圖說一體、不證自明

台師大數學系 洪萬生教授

本刊曾多次刊出「看圖說話」,贏得不少的注意與好評。今年十月二十三日,我應邀到台北市西松高中演講(由西松高中教師會舉辦)時,順便介紹了幾張「看圖說話」,沒想到與會的台北市、縣數學教師,竟然立即發現了它們的「力」與「美」,真是令人高興。最近黃哲男老師在北市建中教學實習,曾利用圖形來講解平方項的求和公式(參見圖一),學生的反應是:『從小到大第一次感受到數學的美與神奇。』

        那些圖形大部分都從「美國數學協會」 (The Mathematical Association of America,簡稱MAA) 所出版的 Mathematics Magazine 所摘錄出來的。MAAAMSNCTM並列為美國三大數學社團,它們關心數學教育的方式,則側重面大有不同。譬如說吧,AMS即「美國數學學會」 (American Mathematical Society) 的簡稱,它的組成份子都是專業數學家,因此,學會出版品中的 American Mathematical Monthly Notices of the American Mathematical Society,雖然不乏教育方面的論述,但是,前者偏向大學層次的解題活動,後者則提供論壇,讓數學家抒發他們對數學教育的熱情關懷與高韜理想。另一方面,NCTM則處在另一個極端,它是「全國數學教師協會」(National Council of Teachers of Mathematics) 的簡稱,出版品中有針對中小學數學教師為訴求對象的 The Mathematics Teacher The Arithmetic Teacher,內容主要涉及具體的教學策略與方法,可見NCTM是數學教育專家 (mathematics educator) 與中小學數學教師的自主團體。

        至於MAA則在體制上比較符合中庸之道。譬如,它的組成份子就容納了專業數學家、大學與中、小學數學教師等各個層面,尤其難得的是,像George Polya 這樣的偉大數學家,就曾經是MAA的忠誠會員。再者,MAA的刊物 Mathematics Magazine 雖然內容稍偏大學數學層次,但是,教育與人文關懷相當濃厚,所以,它比起 American Mathematical Monthly 來,顯得「世俗」(secular) 一些,然而,就觸及數學知識活動來說,它相較於 The Mathematics Teacher The Arithmetic Teacher,則無疑「深刻」(deep) 多了。

        正因為如此,所以,Mathematics Magazine 1975年提出此一「看圖說話」專欄構想,原先只是用以「補白」(use as end-of-article fillers),沒想到後來主編 J. Arthur Seebach Lynn Arthur Steen 竟然進一步強調:利用一個令人歡喜的圖示,來提出一個重要的數學觀點,這比起原先目的,恐怕再也不能更好的吧?顯然由於此一專欄的大受歡迎,因此,MAA 的另一份刊物 The College Mathematics Journal 在八十年代的稿約中,就不斷地聲明:本刊除了歡迎側重解釋性的論文之外,「也邀請其他類型的撰稿,尤其是不用文字的證明 (Proofs without words) (Proofs without words),數學詩篇,遺聞軼事引述,......

        不過,誠如 Proofs Without Words: Exercises in Visual Thinking (MAA出版,1993) 的編者 Roger B. Nelsen 所指出,這種「看圖說話」卻早已不乏先例。事實上,Martin Gardner 就曾在1973年十月號的【科學的美國人】(Scientific American) 討論這種「不用文字的證明」。他將這種圖形視為「一瞥就懂」的圖形 ("look-see" diagrams),這是因為在很多時候一個蠢笨的證明,若能輔以一個幾何的類比圖形 (geometric analogue),則後者的簡潔與美妙,讓讀者幾乎可以一瞥即對定理的真實性瞭然於胸 (the truth of a theorem is almost seen at a glance)

        此外,Nelsen 還特別指出:在數學史上,這種圖形也常常出現。誠然,中國趙爽、劉徽(三世紀)與印度巴斯卡拉(十一世紀)對畢氏定理所提供的「弦圖證明」(圖二),就是十分著名的例子。可見,它們也曾經在數學史上扮演相當有意義的角色。針對此一例子,古典希臘的歐幾里得所提供的證法之附圖(圖三),大概就少了一目瞭然的特性。究其原因,圖形只被他們認為具有輔助思考的功能而已。對歐幾里得影響深遠的柏拉圖,在他的【理想國】(The Republic) 中甚至強調吾人在心靈 (mind) 思考數學客體(即形式 (forms) 或理念 (ideas))時,千萬不可被圖形所迷惑或左右。在這種情況下,圖形作為認識或核證數學知識的一種憑藉,希臘數學家對它的『正當性』一定相當保留,於是,他們對文字論述的方式,當然更加全力以赴了。

        在數學史上,數學家言說或論述方式總是受限於符號的使用 -- 當然,這也常常關聯到他(她)們對於某些關鍵概念的透明清晰度之掌握,因此,利用圖形的「自我解說」(self-explanation) 能力,往往是他(她)們呈現數學知識的一個重要策略。譬如說吧,十四世紀巴黎學派的 Oresme 就使用了下列圖四,發現 / 證明了下列級數和:

至於他所根據的理由則是:『一個有限面積的平面區域,可以照我們所喜歡的程度去拉長或變高它的延展性,而不改變它的尺寸大小。』可見,無窮級數如何求和對他來說,數學符號與術語大概都不足以『講明白,說清楚』,因此,想辦法去建構一個圖示,或許是最具說服力了。

        所以,偶而在課堂上利用這種圖形,應該可以帶來意想不到的學習結果,至少我們可以利用這種難得的機會,拉近學生與古代數學文本的距離。尤其,當代數符號演算對初學者極為抽象時,幾何圖示 (geometric demonstration / illustration) 往往可以發揮相當大的澄清或說服功能,譬如【幾何原本】中的平方和公式之圖示(圖五),以及阿爾花拉子摩 (Al-Khwarizmi) 利用配方法 (completing the square) 來圖示二次方程 (圖六),都是非常值得參考借鏡的文本,值得我們珍視與利用。

附註:阿爾花拉子摩的原題敘述成『平方加上10根等於39,問平方是多少?』,至於解法則寫成:『取根的係數10的一半,即5,自乘得25,加上39等於64,其平方根是8,在減去根的係數10之半,餘3。這就是根,它的平方根是9。』

 

 

參考文獻

李文林主編 (1998) 【數學珍寶】,北京科學出版社。

洪萬生 (1999) 【孔子與數學】,台北明文書局。

Neil, Hugh (1994): The History of Mathematics. Essex: Longman Group Limited.

Stillwell, John (1989): Mathematics and Its History. Springer-Verlag.