常见的数学公理体系有哪几个？

数 学 公 理体系

十九世纪末到二十世纪初，数学已发展成为一门庞大的学科，经典的数学部门已经建立起完整的体系：数论、代数学、几何学、数学分析。数学家开始探访一些基础的问题，例如什么是数？什么是曲线？什么是积分？什么是函数？……另外，怎样处理这些概念和体系也是问题。

经典的方法一共有两类。一类是老的公理化的方法，不过非欧几何学的发展，各种几何学的发展暴露出它的许多毛病；另一类是构造方法或生成方法，这个办法往往有局限性，许多问题的解决不能靠构造。尤其是涉及无穷的许多问题往往靠逻辑、靠反证法、甚至靠直观。但是，哪些靠得住，哪些靠不住，不加分析也是无法断定的。

对于基础概念的分析研究产生了一系列新领域—抽象代数学、拓扑学、泛函分析、测度论、积分论。而在方法上的完善，则是新公理化方法的建立，这是希尔伯特在1899年首先在《几何学基础》中做出的。

初等几何学的公理化

十九世纪八十年代，非欧几何学得到了普遍承认之后，开始了对于几何学基础的探讨。当时已经非常清楚，欧几里得体系的毛病很多：首先，欧几里得几何学原始定义中的点、线、面等不是定义；其次，欧几里得几何学运用许多直观的概念，如“介于……之间”等没有严格的定义；另外，对于公理系统的独立性、无矛盾性、完备性没有证明。

在十九世纪八十年代，德国数学家巴士提出一套公理系统，提出次序公理等重要概念，不过他的体系中有的公理不必要，有些必要的公理又没有，因此他公理系统不够完美。而且他也没有系统的公理化思想，他的目的是在其他方面——想通过理想元素的引进，把度量几何包括在射影几何之中。

十九世纪八十年代末期起，皮亚诺和他的学生们也进行了一系列的研究。皮亚诺的公理系统有局限性；他的学生皮埃利的“作为演绎系统的几何学”（1899），由于基本概念太少（只有“点”和“运动”）而把必要的定义和公理弄得极为复杂，以致整个系统的逻辑关系极为混乱。

希尔伯特的《几何学基础》的出版，标志着数学公理化新时期的到来。希尔伯特的公理系统是其后一切公理化的楷模。希尔伯特的公理化思想极深刻地影响其后数学基础的发展，他这部著作重版多次，已经成为一本广为流传的经典文献了。

希尔伯特的公理系统与欧几里得及其后任何公理系统的不同之处，在于他没有原始的定义，定义通过公理反映出来。这种思想他在1891年就有所透露。他说：“我们可以用桌子、椅子、啤酒杯来代替点、线、面”。当然，他的意思不是说几何学研究桌、椅、啤酒怀，而是在几何学中，点、线、面的直观意义要抛掉，应该研究的只是它们之间的关系，关系由公理来体现。几何学是对空间进行逻辑分析，而不诉诸直观。

希尔伯特的公理系统包括二十条公理，他把它们分为五组：第一组八个公理，为关联公理（从属公理）；第二组四个公理，为次序公理；第三组五个公理；第四组是平行公理；第五组二个，为连续公理。

希尔伯特在建立公理系统之后，首要任务是证明公理系统的无矛盾性。这个要求很自然，否则如果从这个公理系统中推出相互矛盾的结果来，那么这个公理系统就会毫无价值。希尔伯特在《几何学基础》第二章中证明了他的公理系统的无矛盾性。这次，他不能象非欧几何那样提出欧氏模型，他提出的是算术模型。

实际上，由解析几何可以把点解释为三数组（可以理解为坐标（x、y、z）），直线表示为方程，这样的模型不难证明是满足所有20个公理的。因此，公理的推论若出现矛盾，则必定在实数域的算术中表现出来。这就把几何学公理的无矛盾性变成实数算术的无矛盾性。

其次，希尔伯特考虑了公理系统的独立性，也就是说公理没有多余的。一个公理如果由其他公理不能推出它来，它对其他公理是独立的。假如把它从公理系统中删除，那么有些结论就要受到影响。希尔伯特证明独立性的方法是建造模型，使其中除了要证明的公理（比如说平行公理）之外其余的公理均成立，而且该公理的否定也成立。

