上篇《种子公式全录(上)》收了大众正典层的 22 条。这篇往金字塔底部走,收更硬核的两层——而且这两层之间的”压缩比”被真实测量过:Metamath 项目把”从公理到名定理”的每一步推导都形式化了,结论是:9 条 ZFC 公理,经过 12,151 条中间定理的台阶,撑起 Wiedijk”形式化 100 定理”清单上的名定理(2016 年 6 月统计)。光是从公理构造出复数系——让 eiθ 里那个 i 合法存在——就要 3,014 条定理。公理是 DNA,不是说明书;本篇把 DNA(ZFC 九条)和考卷(Wiedijk 百条)全部枚举,每条给精确写法。
先立好整个系列的金字塔,本篇覆盖加粗的两层:
| 压缩档位 | 数量 | 收录处 |
|---|
| 公理层(ZFC) | 9 条 | 本篇第一部分 |
| 大众正典层 | 22 条 | 上篇 |
| 学界基准层(Wiedijk) | 100 条 | 本篇第二部分 |
| 支撑骨架层 | 12,151 条 | Metamath 数据库(机器可读,不适合人读) |
第一部分:ZFC 九条公理——数学的 DNA
ZFC = Zermelo–Fraenkel 集合论 + Choice(选择公理)。它的语言极端贫瘠:一阶逻辑,外加唯一一个非逻辑符号 ∈(属于)。自然数、实数、函数、矩阵、eiπ+1=0——全部要用”集合的集合的集合”从这九条搭出来。记号约定:∀(任意)、∃(存在)、∃!(存在唯一)、∧(且)、∨(或)、⇒(蕴含)、⇔(当且仅当)、∅(空集)。以下形式写法与 Wikipedia ZFC 条目一致。
公理 1:外延公理(Extensionality)
∀x∀y[∀z(z∈x⇔z∈y)⇒x=y]
人话:元素完全相同的两个集合就是同一个集合。集合没有”包装”——只看内容。
公理 2:正则公理(Regularity / Foundation)
∀x(x=∅⇒∃y(y∈x∧y∩x=∅))
人话:每个非空集合都含有一个与自身不相交的元素。后果:不存在”自己属于自己”的集合(x∈x 被禁止),也不存在无穷下降链 ⋯∈x2∈x1。这是对罗素悖论时代疯狂集合的驱逐令。
公理 3:分离公理模式(Specification / Separation)
∀z∀w1⋯∀wn∃y∀x[x∈y⇔(x∈z∧φ(x,w1,…,wn,z))]
人话:从已有集合 z 中,用任何一条性质 φ 筛出子集 {x∈z:φ(x)}。关键限制是必须在已有集合内部筛——不允许凭空定义”所有满足 φ 的东西的集合”,罗素悖论(“所有不属于自身的集合的集合”)正是这样被拆除的。
公理 4:配对公理(Pairing)
∀x∀y∃z((x∈z)∧(y∈z))
人话:任给两个集合 x,y,存在一个同时包含它俩的集合。配合分离公理即可精确裁出 {x,y}。
公理 5:并集公理(Union)
∀F∃A∀Y∀x[(x∈Y∧Y∈F)⇒x∈A]
人话:对任何”集合的集合” F,存在一个囊括其所有成员之元素的集合;配合分离公理裁出精确的 ⋃F。
公理 6:替换公理模式(Replacement)
∀A∀w1⋯∀wn[∀x(x∈A⇒∃!yφ)⇒∃B∀x(x∈A⇒∃y(y∈B∧φ))]
人话:集合 A 在任何”可定义函数”下的像仍是集合。这是搭建超穷层级(很大很大的无穷)的脚手架。
公理 7:无穷公理(Infinity)
∃X[∅∈X∧∀y(y∈X⇒S(y)∈X)]
人话:存在一个包含 ∅ 且对后继运算 S(y):=y∪{y} 封闭的集合——即存在无穷集。自然数就在这里诞生:0:=∅,1:={∅},2:={∅,{∅}},……上篇第 1 条 1+1=2 的原材料,由这条公理供货。
公理 8:幂集公理(Power Set)
