hãy cho
biết tại sao các dạng sau được gọi là dạng vô
định:
a/ - ; b/ 0; c/
∞
∞
?”
Câu trả lời mong đợi:
Vì đây là câu hỏi liên quan đến ý nghĩa
của đại lượng vô cùng lớn được biểu thị
bằng ký hiệu , nên câu trả lời mong đợi là
nêu ra được một số trường hợp cụ thể để cho
thấy không thể xác định chính xác được giá
trị của mỗi biểu thức.
Kết quả thực nghiệm:
Trong thực nghiệm thứ nhất, cả 5 HS
đều trả lời đúng cho câu a/, trong đó 3 HS
giải thích rằng cộng vô cực với một số
dương thì phải là vô cực, 2 HS còn lại giải
thích cộng vô cực với một số thực luôn bằng
vô cực. Như vậy, các HS này quan niệm vô
cực là một con số rất lớn.
Đối với câu b/, có 2 HS cho rằng đúng
và giải thích hệ thức trong câu b/ tương
đương với hệ thức trong câu a/, 3 HS còn lại
cho rằng sai vì vô cực trừ cho vô cực bằng 0.
Đối với câu c/, cả 5 HS đều kết luận
đúng, trong đó 2 HS cho rằng đơn giản tử và
mẫu cho vô cực thì được 1, 2 HS còn lại cho
rằng hệ thức tương đương với hệ thức = .
Trong thực nghiệm thứ hai, có 4 HS
giải thích rằng các biểu thức đã cho vô định
vì “Sách giáo khoa quy định đó là những
dạng vô định”. Chỉ duy nhất 1 HS giải thích
biểu thức trong câu a/ không xác định vì
hiệu hai vô cực có thể là một số rất lớn,
nhưng cũng có thể rất nhỏ. Đối với câu b/,
HS này giải thích rằng vì là giới hạn nên đại
lượng chỉ tiến dần đến 0 chứ không thể bằng
0, nên không thể xác định được giá trị của
biểu thức. Đối với câu c/, HS này giải thích
tương tự như trong câu a/ rằng giá trị của
biểu thức có thể rất lớn, hoặc rất nhỏ.
Như vậy, trong thực nghiệm thứ nhất,
tồn tại ở HS lớp 10 một quan niệm “vô cực
là một số rất lớn”, nên có thể áp dụng các
quy tắc biến đổi như với các số thực. Trong
thực nghiệm thứ hai, đa số HS gặp khó khăn
trong việc hiểu ý nghĩa của ký hiệu vô cực
gắn liền với tiến trình giới hạn. Mặc dù có 1
HS thấy được tính không xác định của giá
trị biểu thức nhưng vẫn chưa đưa ra được
một số trường hợp cụ thể để cho thấy các
biểu thức có thể lấy nhiều giá trị khác nhau
trong một tiến trình giới hạn. Sau cùng, HS
xem ký hiệu biểu đạt cho cùng một đại
lượng, do đó có thể triệt tiêu nhau trong bài
toán trừ, hay được đơn giản như một nhân
tử trong bài toán nhân hay chia.
1.3. Sự cần thiết của phân tích tri thức
luận
Việc xác định các loại sai lầm của
người học trong học Toán và nguồn gốc của
chúng luôn là nhiệm vụ đầu tiên đặt ra đối
với các nhà nghiên cứu Didactic Toán trước
khi đưa ra các giải pháp để giúp người học
loại bỏ các sai lầm đó. Theo [1]:
- Nghĩa của tri thức, những vấn đề mà
tri thức đó cho phép giải quyết.
- Những quan niệm có thể gắn liền với
tri thức.
2. Khái niệm vô cực trong Toán 10
và 11
Khái niệm vô cực không được định
nghĩa tường minh trong chương trình Toán
10 và 11.
Trong Sách giáo khoa Đại số 10, khái
niệm vô cực xuất hiện lần đầu trong bài
“Tập hợp và các phép Toán trên tập hợp”
NGUYỄN ÁI QUỐC TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN
45
của chương 1 “Mệnh đề và Tập hợp”. Khái
niệm vô cực được đưa vào để giới thiệu các
khoảng (- ; +), (a ; +), [a ; +), (- ;
b), (- ; b], và không được định nghĩa hay
mô tả một cách tường minh.
Trong Sách giáo khoa Đại số và Giải
tích 11, khái niệm vô cực được đưa vào
trong các tiến trình giới hạn và cũng không
được định nghĩa hay mô tả một cách tường
minh.
3. Phân tích tri thức luận lịch sử khái
niệm vô cực
3.1. Sự mở đầu các ý tưởng về vô cực
Những ý tưởng ban đầu về vô cực gắn
liền với người Hy Lạp cổ đại. Ban đầu từ
“apeiron” có nghĩa là không giới hạn, vô
hạn, không rõ ràng hoặc không xác định. Đó
là một từ tiêu cực, thậm chí miệt thị. Đối với
người Hy Lạp, sự hỗn loạn ban đầu mà thế
giới được hình thành là “apeiron”. Aristotle
nghĩ rằng vô hạn là một sự thiếu thốn không
hoàn hảo. Đó là sự vắng mặt của giới hạn.
Những người theo trường phái Pythagoras1
không làm việc với khái niệm vô cực. Tất cả
mọi thứ trong thế giới của họ là số. Thật vậy,
họ liên kết thiện, ác với hữu hạn và vô hạn.
Mặc dù nó chưa được hiểu rõ vào thời điểm
đó, nhưng phát hiện của họ về các đối tượng
vô ước không thể đo được, chẳng hạn √2,
sẽ đòi hỏi một khái niệm rõ ràng và sự hiểu
biết về vô hạn.
Những người theo trường phái
Pythagoras cảm thấy rằng có một số lượng
hữu hạn các số tự nhiên. Aristotle lập luận
chống lại bất cứ điều gì thực sự là vô hạn,
nhưng tin vào một vô hạn tiềm năng. Trong
khi ông không tin vào vô hạn, ông tin rằng đối
với bất kỳ nhóm hữu hạn nào, có một nhóm
hữu hạn lớn hơn. Chỉ có một số hữu hạn các
số tự nhiên đã được viết ra hoặc được hình
thành. Nếu L là số lớn nhất được hình thành,
chúng ta có thể chuyển sang L + 1 hoặc L,
nhưng vẫn chỉ có một lượng hữu hạn được sử
dụng [7, tr. 12].