由于这些公理的独立性和无矛盾性，因此可以增减公理或使其中公理变为否定，并由此得出新的几何学。比如平行公理换成其否定就得到非欧几何学；阿基米德公理（大意是一个短线段经过有限次重复之后，总可以超出任意长的线段）换成非阿基米德的公理就得到非阿基米德几何学。希尔伯特在书中详尽地讨论了非阿基米德几何学的种种性质。

希尔伯特对初等几何公理的无矛盾性是相对于实数的无矛盾性，因此自然要进一步考虑实数系的公理化及其无矛盾性，于是首当其冲的问题是算术的公理化。

算术的公理化

　数学，顾名思义是一门研究数的科学。自然数和它的计算——算术是数学最明显的出发点。历史上不少人认为，所有经典数学都可以从自然数推导出来。可是，一直到十九世纪末，却很少有人解释过什么是数？什么是0？什么是1？这些概念被认为是最基本的概念，它们是不是还能进一步分析，这是一些数学家关心的问题。因为一旦算术有一个基础，其他数学部门也就可以安安稳稳建立在算术的基础上。

什么东西可以做为算术的基础呢？在历史上有三种办法：康托尔的基数序数理论，他把自然数建立在集合论的基础上，并把自然数向无穷推广；弗雷格和罗素把数完全通过逻辑词汇来定义，把算术建立在纯逻辑的基础上；用公理化的方法通过数本身的性质来定义，其中最有名的是皮亚诺公理。

在皮亚诺之前，有戴德金的公理化定义。他的方法是准备向有理数、实数方面推广，为数学分析奠定基础。他们也都注意到逻辑是基础，但都有非逻辑公理。

1888年，戴德金发表《什么是数，什么是数的目的？》一文，阐述他的数学观点。他把算术（代数、分析）看成逻辑的一部分，数的概念完全不依赖人对空间、时间的表象或直觉。他说“数是人类心灵的自由创造，它们做为一个工具，能使得许许多多事物能更容易、更精确地板掌握”。而创造的方法正是通过逻辑。他的定义是纯逻辑概念——类（System），类的并与交，类之间的映射，相似映射（不同元素映到不同元素）等等。通过公理定义，戴德金证明数学归纳法。但是他没有能够直接从纯逻辑名词来定义数。

1889年，皮亚诺发表他的《算术原理：新的论述方法》，其中明显地做了两件事：第一，把算术明显地建立在几条公理之上；第二，公理都用新的符号来表达。后来皮亚诺刻划数列也同弗雷格一样是从0开始，但是他对数的概念也同戴德金一样，是考虑序数。

皮亚诺的兴趣主要在于清楚地表述了数学结果，他编制的数理逻辑符号（1894年发表于《数学论集》）也主要是如此，而不是为了哲学分析。1900年罗素从皮亚诺学习这套符号之后，才对逻辑、哲学同时也对数学产生了巨大冲击。

从1894年到1908年，皮亚诺接连五次出版了《数学论集》的续集，每一次都把他提出的五个公理（只是用0代1）作为算术的基础。但是皮亚诺除了逻辑符号之外，还有其他三个基本符号，即：数、零、后继。因此，他还不象弗雷格及罗素那样把数完全建立在逻辑基础上。

他的公理系统也是有毛病的，特别是第五公理涉及所有性质，因此须要对性质或集合有所证明。有人把它改为可数条公理的序列，这样一来，由公理系所定义的就不单纯是自然数了。斯科兰姆在1934年证明，存在皮亚诺公理系统购非标准模型，这样就破坏了公理系统的范畴性。

其他数学对象的公理化

在十九世纪末到二十世纪初的公理化浪潮中，一系列数学对象进行了公理化，这些公理化一般在数学中进行。例如由于解代数方程而引进的域及群的概念，在当时都是十分具体的，如置换群。只有到十九世纪后半叶，才逐步有了抽象群的概念并用公理刻划它。群的公理由四条组成，即封闭性公理、两个元素相加（或相乘）仍对应唯一的元素、运算满足结合律、有零元素及逆元素存在。

群在数学中是无处不在的，但是抽象群的研究一直到十九世纪末才开始。当然，它与数理逻辑有密切的关系。有理数集体、实数集体、复数集体构成抽象域的具体模型，域的公理很多。另外，环、偏序集合、全序集合、格、布尔代数，都已经公理化。

另一大类结构是拓扑结构，拓扑空间在1914年到1922年也得到公理化，泛函分析中的希尔伯特空间，巴拿赫空间也在二十年代完成公理化，成为二十世纪抽象数学研究的出发点。在模型论中，这些数学结构成为逻辑语句构成理论的模型