∀x∃y∀z(z⊆x⇒z∈y)
人话:任何集合的全部子集也构成一个集合(z⊆x 是 ∀w(w∈z⇒w∈x) 的缩写)。它是”越来越大的无穷”的引擎:由康托定理(下文考卷第 63 题),P(x) 永远严格大于 x。
公理 9:选择公理(Choice,以良序定理形式)
∀X∃R(R 良序化 X)
人话:任何集合都能被排成”每个非空子集都有最小元”的次序;等价的更常见说法:任何一族非空集合,都存在一个”从每个集合里各取一个元素”的选择函数。九条中最有争议的一条——它保证了选择的存在却给不出选择的方法,还会推出分球悖论(一个球拆成五块拼出两个同样大的球)这类怪胎,但现代数学离开它寸步难行。
符号精准的三条注记
- “九条”其实数不清:第 3、6 条是公理模式(axiom schema)——对每一条一阶公式 φ 各有一条实例,所以严格说 ZFC 有可数无穷条公理(且已证明它不能被有限条公理化)。“9”数的是模式。
- 弱形式:配对、并集、幂集三条按 Wikipedia 的写法都只断言”存在一个包含目标的集合”(注意式中是 ⇒ 而非 ⇔),精确的 {x,y}、⋃F、P(x) 由分离公理事后裁出。很多教科书直接写强形式,两者等价。
- 不是极简清单:分离公理模式可由替换公理模式推出,配对公理也可由替换+幂集推出——保留它们是历史与教学习惯。所以”最少要几条”的答案比 9 还小。
第二部分:Wiedijk 百定理——学界公认的考卷
Freek Wiedijk 维护的”Formalizing 100 Theorems”清单是形式化数学界的标准考卷:各大证明系统(Lean、Rocq/Coq、Isabelle、Metamath……)以拿下清单上的定理数为能力标尺。截至目前,100 条中 99 条已在至少一个系统中被计算机逐步验证,唯一悬着的是第 33 题费马大定理——Kevin Buzzard 团队正在 Lean 中形式化它(2024 年起的五年项目)。
以下 100 条,编号与名称照录原清单,陈述为标准精确形式。约定:N,Z,Q,R,C 依次为自然数、整数、有理数、实数、复数集;p 无说明时指素数;gcd 为最大公约数;a∣b 记”a 整除 b“。
第 1–10 题
| # | 名称 | 精确陈述 |
|---|
| 1 | 2 无理 | 2∈/Q:不存在整数 p,q 使 (p/q)2=2 |
| 2 | 代数基本定理 | 每个次数 ≥1 的复系数多项式在 C 中至少有一个根 |
| 3 | 有理数可数 | 存在双射 N↔Q,即 ∣Q∣=ℵ0 |
| 4 | 勾股定理 | 直角三角形:a2+b2=c2(c 为斜边) |
| 5 | 素数定理 | π(x)∼lnxx,即 limx→∞xπ(x)lnx=1(π(x) 为不超过 x 的素数个数) |
| 6 | 哥德尔不完备定理 | 任何一致、可递归公理化、包含初等算术的理论 T,存在语句 G:T⊬G 且 T⊬¬G |
| 7 | 二次互反律 | 奇素数 p=q:(qp)(pq)=(−1)2p−1⋅2q−1(Legendre 符号) |
| 8 | 三等分角与倍立方不可能 | 尺规可作数的次数必为 2 的幂;而 [Q(32):Q]=3、cos20° 的次数为 3,故二者尺规不可作 |
| 9 | 圆面积 | A=πr2 |
| 10 | 欧拉–费马定理 | gcd(a,n)=1⇒aφ(n)≡1(modn)(φ 为欧拉函数) |
第 11–20 题
| # | 名称 | 精确陈述 |
|---|
| 11 | 素数无穷多 | 素数集合无限(欧几里得:任给有限素数表,p1⋯pn+1 的素因子不在表中) |