Tuy nhiên, đối với người Hy Lạp, khái
niệm vô cực đã áp đặt họ bởi thế giới vật chất
bằng ba quan sát truyền thống: thời gian
dường như không có hồi kết; không gian và
thời gian có thể được chia nhỏ không ngừng;
không gian không bị ràng buộc.
Với các định lý sao cho số lượng các số
nguyên tố không bị chặn và do đó cần đến
các số có độ lớn không xác định, người Hy
Lạp phải đối mặt với viễn cảnh vô tận.
Aristotle đã né tránh tính thực tế của vô cực
bằng cách xác định một vô cực nhỏ nhất,
trong khi không đưa ra một số tự nhiên mới,
đủ gây ra nhiều khó khăn cho các định lý
này. Định nghĩa này về vô hạn tiềm năng,
không phải vô hạn thực tế, vô cùng hiệu quả
và làm hài lòng các nhà toán học và triết gia
trong hai thiên niên kỷ. Vì vậy, các số
nguyên là vô hạn tiềm năng vì chúng ta luôn
có thể thêm một để có số lớn hơn, nhưng tập
hợp vô hạn các số như vậy không tồn tại.
Aristotle lập luận rằng hầu hết các đại
lượng thậm chí không thể là vô hạn tiềm
năng, bởi vì bằng cách thêm các đại lượng
liên tiếp, có thể vượt quá giới hạn của vũ trụ.
Nhưng vũ trụ là vô hạn tiềm năng theo nghĩa
nó có thể bị chia nhỏ nhiều lần. Thời gian là
vô hạn tiềm năng theo cả hai hướng. Phản
ánh suy nghĩ của người Hy Lạp, Aristotle
nói rằng cái vô hạn là không hoàn hảo, chưa
hoàn thành và không thể tưởng tượng được.
Trong hình học, Aristotle thừa nhận rằng
các điểm nằm trên các đường nhưng các
điểm không bao hàm đường thẳng và tính
liên tục không thể được tạo thành từ rời rạc.
Nổi tiếng nhất trong các tác phẩm Hy
Lạp cổ đại về sự vô hạn là của nhà triết học
Zeno of Elea (495-435 B.C.E.). Zeno là
người phát ngôn hàng đầu của Trường phái
triết học Eleatic. Ông cảm thấy rằng khoa
SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 65 (5/2019)
46
học không thể vật lộn với thực tế trừ khi nó
tính đến những cách thức vô hạn dường như
xuất hiện ở mọi nơi trong tự nhiên. Ông
được biết đến với những nghịch lý như làm
thế nào một thứ có thể di chuyển qua vô số
điểm trong một khoảng thời gian hữu hạn.
Một trong những nghịch lý của ông là
thảo luận về một cuộc đua giữa Achilles,
người chạy theo huyền thoại và một con rùa,
trong đó con rùa được khởi hành trước.
Zeno nói rằng Achilles sẽ không thể bắt kịp
con rùa. Ông lý luận rằng vào thời điểm
Achilles bắt đầu chạy, con rùa đã đi trước
một khoảng cách. Vào thời điểm Achilles
đạt đến điểm mà con rùa đã ở khi Achilles
bắt đầu chạy, con rùa đã di chuyển xa hơn.
Khi Achilles đến điểm mới này, rùa lại tiếp
tục di chuyển. Điều này sẽ tiếp tục mãi mãi,
ngăn Achilles không bao giờ bắt kịp.
Nghịch lý này, và những người khác ủng hộ
Zeno, cũng là một trong những đề cập đầu
tiên của ý tưởng về một cái gì đó tiếp tục
mãi mãi.
Trường phái triết học Eleatic là một
trong những người đầu tiên biết ước tính
diện tích hình tròn bằng cách cắt nó thành
hình tam giác và đo diện tích của mỗi hình
tam giác. Khi số lượng hình tam giác tăng
lên và kích thước của mỗi hình giảm, ước
tính đã trở nên gần hơn với diện tích thực tế.
Để có được diện tích thực tế, một người sẽ
phải tạo vô số hình tam giác nhỏ vô hạn. Họ
hỏi làm thế nào một số lượng vô hạn những
cái không gì cả thêm vào một cái gì đó giống
như một vòng tròn?
Euclid, giống như Aristotle, cũng
không xem xét đến vô hạn thực tế. Ông
được ghi nhận vì đã chứng minh, khoảng
300 B.C.E., có vô số số nguyên tố. Tuy
nhiên, tuyên bố thực tế của ông là “số
nguyên tố nhiều hơn bất kỳ đại lượng nào
được gán cho các số nguyên tố”. Số này phù
hợp với niềm tin của Aristotle trong vô hạn
tiềm năng.
Tương ứng, các định nghĩa trong tác
phẩm “Cơ sở” của Euclid phản ánh hình ảnh
ít rõ ràng hơn của các khái niệm cơ bản này.
Trong cuốn I, các định nghĩa về điểm và
đường được đưa ra như sau:
Định nghĩa 1. Một điểm là cái không có
phần.
Định nghĩa 4. Một đường thẳng là một
đường kéo dài với các điểm trên chính nó.
Trong “Cơ sở” của Euclid, định nghĩa
“Một điểm là không có phần”, gợi các ý
tưởng về tính phân chia vô hạn của không
gian. một tình huống khác, Euclid tránh sự
vô hạn trong định nghĩa một đường bằng
cách nói rằng nó có thể được mở rộng đến
mức cần thiết. Tiên đề về các đường song
song cũng đòi hỏi các đường phải được kéo
dài vô tận. Bằng chứng về mối quan hệ giữa
diện tích hình tròn và đường kính của nó là
một quá trình giới hạn của một đối số hữu
hạn thông qua phương pháp vét cạn2. Sau
người Hy Lạp, người Ả Rập trở thành người
trông coi di sản Hy Lạp và kiến thức toán
học tiên tiến nói chung, đặc biệt là về đại số.
Họ làm việc tự do với những đối tượng vô
tỷ nhưng không kiểm tra chặt chẽ bản chất
của chúng và điều này đã phải chờ thêm một
ngàn năm nữa.
3.2. Ý tưởng về vô hạn trở nên rõ ràng hơn
Theo sau người Ả Rập, các nhà toán
học châu Âu cũng nghiên cứu các số vô tỷ,
mặc dù có một số nhầm lẫn với tính vô hạn.