数学家希尔伯特在什么书中提出了从公理化走向机械化的思想

从尽可能少的不定义的原始概念(基本概念)和一组不加证明的命题(公理)出发，经过精确定义和逻辑推理而得到其他的全部概念和定理的系统的方法。

公理化方法最早是由希腊数学家欧几里得系统运用的。在其所著的《几何原本》里首先定义了基本概念，包括点、线、面、角、圆、三角形等，然后提出了5个公设和5个公理，之后由这些公设和公理通过演绎推理得到命题。演绎推理中每个证明必须以公理，或者被证明了的定理为前提。

纵观中国史书，并没有任何一本可以与欧几里得几何可以相媲美的知识体系和思维的严密性，四书五经只能算是伦理学的规范，合理性也没有得到任何的证明，却充当了限制人灵魂的清规戒律。

公设 （postulate）在几何里是不需要证明的基本原理。它是构建几何大厦的地基，是在长期的实践过程中被人所认可的正确的基本事实，就像组成物质的基本单位一样，不能再往前追溯。

几何公设

公理 是指依据人类理性的不证自明的基本事实，经过人类长期反复实践的考验，不需要再加证明的基本命题。

几何公理

从上面的例子我们可以看出，命题是由公理、定理和概念推出来的。推理过程是从已知公理、定理或概念出发，进行一步一步的操作，最终达到目标，而每一步的操作都是有根据的。如何操作就是每个人的选择了，正确的操作就会达到目标，而错误的操作当然只会得出错误的结论。有些人能做到，有些人做不到，并不是所有人都可以取得这样的成就。在经历无数天才人物的修改之后，真理慢慢的呈现出了它的本来面目。

公理化思想是所有科学的鼻祖。公理化思想的运用使得人们得出的结论有理有据，确定正确无疑。他就像一颗种子一样，两千多年前埋在土里，现在已经长成苍天大树。《几何原本》是公理化思想传播的主要途径，他的发行量仅次于圣经。这种思想后来成为任何知识体系的典范，两千多年来被奉为必须遵守的严密思维典范。

之后的阿基米德，伽利略、牛顿、高斯无论是数学、物理学还是社会学、经济学，任何的知识体系无不严格的准守公理化的演绎思维。欧几里得运用公理化思想对平面几何的公理化改造有没有问题呢？当然有，直到二十世纪初，希尔伯特才运用公理化思维改良了《几何原本》，并引进了更抽象的公理化系统。

《几何原本》在明朝就由利玛窦传入中国，同时也传播了公理化思想。即使徐光启在在评论《几何原本》时说过：“此书为益能令学理者祛其浮气，练其精心；学事者资其定法，发其巧思，故举世无一人不当学。”但并未引起后人的足够重视。直到鸦片战争打开了我国大门，公理化思想才不断的在“师夷长技以制夷”的救亡图存中传播开来。

我们从初中开始学习的《几何》其本质上是在让我们学会这一套公理化思想。升学考试和对分数的追求使得我们在追求真理的道路上越走越远。亚里斯多的曾经说过“我爱我师，我更爱真理”，真理更重要。而升学和分数变成了目的，追求真理却变成了手段，这样就本末倒置。很多人会抱怨，分数不高，罪魁祸首是数学。对真理的追求变成了一种恨而不是爱。

数学家希尔伯特在《几何基础》中提出了从公理化走向机械化的数学构想。

知识科普：

戴维·希尔伯特，又译大卫·希尔伯特，（David Hilbert，1862年1月23日～1943年2月14日），德国著名数学家，是20世纪最伟大的数学家之一，被后人称为“数学世界的亚历山大”。 他对数学的贡献是巨大的和多方面的，研究领域涉及代数不变式，代数数域，几何基础，变分法，积分方程，无穷维空间，物理学和数学基础等。他在1899年出版的《几何基础》成为近代公理化方法的代表作，且由此推动形成了“数学公理化学派”，可以说希尔伯特是近代形式公理学派的创始人。?

1900年8月8日，在巴黎第二届国际数学家大会上，希尔伯特提出了新世纪数学家应当努力解决的23个数学问题，被认为是20世纪数学的至高点。对这些问题的研究有力推动了20世纪数学的发展，在世界上产生了深远的影响。希尔伯特领导的数学学派是19世纪末20世纪初数学界的一面旗帜，希尔伯特被称为“数学界的无冕之王”，他是天才中的天才。