1994年4月9日,美国波音飞机制造公司的最新产品波音777双引擎中型喷气式客机在波音公司宽体客机总装厂首次露面。这种投资40亿美元的世界最大双发动机客机从设计到制造尽量采用新技术、新材料,不用一张图纸,不做一个模型,在世界航空工业史上首次百分之百地采用计算机数字设计和模拟组装。这种被称为“百分之百数学化设计的飞机”,由于在设计和试验过程中全面采用了数学技术,高性能新机种的研究周期从十年缩短到三年多。由于全面使用虚拟制造技术,波音公司在没有样机的情况下就敢于接受来自新加坡的波音777的第一批订单。
科学技术的飞速发展及其在社会发展中的重要地位,对公民的科学素养提出了更高的要求,而科学、技术与数学的关系,使得数学素养成为公民基本素养不可或缺的重要部分。这一认识,必将对基础教育中的数学课程体系和内容产生重大影响。
二、数学与当代入文社会科学
1971年2月,美国哈佛大学的卡尔·多伊奇和他的两个同事在美国《科学》杂志上发表了一项研究报告,其中列举了1900~1965年间在世界范围内社会科学方面的62项重大成就,按照他们的选择标准,包括:心理学13项,经济学12项,政治学11项,数学11项,社会学7项,哲学、逻辑和科学史5项,人类学3项。其中,政治学的11项中包括了列宁的“一党领导下的革命理论”“一党制的苏维埃国家”,毛泽东的“农民、游击队和政府”这样三项;经济学中包括了苏联克拉申等人的“中央计划经济”;心理学中包括巴甫洛夫的“条件反射”。这表明上述所列社会科学的重大成就确实具有普遍的代表性。在这62项成就中,数学化的定量研究占2/3,在1930年以后作出的重大成就中,定量研究占5/6。这表明了当代社会科学向数学化、定量化方向发展的趋势。
以下是利用简单数学方法解决社会科学难题的一个典型案例。问卷调查是社会科学中最常用的方法之一,有时候研究人员需要借助这种方法精确地测定持有一种特定信念或经常介入某种具体行为的人所占的百分比。这种调查要求从随机挑选的一个人群中得到对他们所提问题的诚实回答。但是由于被调查者常常出于个人隐私等方面的考虑而不愿意对采访者如实地作出应答。问题的关键是既要收集到真实有效的信息,同时又能确保被调查者的隐私不受侵犯。20世纪60年代,人们基于初等概率论发明了一种调查方法,从而解决了这一难题。这种方法要求人们随机地选答所提两个问题中的一个,而不必告诉采访者回答的是哪个问题。两个问题中有一个是敏感的或者可能会使人为难的话题,另一个是无关紧要的问题。例如,无关紧要的问题是:“你刚才所掷的硬币是正面朝上吗?”敏感的问题是:“你是否每星期至少吸毒一次?”然后要求应答者掷两次硬币,第一次的结果作为第一个问题的答案,再根据第二次掷硬币的结果决定回答哪个问题。由于两次掷硬币的结果都只有被调查者本人知道,因此他可以诚实地回答选中的问题而不必担心暴露个人隐私。假设我们把这种方法用于1000个应答者并得到300个“是”的回答,因为掷硬币正面朝上的概率为1/2,我们期望大约有500人回答了无关紧要的问题,其中大约有一半人(250人)第一次所掷硬币正面朝上,回答了“是”。因此,在回答敏感问题的500人中大约有(300—250=)50人的回答是“是”。由此我们估计这群人中大约有10%的人每星期至少吸毒一次。
目前,在传统的社会科学领域中,经济学是最成功地实现数学化的学科,成就令人瞩目。自1969年设立诺贝尔经济学奖以来,超过2/3的获奖者是由于在经济学领域运用数学方法获得重大突破而获奖的。微积分学、集合论、拓扑学、实凸分析以及概率论,在研究和表达经济理论方面都起了重要的作用。很多数学家惊讶地发现,极其抽象的拓扑学最有用的地方竟是在经济学领域。数学在经济学中的应用,产生了包括数理经济学、经济计量学、经济控制论、经济预测、经济信息等分支的数量经济学科群,以致一些西方学者认为:当代的经济学实际上已成为应用数学的一个分支。