Thánh Augustine đã chấp nhận quan điểm
Plato rằng Thiên Chúa là vô hạn và có thể
có những suy nghĩ vô hạn. Thánh Thomas
Aquinas thừa nhận tính vô hạn của Thiên
Chúa nhưng phủ nhận ông đã làm những
điều không giới hạn.
NGUYỄN ÁI QUỐC TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN
47
Nicolas của Cusa (1401 - 1464), giữa
thế kỷ 15, tin rằng vũ trụ là vô hạn. Ông
cũng nói rằng các ngôi sao cách xa mặt trời.
Vào thời điểm đó, Giáo hội Công giáo đang
cố gắng loại bỏ tất cả những dị giáo không
xem trái đất là trung tâm của vũ trụ. Nicolas
được đưa đến trước Tòa án dị giáo. Ông đã
bị tra tấn trong chín năm trong một nỗ lực
để làm cho ông nói rằng vũ trụ là hữu hạn.
Ông đã từ chối, và đã bị thiêu cháy năm
1600.
Nhiều nhà toán học Hy Lạp cổ đại tin
rằng không thể thực hiện phép cầu phương
bằng compa và thước, nhưng Nicolas nghĩ
có thể thực hiện điều đó vì ông tin rằng một
đường tròn là một đa giác với số cạnh lớn
nhất có thể. Ông so sánh sự vô hạn và quá
trình vô hạn với việc đạt được chân lý cùng
thiên ân, là một kiểu nghịch lý nảy sinh
trong tư duy thời trung cổ. Điều này được
hiểu rằng một vòng tròn lớn hơn nên có
nhiều điểm hơn một vòng tròn nhỏ hơn,
nhưng chúng được đặt trong sự tương ứng
một-một.
Năm 1600, Galileo Galilei (1564 -
1642) đã đề xuất việc đưa vào vô số khoảng
trống nhỏ vô hạn. Nhưng ông hiểu vấn đề là
sử dụng lý luận hữu hạn vào những thứ vô
hạn. Ông nói, “thật sai lầm khi nói về các
đại lượng vô hạn là số lớn hơn hoặc nhỏ hơn
hoặc bằng số kia". Với cái nhìn sâu sắc của
thiên tài, ông tuyên bố vô cực không phải là
một khái niệm không nhất quán, mà là tuân
theo các quy tắc khác nhau.
Sự hiểu biết của con người về vô hạn
đã được nâng cao rất nhiều bởi các tác
phẩm của Galilei. Ông có thể có nhiều điều
để nói hơn, nhưng bằng nhận thức về số
phận của Nicholas đã làm ông cẩn thận hơn
với những gì mình nói ra.
Trong bài tiểu luận về “On Two New
Sciences” (1638), ông đã thảo luận về các ý
tưởng toán học như một cuộc đối thoại giữa
Salviati - người thông minh và Simplicius -
người đơn giản. Salviati giải thích nhiều
khía cạnh của vô cực cho Simplicius.
“Vô hạn và những thứ không thể chia
tách được vượt qua sự hiểu biết hữu hạn của
chúng ta, cái thứ nhất vì sự vĩ đại của chúng,
cái sau vì sự nhỏ bé của chúng. Hãy tưởng
tượng chúng là gì khi kết hợp lại với nhau” [7,
tr. 19].
Galilei phân biệt giữa “vô hạn tiềm
năng” và “vô hạn thực tế”. Ông thiết lập một
tương ứng một-một giữa các số tự nhiên và
bình phương của chúng. Ông suy luận phải
có nhiều số chính phương như các số tự
nhiên. Ông cố gắng suy luận nghịch lý một
tập hợp bằng một tập hợp con của chính nó.
Ông viết, nếu bạn lấy tập hợp các số đếm, trừ
đi tập hợp các số chính phương có kích thước
bằng với tập các số đếm, bạn vẫn còn một tập
hợp vô hạn các số không chính phương.
Theo hướng thực tế hơn, Leonardo của
Pisa được gọi là Fibonacci, đã chứng minh
một phương trình bậc ba không thể giải
được thuộc bối cảnh của bất kỳ số nào được
thảo luận trong Euclid (đó là những con số
có dạng, √√𝑎 ± √𝑏, với a và b là số hữu tỷ).
Hơn nữa, sự nhầm lẫn là hiển nhiên trong
việc hiểu bản chất của các số vô tỷ và mối
liên kết cơ bản của nó với vô hạn. Trong
cuốn sách “Arithmetica Integra” năm 1544,
Michael Stifel (1487-1567) đã thực hiện
những quan sát sau đây về số vô tỷ: có các
số vô tỷ bởi vì chúng hoạt động trong chứng
minh các hình hình học; chúng có hình dạng
như thế nào bởi vì khi chúng ta cố gắng đưa
ra một biểu diễn thập phân thì chúng lẫn
trốn, và chúng ta không thể chạm tay vào
chúng. Do đó, một số vô tỷ không phải là
một con số thực sự, mà nằm ẩn trong một
SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 65 (5/2019)
48
đám mây vô cực. Điều này đánh dấu cảm
giác bối rối, không chắc chắn của các nhà
toán học chuyên nghiệp, trong khi minh họa
mối liên hệ với vô cùng.
Bản chất của vô cực không được làm rõ
cho đến năm 1874, với một bài báo cơ bản
của Georg Cantor. Trong thời gian chuyển
tiếp, tính toán cùng giải tích đã ra đời và
phát triển đầy đủ thành một lĩnh vực quan
trọng của toán học.
Steven Simon (1548-1620), một kỹ sư
thương mại, là một trong những nhà toán
học sớm nhất từ bỏ lập luận doule reductio
ad absurdum (suy luận phản chứng kép) của
người Hy Lạp cổ đại và tiếp nhận một tiến
trình giới hạn. Đây là sự chấp nhận giới hạn
như là một tiến trình vô hạn không đòi hỏi
mêtric hóa.
Trong một nghiên cứu, Simon chứng
minh rằng trung tuyến của một hình tam
giác chia nó thành hai hình tam giác có diện
tích bằng nhau. Ông đã hoàn thành điều này
bằng lập luận phân chia liên tiếp thành các
hình chữ nhật và ước tính phần thừa. Ông là
một nhà toán học/kỹ sư thực tiễn, người
muốn thiết lập kết quả theo cách dễ hiểu và
truyền bá các phương pháp thập phân mới.