| 12 | 平行公设独立 | 存在满足欧氏其余公理但平行公设不成立的模型(双曲几何),故平行公设不可由其余公理证明 |
| 13 | 多面体公式 | 凸多面体:V−E+F=2 |
| 14 | 巴塞尔问题 | n=1∑∞n21=6π2 |
| 15 | 微积分基本定理 | f 连续时 dxd∫axf(t)dt=f(x);且 ∫abf=F(b)−F(a)(F′=f) |
| 16 | 高次方程不可根式解 | 次数 ≥5 的一般多项式方程不存在根式求根公式(Abel–Ruffini) |
| 17 | 棣莫弗定理 | (cosθ+isinθ)n=cosnθ+isinnθ(n∈Z) |
| 18 | 刘维尔定理与超越数构造 | 代数数不可被有理数”过好”地逼近;由此 k=1∑∞10−k! 是超越数(第一个被证明超越的数) |
| 19 | 四平方和定理 | 每个自然数都是四个整数的平方和:n=a2+b2+c2+d2(Lagrange) |
| 20 | 费马二平方定理 | 奇素数 p 可写成两平方和 ⇔p≡1(mod4) |
第 21–30 题
| # | 名称 | 精确陈述 |
|---|
| 21 | 格林定理 | ∮∂D(Ldx+Mdy)=∬D(∂x∂M−∂y∂L)dA |
| 22 | 连续统不可数 | ∣R∣>ℵ0:实数不能与自然数一一对应(康托对角线法) |
| 23 | 勾股数公式 | 本原勾股三元组恰为 (m2−n2, 2mn, m2+n2),其中 m>n≥1,gcd(m,n)=1,m,n 一奇一偶 |
| 24 | 连续统假设不可判定 | CH(ℵ0 与 2ℵ0 之间无中间基数)在 ZFC 中既不可证(Cohen 1963)也不可否证(Gödel 1940) |
| 25 | Schröder–Bernstein 定理 | 若存在单射 A→B 与单射 B→A,则存在双射 A↔B |
| 26 | 莱布尼茨 π 级数 | 1−31+51−71+⋯=4π |
| 27 | 三角形内角和 | 欧氏平面中 α+β+γ=180° |
| 28 | 帕斯卡六边形定理 | 内接于圆锥曲线的六边形,三组对边(所在直线)的交点共线 |
| 29 | 费尔巴哈定理 | 三角形的九点圆与内切圆内切,与三个旁切圆均外切 |
| 30 | 选票问题 | 甲得 p 票、乙得 q 票(p>q),计票全程甲严格领先的概率为 p+qp−q |
第 31–40 题
| # | 名称 | 精确陈述 |
|---|
| 31 | 拉姆齐定理 | ∀r,s ∃N:N 个顶点完全图任意红蓝染色,必含红色 Kr 或蓝色 Ks |
| 32 | 四色定理 | 任何平面地图可用 4 种颜色染色使相邻区域异色(1976 计算机辅助证明,2005 年在 Coq 中全形式化) |
| 33 | 费马大定理 | n≥3 时 xn+yn=zn 无正整数解(Wiles 1995;本清单唯一未形式化的一条) |
| 34 | 调和级数发散 | n=1∑∞n1=∞ |
| 35 | 泰勒定理 | f(x)=k=0∑nk!f(k)(a)(x−a)k+Rn,余项 Rn=(n+1)!f(n+1)(ξ)(x−a)n+1(某 ξ 介于 a,x 之间) |
| 36 | 布劳威尔不动点定理 | 连续映射 f:Bn→Bn(n 维闭球)必有不动点 f(x)=x |
| 37 | 三次方程解 | x3+px+q=0 的根 x=3−2q+4q2+27p3+3−2q−4q2+27p3(Cardano) |
| 38 | 均值不等式 | xi≥0:nx1+⋯+xn≥nx1⋯xn,等号当且仅当全相等 |
| 39 | 佩尔方程 | D 为非平方正整数时,x2−Dy2=1 有无穷多组正整数解 |