Phần giới hạn trong lập luận của ông, rằng
1
2𝑛
tiến đến 0 khi n tiến đến , mà ông tự cho
là hiển nhiên.
3.3. Sự xuất hiện của giải tích
John Wallis (1616-1703) được cho là
nhà toán học quan trọng nhất ở Anh thế kỷ
17 ngoại trừ Newton, là giáo sư hình học
Savilian3 tại Oxford (ban đầu nghiên cứu về
thần học). Trong tác phẩm “Arithmetica
Infinitorum” (vô hạn số học), ông đã mở
rộng công trình của Torricelli (1608-1647)
và Cavalieri (1598-1647) trên các
“indivisiles”4 (các đối tượng không thể chia
tách được) và bằng một bước nhảy vọt về
phép quy nạp đã thiết lập rằng:
4
𝜋
=
3.3.5.5.7.7.9
2.4.4.6.6.8.8
Sự mở rộng vô hạn này cho , mặc dù
không phải là lần đầu tiên, minh họa rõ
ràng cho một quá trình vô hạn mà không
cần biện minh.
Năm 1655, Wallis đưa ra biểu tượng
cho vô cực. Ông chọn biểu tượng này vì nó là
một đường cong khép kín có thể vạch ra vô
hạn lần. Biểu tượng này xuất hiện trong bài
báo “Tract on Conic Sections” (Miền trên các
phần Conic) biểu thị một đường cong không
có kết thúc. Vài tháng sau, ông sử dụng biểu
tượng này lần nữa trong tác phẩm có ảnh
hưởng lớn hơn “Arithmetica infinitorum” (Vô
hạn số học) [7, tr. 20].
Giống như Wallis, Newton, Leibnitz,
Bernoulli, Euler và những người khác đã
phát minh ra và sau đó theo đuổi các phép
tính mới, không thực hiện một xem xét
nghiêm túc nào cho chứng minh và bất kỳ lý
thuyết về giới hạn và vô hạn. Vì thế, một
xuất hiện trong một tính toán sẽ được coi là
một nghịch lý. Giải tích được Isaac Newton
(1643 – 1727) và Leibniz (1646 – 1716)
phát triển. Giải tích được chia thành phép
tính vi phân. phép tính tích phân và chúng là
sự đảo ngược của nhau. Cả hai đều liên quan
đến việc chia một số lượng hữu hạn thành
vô hạn lần nhiều phần nhỏ vô hạn.
Leonard Euler (1707-1783) không cải
thiện tình trạng lý thuyết nào cả. Ông theo
đuổi giải tích mới với việc bỏ qua điều mà
cả Newton và Leibnitz quan tâm. Chẳng
hạn, ta xét hai chuỗi được Euler nghiên cứu:
1
(𝑥 + 1)2
= 1 − 2𝑥 + 3𝑥2 − 4𝑥3 + ⋯ (∗)
1
1 − 𝑥
= 1 + 𝑥 + 𝑥2 + 𝑥3 + ⋯ (∗∗)
Thay x = – 1 vào (*), được = 1 + 2 +
3 + 4 +
NGUYỄN ÁI QUỐC TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN
49
Thay x = 2 vào (**), được –1 = 1 + 2 +
4 + 8 +
Chuỗi thứ hai có từng số hạng lớn hơn
chuỗi thứ nhất. Do đó, −1 > ∞.
Những loại tính toán này phổ biến trong
giải tích ngày nay và được gọi là các nghịch
lý. Bằng cách thay thế 𝑥 = −1 vào (**),
Euler cũng lưu ý rằng:
1
2
= 1 − 1 + 1 − 1 + ⋯
Euler tự cho phép 0/0 có một giá trị xác
định, mà có ảnh hưởng trong việc tiến đến
“tỷ lệ giữa các số không”:
Không có nghi ngờ rằng mọi đại lượng có
thể bị giảm đến mức nó tan biến hoàn toàn và
biến mất. Nhưng một đại lượng nhỏ vô hạn
không gì khác hơn là một đại lượng tan biến
và do đó, nó chính là 0 [6, tr. 429].
Sau đó, ông tiếp tục giải thích làm thế
nào dy/dx bằng 0/0, có thể có một giá trị xác
định. Trích dẫn trên là từ một trong các cuốn
sách giáo khoa của Euler, về tổng thể có ảnh
hưởng tích cực to lớn trong việc tổ chức giải
tích thành một nghiên cứu chặt chẽ về các
biểu thức giải tích.
3.4. Các nguồn gốc của vô cực
Jean d’Alembert (1717-1783) về cơ bản
rút ra phương trình sóng hiện đại cho dây
rung và cho thấy chuỗi lượng giác có thể
được sử dụng để giải nó. Đây là một sự khởi
đầu đáng lưu ý các chuỗi lũy thừa, mà hầu
hết các nhà toán học hiểu được giới hạn của
tính hợp lệ. Mặt khác, chuỗi lượng giác là
mới và khó phân tích hơn. D’Alembert tự
giới hạn mình trong các điều kiện ban đầu là
các hàm tuần hoàn, giúp cho việc phân tích
dễ dàng hơn.
Euler ngay sau đó đã cho phép điều
kiện ban đầu là bất kỳ hàm số nào không
nhảy vì đây là một đoạn. Ông bảo đảm tính
tuần hoàn bằng cách mở rộng nó theo chu
kỳ bên ngoài khoảng.
Daniel Bernoulli (1700-1782) đã đưa
các ý tưởng đi xa hơn bằng cách tuyên bố tất
cả các đường cong mới, những đường cong
được xác định bằng biểu thức, có thể được
biểu diễn bằng chuỗi lượng giác. Điều này
đã bị từ chối bởi d’Alembert và Euler. Euler
cho rằng các hàm số không thể liên tục và
không liên tục.
Tình trạng này vẫn chưa được giải
quyết trong gần một thế kỷ cho đến khi Jean
Baptiste Joseph de Fourier (1768-1830) áp
dụng chuỗi lượng giác cho bài toán nhiệt.
Chuỗi lượng giác tương tự như chuỗi
phương trình sóng, nhưng đòi hỏi về tính
liên tục của các điều kiện ban đầu không
được yêu cầu, nếu chỉ dựa trên cơ sở vật lý
như đối với dây rung. Bài báo cơ bản năm
1807 đã bị từ chối không kém gì Legendre,
Laplace và Lagrange, mặc dù sau đó công
trình nghiên cứu tiếp tục của ông được
khuyến khích. Fourier trở lại việc giải thích
các hệ số của chuỗi Fourier là diện tích, trái
ngược với nguyên hàm. Ta hãy xem xét các
chuỗi hàm sin:
𝑓(𝑥) = ∑ 𝑏𝑛sin (𝑛𝑥)
∞
𝑛=1
𝑏𝑛 =
2
𝜋
∫ 𝑓(𝑠) sin(𝑛𝑠) 𝑑𝑠
𝜋
0
Fourier cho rằng mọi hàm có thể được
biểu diễn bằng một chuỗi lượng giác.
Câu hỏi đặt ra là: Phân loại các hàm số
mà chuỗi Fourier hội tụ. Câu hỏi đơn giản
này có tác động sâu sắc đến sự phát triển của
giải tích và theo nghĩa đen buộc phải
nghiêm ngặt đối với chủ đề, trước là cho các
ý tưởng về tính liên tục, sau là định nghĩa về
tích phân và cuối cùng là khái niệm tập hợp.
Điều này buộc các nhà toán học đối đầu với
vô cực. Đây là một trong những mối liên hệ
SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 65 (5/2019)
50
gây tò mò hơn trong lịch sử toán học.
3.5. Vô cực và Cantor
Georg Ferdinand Ludwig Philipp Cantor
(1845-1918) là người đầu tiên thực hiện một
công trình nghiên cứu lớn về các mặt khác
nhau của vô cực. Đến nay, hầu hết các ý tưởng
của chúng ta trong lĩnh vực này đều xuất phát
từ ông [7, tr. 22].
Cantor là một học trò của Dedekind và
thừa hưởng từ người vấn đề thành lập lớp
các hàm số có chuỗi Fourier hội tụ. Tiếp nối
thầy mình, Cantor bắt đầu nghiên cứu các
họ hàm số có chuỗi Fourier hội tụ được phân
loại theo các điểm đặc biệt của chúng. Đó là
ngay cả sau những ý tưởng đầu tiên về hội
tụ, Cantor đã mở rộng số điểm đặc biệt mà
một hàm số có thể có và vẫn có một chuỗi
Fourier hội tụ ngoại trừ tại những điểm đó.
Nỗ lực đầu tiên của ông vào năm 1872 là đã
tính đến vô số điểm đặc biệt trả lời cho câu
hỏi của Riemann.
Cantor xét một tập hợp vô hạn các
điểm. Ông định nghĩa tập dẫn xuất S của S,
là tập hợp các điểm giới hạn của S; định
nghĩa tập dẫn xuất S của S, còn được gọi
là tập hợp dẫn xuất thứ hai của S, v.v.
0 = ∑ 𝑎𝑛
∞
𝑛=1
cos(𝑛𝑥) + 𝑏𝑛 sin(𝑛𝑥)
Cantor đã có thể chỉ ra rằng nếu
chuỗi lượng giác hội tụ về số không, ngoại
trừ tại một tập các điểm có một tập dẫn xuất
hữu hạn thứ k, với k hữu hạn, thì 𝑎𝑛 = 𝑏𝑛 =
0, 𝑛 = 1, 2, Hơn nữa, ông cũng cho thấy
sự tồn tại các tập như thế với mọi n.
Cantor chắc chắn đã nhận thức được
rằng quá trình dẫn xuất có thể được thực
hiện vô hạn. Sử dụng ký hiệu 𝑆(𝑛) là tập dẫn
xuất thứ n của S, thì 𝑆(𝑛+1) = (𝑆(𝑛))
′
là tập
dẫn xuất của 𝑆(𝑛). Bằng cách này, định
nghĩa 𝑆(∞)là các điểm trong 𝑆(𝑛) với mọi n
hữu hạn, ta có thể tiếp tục áp dụng phép toán
dẫn xuất nhận được các tập các điểm sau:
𝑆(0), 𝑆(1), , 𝑆(∞), 𝑆(∞+1), , 𝑆(∞.2),
, 𝑆(∞.4), , 𝑆(∞
2), , 𝑆(∞
∞),
Số xuất hiện tự nhiên trong ngữ cảnh
này. Các số +1, +2 cũng xuất hiện như
vậy. Như vậy, nguồn gốc của các số vô hạn
là nhằm đạt đến việc giải một bài toán
giải tích.
Năm 1882, Cantor giới thiệu một vô
cực mới, phân biệt bản số với bậc, các số
đếm với các số thứ tự, chẳng hạn một, hai,
ba khác với thứ nhất, thứ hai, thứ ba. Ông
muốn nói rằng (𝑎1, 𝑎2, ) và (𝑏2, 𝑏3, 𝑏1)
có cùng bản số hay lực lượng nhưng thứ tự
của chúng khác nhau. Bộ thứ nhất có bậc
trong khi bộ thứ hai có bậc +1. Đối với các
tập hữa hạn, chỉ có một bậc có thể được đưa
ra mặc dù các phần tử có thể được hoán vị.
Do đó, các số thứ tự và số đếm có thể được
đồng nhất.
Tuy nhiên, Cantor khi đó đã dành thời
gian của mình cho các khía cạnh lý thuyết
tập hợp của nỗ lực mới của mình, từ bỏ một
số vấn đề cơ bản của các bài toán chuỗi
Fourier. Đầu tiên ông dành thời gian của
mình để phân biệt các tập hợp hữu tỷ và tập
số thực. Năm 1874, ông đã thiết lập rằng tập
hợp các số đại số có thể được đặt thành
tương ứng một-một với các số tự nhiên.
Nhưng tập hợp các số thực không thể được
đặt vào một sự tương ứng như vậy.
Định lý. Tập hợp các số hữu tỷ tương
ứng một – một với các số tự nhiên.
Chứng minh 1. Đặt 𝑟𝑚,𝑛 =
𝑚
𝑛
là một số
hữu tỷ được biểu diễn dưới dạng tối giản.
Định nghĩa mối liên hệ 𝑟𝑚,𝑛 → 2
𝑚3𝑛. Điều
này cho tương ứng các số hữu tỷ với tập con
các số tự nhiên, và do đó tương ứng với các
NGUYỄN ÁI QUỐC TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN
51
số tự nhiên.
Chứng minh 2. Sắp xếp tất cả các số
hữu tỷ trong một bảng và đếm các số theo
các mũi tên.