| 40 | 闵可夫斯基定理 | Rn 中关于原点对称的凸体体积 >2n,则必含非零整点 |
第 41–50 题
| # | 名称 | 精确陈述 |
|---|
| 41 | 皮瑟定理 | 代数方程 f(x,y)=0 的解支可展为 x 的分数幂级数(Puiseux 级数) |
| 42 | 三角形数倒数和 | n=1∑∞n(n+1)2=2 |
| 43 | 等周定理 | 平面闭曲线周长 L、围面积 A:L2≥4πA,等号当且仅当圆 |
| 44 | 二项式定理 | (x+y)n=k=0∑n(kn)xkyn−k |
| 45 | 欧拉分拆定理 | 把 n 分拆成奇数部分的方案数 = 分拆成两两不同部分的方案数 |
| 46 | 四次方程解 | 一般四次方程存在根式解(Ferrari:化归三次预解式) |
| 47 | 中心极限定理 | Xi 独立同分布,均值 μ、方差 σ2<∞:σn(Xˉn−μ)dN(0,1) |
| 48 | 狄利克雷定理 | gcd(a,d)=1 时,等差数列 a,a+d,a+2d,… 含无穷多素数 |
| 49 | 凯莱–哈密顿定理 | 方阵代入自己的特征多项式得零矩阵:χA(A)=O |
| 50 | 正多面体恰五种 | 正四、六、八、十二、二十面体,再无其他(可由第 13 题欧拉公式推出) |
第 51–60 题
| # | 名称 | 精确陈述 |
|---|
| 51 | 威尔逊定理 | n≥2:n 为素数 ⇔(n−1)!≡−1(modn) |
| 52 | 子集个数 | ∣P(S)∣=2∣S∣:n 元集恰有 2n 个子集 |
| 53 | π 超越 | π 不是任何整系数多项式的根(Lindemann 1882;推论:化圆为方不可能) |
| 54 | 柯尼斯堡七桥 | 连通图存在欧拉回路 ⇔ 每个顶点度数为偶;七桥图四个顶点全为奇度,故无解 |
| 55 | 弦段乘积定理 | 圆内两弦交于 P:PA⋅PB=PC⋅PD |
| 56 | Hermite–Lindemann 定理 | α 为非零代数数 ⇒eα 超越 |
| 57 | 海伦公式 | s=2a+b+c:三角形面积 A=s(s−a)(s−b)(s−c) |
| 58 | 组合数公式 | (kn)=k!(n−k)!n! |
| 59 | 大数定律 | Xi 独立同分布、E∣X1∣<∞:Xˉn→μ(弱:依概率;强:几乎必然) |
| 60 | 裴蜀定理 | ∃x,y∈Z:ax+by=gcd(a,b) |
第 61–70 题
| # | 名称 | 精确陈述 |
|---|
| 61 | 塞瓦定理 | D,E,F 在三边上:AD,BE,CF 共点 ⇔DCBD⋅EACE⋅FBAF=1 |
| 62 | 公平赌局定理 | 鞅(公平赌局)中任何有界停时策略的期望收益等于本金——不存在必胜的离场时机(可选停时定理) |
| 63 | 康托定理 | 任何集合严格小于其幂集:∣S∣<∣P(S)∣——无穷有无穷多个等级 |
| 64 | 洛必达法则 | f,g→0(或 →∞)且 limg′f′ 存在 ⇒limgf=limg′f′ |
| 65 | 等腰三角形定理 | 两边相等的三角形,两底角相等 |
| 66 | 几何级数和 | ∣r∣<1:n=0∑∞arn=1−ra |
| 67 | e 超越 | e 不是任何整系数多项式的根(Hermite 1873) |
| 68 | 等差级数和 | a1+a2+⋯+an=2n(a1+an) |
| 69 | 辗转相除法 | gcd(a,b)=gcd(b, amodb),迭代至余数为 0(欧几里得算法,可证其正确性与终止性) |