Hình 1. Phương pháp đường chéo của
Cantor
Cách đếm này đặt các số hữu tỷ thành
tương ứng với các số tự nhiên. Lưu ý có một
số sự trùng lặp của các các số hữu tỷ. Vì vậy,
để kết thúc, chỉ cần loại bỏ các bản sao.
Ngoài ra, xây dựng bảng với các số hữu tỷ
theo thứ tự thấp nhất.
Chứng minh cho các số đại số chỉ phức
tạp hơn một chút.
Chứng minh của một kết quả khác, rằng
các số thực không thể được đưa vào một sự
tương ứng như vậy đã đòi hỏi một lập luận
mới và thông minh: phương pháp đường
chéo Cantor. Lập luận này đã được áp dụng
thành công cho nhiều kết quả khác.
Định lý. Tập hợp các số thực không thể
được đưa vào một tương ứng một – một với
các số tự nhiên.
Chứng minh thứ nhất (năm 1891). Thu
gọn tập con các số thực trong khoảng (0 ; 1).
Giả sử chúng không thể đếm được như tập
{𝑎𝑛}𝑛=1
∞ , chúng ta viết khai triển thập phân
của chúng như sau:
a1 = 0, d1,1d1,2d1,3
a2 = 0, d2,1d2,2d2,3
a3 = 0, d3,1d3,2d3,3
Trong đó d là các chữ số từ 0 đến 9. Ta
định nghĩa số: a = 0.d1d2d3 bằng cách
chọn d1d1,1, d2d2,2, d3d3,3, Điều này
cho một số không nằm trong tập hợp
{𝑎𝑛}𝑛=1
∞ , và kết quả đã được chứng minh.
Chứng minh thứ hai (năm 1874). Ta
chứng tỏ rằng với một dãy số bất kỳ 𝑣1, 𝑣2,
các số thực thì có một số không nằm trong
dãy trong khoảng tùy ý các số thực (a ; b).
Trước hết, đặt a1 và b1 là các số hạng đầu
tiên của dãy trong (a ; b) với a1 < b1. Gọi a2
và b2 là các số hạng đầu tiên của dãy nằm
trong (a1 ; b1) với a2 < b2, và tiếp tục như thế.
Do đó a1, a2, là một dãy tăng, và b1, b2,
là một dãy giảm. Có ba trường hợp. Nếu
dãy là hữu hạn, thì bất kỳ số nào nằm bên
trong khoảng được chọn sau cùng thỏa các
yêu cầu. Giả sử rằng các dãy là vô hạn và
chúng hội tụ lần lượt về các giới hạn, a và
b. Nếu chúng bằng nhau, thì giá trị này thỏa
yêu cầu. Nếu không, bất kỳ giá trị trong
khoảng mở (a ; b) cũng thỏa yêu cầu.
Tìm kiếm các tập không thể đếm được,
Cantor đã xem xét các khái niệm tô pô cho
các tập hợp dẫn xuất của mình. Ta nói một
tập S(a ; b) là trù mật nếu S(a ; b). Ta
nói S đóng nếu SS=S. Ta nói S cách ly
nếu S=; S là đầy đủ nếu S=S. Đáng lưu ý
là Cantor đã chứng tỏ rằng các tập đầy đủ
phải là không thể đếm được. Một trong
những tập đầy đủ nổi tiếng nhất được gọi là
tập các phần ba trung tâm được định nghĩa
là phần dư của khoảng mở (0 ; 1) bằng cách
loại bỏ phần ba ở giữa, tức là bỏ (1/3 ; 2/3).
Tiếp theo loại bỏ các phần ba ở giữa của hai
khoảng con còn lại và các phần ba của bốn
khoảng con còn lại sau đó, và tiếp tục như
thế. Tập này là một trong các ví dụ đầu tiên
của tập Lebesgue đo được không đếm được
có độ đo không.
Lúc đó, ông đề cập đến hai kiểu vô hạn,
vô hạn có thể đếm được và không thể đếm
được. Không thể xác định được một vô hạn
ở giữa, ông đưa ra một chứng minh rằng mọi
SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 65 (5/2019)
52
tập hợp điểm trên đường thẳng có thể được
đặt tương ứng một-một với các số tự nhiên
hoặc số thực. Chứng minh của ông là không
chính xác, nhưng sự tìm kiếm của ông được
biết đến ngày nay và được gọi là giả thuyết
liên tục. Năm 1938, Kurt Godel đã chứng
minh rằng giả thuyết liên tục không thể bị
bác bỏ trên cơ sở các nguyên tắc lý thuyết tập
hợp mà chúng ta chấp nhận ngày nay. Hơn
nữa, vào năm 1963, Paul Cohen đã xác định
rằng nó không thể được chứng minh trong
các nguyên tắc này. Điều này có nghĩa là sự
liên tục không thể giải quyết được.
Năm 1879, Cantor đề cập đến các lực
lượng của vô hạn, xác định hai tập hợp sẽ có
cùng lực lượng nếu chúng có thể được đặt
vào tương ứng một-một. Sử dụng phương
pháp đường chéo của mình, ông có thể
chứng minh các bậc hoặc lực lượng vô hạn
của mỗi bậc.
Năm 1895, Cantor định nghĩa lũy thừa
số đếm. Sử dụng thuật ngữ 0 để ký hiệu
bản số của các số tự nhiên, ông định nghĩa
20cho bản số của các số thực. Với 1 (và
tổng quát hơn ký hiệu bản số thứ ) là
bản số lớn hơn 0, giả thuyết liên tục được
viết là 20 = 1.
3.6. Lý thuyết tập hợp
Theo Cantor, một tập hợp M là “một sự
tập hợp thành toàn bộ, theo định nghĩa, các
đối tượng phân biệt (gọi là các phần tử) của
M theo nhận thức và suy nghĩ của chúng ta”.
Chẳng hạn, các số {1, 2, , 10} tạo thành
một tập hợp. Tập hợp các số nguyên tố giữa
1 và 100. Bậc của các phần của một tập hợp
là không quan trọng. Do đó, các tập hợp {1,
2, 3} và {3, 2, 1} là như nhau. Do đó, hai
tập M và N là như nhau nếu chúng có cùng
số các phần tử.
Quan điểm này được nhấn mạnh bởi
Gottlob Frege (1848 - 1926), trong quá trình
phát triển lý thuyết tập hợp, người đã chấp
nhận rằng các tập vô hạn không thể đếm
được. Ông tìm kiếm một lý thuyết độc lập
với việc đếm. Vì vậy, ông đã lấy các tương
ứng một-một làm nền tảng, không theo thứ
tự tốt. Nội tại của điều này là khái niệm về
bản số.
Định nghĩa. Một tập hợp M gọi là tương
đương với tập hợp N, ký hiệu là MN, nếu
có thể lấy các phần tử của N tương ứng với
các phần tử của M trong một cách thứ một –
một.
Định nghĩa. Bằng một số đếm của một
lực lượng, chúng ta nói đến một đại diện tùy
ý M của một lớp các tập hợp tương đương
với nhau. Số đếm của một lực lượng của một
tập hợp sẽ được ký hiệu bởi |𝑀|. Tại điểm
này, chúng ta có các số đếm sau:
0, 1, 2, , 0, 1, 2,
Ba số đếm sau cùng được gọi là các số
đếm siêu hạng. Chúng ta cũng biết làm thế
nào xây dựng nhiều số đếm hơn bằng cách
lấy tập hợp các tập con của bất kỳ đại diện
của một số đếm.
Định nghĩa. Một tập hợp M được gọi có
một số đếm nhỏ hơn một tập hợp N, ký hiệu
là |𝑀| < |𝑁|, nếu và chỉ nếu M tương đương
với một tập con của N, nhưng N không
tương đương với một tập con của M.
Trong số các số đếm siêu hạn, 0 là nhỏ
nhất. Giả thuyết liên tục khẳng định rằng
20 = 1. Bản số của tất cả các hàm trên
bất kỳ khoảng nào (hoặc tập hợp không đếm
được) là 1.
3.7. Tiên đề chọn
Năm 1904, Zermelo lần đầu tiên đưa ra
tiên đề chọn trong tạp chí Toán học, mặc dù
nó đã được sử dụng trong gần hai mươi năm.
Thật kỳ lạ, mặc dù đã được sử dụng nhiều
lần trước đây, nhưng nó đã không được
chính thức tuyên bố như vậy. Nó chỉ là một
NGUYỄN ÁI QUỐC TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN
53
phần của chứng minh về các kết quả khác
nhau đã sử dụng nó.
Ví dụ, Cantor đã sử dụng nó vào năm
1887 để hiển thị bất kỳ tập hợp vô hạn nào
có một tập con có bản số 0. Nó cũng được
sử dụng trong tôpô học, đại số và giải tích.
Năm 1890, Giuseppe Peano (1858 - 1932)
lập luận rằng người ta không thể áp dụng
một luật chọn một thành viên của một lớp từ
mỗi lớp trong số nhiều lớp với một số vô hạn
lần. Sau sự xuất hiện của bài báo Zermelo,
một vấn đề tiếp theo chứa đựng những lời
gièm pha không kém gì Emile Borel (1871
- 1956) và Felix Bernstein (1878 - 1956)
trong Tạp chí Toán học. Những lời gièm pha
cũng được gửi đến Bulletin de la Société
Mathématique de France (Bảng tin của Hội
Toán học Pháp) mặc dù ra năm 1905 bởi
Henri Lebesgue (1875 - 1941) và Rene
Baire (1874 - 1932).
Hạt nhân của lập luận của họ là: nếu
một luật xác định không chỉ rõ phần tử nào
được chọn từ mỗi tập hợp, thì không có lựa
chọn thực sự nào được thực hiện và tập hợp
mới không thực sự được hình thành. Cụ thể,
E. Borel gọi iên đề chọn là một lựa chọn vô
luật mà khi được sử dụng là một hành động
của đức tin, và điều đó không được toán học
chấp nhận.
3.8. Đặc trưng tri thức luận của khái
niệm vô cực
Từ những phân tích ở trên về lịch sử
hình thành khái niệm vô cực dựa trên các tài
liệu tham khảo [5], [6], và [7], chúng tôi rút
ra các đặc trưng tri thức luận của khái niệm
vô cực như sau:
- Đặc trưng trừu tượng: vô cực là khái
niệm dùng để mô tả sự vô hạn, vô tận của
một đối tượng toán học.
- Đặc trưng triết học: vô cực được hình
thành từ những tư tưởng mang tính triết học
của Hy Lạp cổ đại.
- Đặc trưng tiềm năng/thực tế: vô cực
tiềm năng của Aristotle đã thống trị nền toán
học từ thời cổ đại đến Cantor và vô cực thực
tế của Cantor.
- Đặc trưng đếm được/không đếm được:
gắn liền với các tập số vô hạn.
- Đặc trưng không xác định được: vô
cực chỉ một đại lượng vô cùng lớn.
- Đặc trưng ký hiệu học: ký hiệu biểu
diễn cho vô cực không phải là một số cụ thể.
3.9. Chướng ngại tri thức luận
Từ kết quả phân tích lịch sử hình thành
khái niệm vô cực, chúng tôi xác định được
chướng ngại tri thức luận của vô cực là:
Chướng ngại trừu tượng hóa: chướng
ngại này sinh ra các khó khăn mà học sinh
phải đương đầu khi chuyển từ nghiên cứu
trên các tập hợp số cụ thể sang nghiên cứu
trên vô cực được ký hiệu bởi .
Chướng ngại gắn liền ký hiệu học:
chướng ngại này sinh ra các khó khăn cho
học sinh khi phải thao tác trên ký hiệu .
Chướng ngại gắn liền bản chất tiềm
năng/thực tế: vô cực thực tế gây nhiều khó
khăn cho các nhà toán học trong quá khứ, do
đó cũng có thể chính là chướng ngại sinh ra
các khó khăn mà sinh viên đại học ngày nay
phải đương đầu khi tiếp cận khái niệm vô cực.
3.10. Giả thuyết nghiên cứu
Với hai khó khăn xác định được trong
thực nghiệm khảo sát trên học sinh trình bày
trong mục 1.2:
- Tồn tại quan niệm “vô cực là một số
rất lớn”, nên có thể áp dụng các quy tắc biến
đổi như với các số thực;
- Xem ký hiệu biểu đạt cho cùng một
đại lượng, do đó có thể triệt tiêu nhau trong
bài toán trừ hay được đơn giản như một
nhân tử khác không trong bài toán nhân hay
chia, và từ kết quả phân tích tri thức luận ở
SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 65 (5/2019)
54
mục 3.1 đến 3.8, chúng tôi xây dựng giả
thuyết H về các khó khăn của học sinh khi
tiếp cận khái niệm vô cực như sau:
H1. “Tồn tại hai khó khăn trên ở hầu
hết học sinh khi tiếp cận khái niệm vô cực
và các khó khăn này có nguồn gốc từ
chướng ngại tri thức luận: chướng ngại
trừu tượng hóa, chướng ngại gắn liền ký
hiệu học”.
4. Kết luận
Khái niệm vô cực ra đời nhằm giải
quyết bài toán giải tích liên quan đến tập dẫn
xuất của một tập có vô số phần tử trong
nghiên cứu của Cantor.
Khái niệm vô cực nảy sinh từ các ý
tưởng triết học Hy Lạp cổ đại về nhận thức
thế giới xung quanh, nhưng phải trải qua
một thời gian dài để được định nghĩa chính
thức bởi Wallis vào năm 1655. Vô cực tiềm
năng đã thống trị tư tưởng các nhà toán học
theo quan niệm của Aristotle trong suốt
nhiều thế kỷ mặc dù vô cực thực tế đã được
nhận thấy ở một số nhà khoa học. Cantor là
người đã khai sinh chính thức vô cực thực tế
qua nghiên cứu lý thuyết tập hợp.
Hiểu được quá trình hình thành của
khái niệm vô cực trong toán học sẽ giúp giáo
viên hiểu được các chướng ngại và khó khăn
mà học sinh phải đương đầu khi tiếp cận tri
thức này.
Để kiểm chứng giả thuyết nghiên cứu H
trong mục 3.10, trong nghiên cứu tiếp theo,
chúng tôi sẽ tiến hành một thực nghiệm để
làm rõ hai khó khăn của học sinh khi tiếp
cận khái niệm vô cực và phân tích các
nguyên nhân dẫn đến các khó khăn này. Các
kết quả nghiên cứu sẽ được trình bày chi tiết
trong một bài viết khác.
Chú thích:
1 Pythagoras của xứ Samos là một triết gia Hy Lạp sống từ khoảng năm 570 đến năm 490 TCN. Ông
đã có những phát triển quan trọng trong toán học, thiên văn học và lý thuyết âm nhạc. Pythagoras
dành phần lớn cuộc đời của mình để nghiên cứu toán và thành lập một trường học đặc biệt nơi các
thành viên tuân theo các quy tắc nghiêm ngặt, chẳng hạn như không bao giờ ăn thịt. Pythagoras tin
rằng mọi thứ trên thế giới có thể được giải thích bằng các con số và trường học của ông đã làm việc
chăm chỉ để cố gắng học đủ về các con số để có thể hiểu được vũ trụ.
2 “Phương pháp vét cạn” trong toán học là kỹ thuật được phát minh bởi người Hy Lạp Cổ đại để
chứng minh các mệnh đề liên quan đến diện tích và thể tích của các hình hình học. Mặc dù nó là tiền
thân của phép tính tích phân, nhưng phương pháp vét cạn không sử dụng giới hạn cũng như luận
chứng về các đại lượng vô cùng bé. Thay vào đó, đây là một quy trình logic chặt chẽ, dựa trên tiên
đề rằng một đại lượng cho trước có thể được tạo ra nhỏ hơn một đại lượng cho trước khác bằng cách
giảm nó đi một nửa liên tiếp số lần hữu hạn. Từ tiên đề này có thể chứng minh rằng diện tích của
một hình tròn tỷ lệ với bình phương bán kính của nó. Thuật ngữ vét cạn được đưa ra ở châu Âu sau
thời Phục hưng và được áp dụng cho các quy trình nghiêm ngặt của Hy Lạp cũng như các chứng
minh đương thời của các công thức diện tích bằng cách vét cạn diện tích các hình với các xấp xỉ đa
giác liên tiếp [6, tr. 201].
3 Vị trí Giáo sư Hình học Savilian được thành lập tại Đại học Oxford vào năm 1619. Nó được thành
lập (cùng lúc với Giáo sư Thiên văn học Savilian) bởi Sir Henry Savile, một nhà toán học và học giả
cổ điển, là Warden của Merton College, Oxford và Provost của Eton College, phản ứng với những
gì đã được một nhà toán học thế kỷ 20 mô tả là "tình trạng tồi tệ của nghiên cứu toán học ở Anh" vào
thời điểm đó. [6, tr. 525]
NGUYỄN ÁI QUỐC TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN
55
4 Trong Hình học, phương pháp không thể chia tách được, hay còn gọi là nguyên lý Cavalier, là một
phương pháp tính diện tích và thể tích. Nguyên lý Cavalier được phát biểu như sau: “Một bề mặt là
một sự đặt kề nhau các đường thẳng song song. Đối với Cavalier, các đường thẳng song song là các
đoạn thẳng song song hay các cung của các đường tròn đồng tâm. Mỗi đường được gọi là một không
chia tách được của bề mặt để thực hiện phép cầu phương. Nếu hai bề mặt bao gồm các đường có
cùng độ dài, thì chúng có cùng diện tích. Một nguyên tắc tương tự tồn tại cho thể tích và phát biểu
rằng các thể tích của hai đối tượng bằng nhau nếu các mặt cắt ngang tương ứng trong mọi trường
hợp là bằng nhau. Hai mặt cắt ngang tương ứng nếu chúng là phần giao của vật thể với các mặt phẳng
cách đều một mặt phẳng cơ sở cho trước” [4, tr. 118-124].
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] G. Brousseau, Les obstacles épistémologiques et les problèmes en mathématiques,
Recherches en didactique des mathématiques, 4(2), 165-198, 1983.
[2] J. W. Dauben, Georg Cantor and the Origins of Transfinite Set Theory, Scientific
American, 248 (6), 122-154, 1983.
[3] J. W. Dauben, Georg Cantor: His Mathematics and Philosophy of the Infinite,
Princeton, NewYork, Princeton University Press, 1990.
[4] H. Eves, Two Surprising Theorems on Cavalieri Congruence, The College Mathematics
Journal, 22 (2), 118-124, 1991.
[5] V. J. Katz, A History of Mathematices – An Introduction, 3rd Edition, Pearson
Education, Inc., 2009.
[6] M. Kline, Mathematical Thought from Ancient to Modern Times, Oxford University
Press, NewYork, 1972.
[7] Whinston, A Finite History of Infinity, Portland State University, 2009.
Ngày nhận bài: 10/4/2019 Biên tập xong: 15/5/2019 Duyệt đăng: 20/5/2019
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- 20_2432_2214925.pdf