| 70 | 完全数定理 | 偶数 N 为完全数(等于自身真因子之和)⇔N=2p−1(2p−1) 且 2p−1 为素数(Euclid–Euler) |
第 71–80 题
| # | 名称 | 精确陈述 |
|---|
| 71 | 拉格朗日定理(群论) | 有限群 G 的子群 H:∣H∣ 整除 ∣G∣ |
| 72 | 西罗定理 | pk 为整除 ∣G∣ 的最大 p 幂:pk 阶子群存在,全体共轭,个数 ≡1(modp) |
| 73 | 单调子列定理 | 长度 ≥rs+1 的互异实数列,必含长 r+1 的递增子列或长 s+1 的递减子列(Erdős–Szekeres) |
| 74 | 数学归纳法原理 | [P(0)∧∀n(P(n)⇒P(n+1))]⇒∀nP(n) |
| 75 | 中值定理 | f 在 [a,b] 连续、(a,b) 可导 ⇒∃c∈(a,b):f′(c)=b−af(b)−f(a) |
| 76 | 傅里叶级数 | 适当条件下周期 2π 函数 f(x)=2a0+n=1∑∞(ancosnx+bnsinnx),系数 an=π1∫−ππfcosnxdx 等 |
| 77 | k 次幂求和 | i=1∑nik 是 n 的 k+1 次多项式,首项 k+1nk+1,系数由伯努利数给出(Faulhaber) |
| 78 | 柯西–施瓦茨不等式 | ∣⟨u,v⟩∣≤∥u∥⋅∥v∥,等号当且仅当线性相关 |
| 79 | 介值定理 | f 在 [a,b] 连续,y 介于 f(a) 与 f(b) 之间 ⇒∃c∈[a,b]:f(c)=y |
| 80 | 算术基本定理 | 每个整数 n≥2 唯一地(不计次序)分解为素数之积 |
第 81–90 题
| # | 名称 | 精确陈述 |
|---|
| 81 | 素数倒数和发散 | p 素数∑p1=∞(比”素数无穷多”强得多) |
| 82 | 立方体分割定理 | 不可能把立方体分割为有限个两两大小不同的小立方体(Littlewood 称其证明”优雅”) |
| 83 | 友谊定理 | 若任意两人恰有一个共同朋友,则存在认识所有人的人(Erdős–Rényi–Sós) |
| 84 | 莫雷角三分线定理 | 任意三角形相邻内角三等分线的三个交点构成等边三角形 |
| 85 | 被 3 整除判别法 | 3∣n⇔3∣(n 的十进制各位数字之和) |
| 86 | 勒贝格测度与积分 | 存在平移不变、完备的测度 λ 使 λ([a,b])=b−a;相应积分严格扩张黎曼积分 |
| 87 | 德萨格定理 | 两三角形对应顶点连线共点(透视于点)⇔ 对应边交点共线(透视于线) |
| 88 | 错排公式 | Dn=n!k=0∑nk!(−1)k(n 个信封全装错的方案数,≈n!/e) |
| 89 | 因式与余式定理 | 多项式 p(x) 除以 (x−a) 的余数为 p(a);(x−a)∣p(x)⇔p(a)=0 |
| 90 | 斯特林公式 | n!∼2πn(en)n |
第 91–100 题
| # | 名称 | 精确陈述 |
|---|
| 91 | 三角不等式 | ∣x+y∣≤∣x∣+∣y∣(度量空间版:d(a,c)≤d(a,b)+d(b,c)) |
| 92 | 皮克定理 | 顶点在格点上的简单多边形:面积 A=I+2B−1(I 内部格点数,B 边界格点数) |
| 93 | 生日问题 | 23 人中存在两人同生日的概率 ≈0.507>21(365 天等可能) |
| 94 | 余弦定理 | c2=a2+b2−2abcosC(C=90° 时退化为勾股定理) |
| 95 | 托勒密定理 | 圆内接四边形 ABCD:AC⋅BD=AB⋅CD+BC⋅AD |
| 96 | 容斥原理 | ⋃i=1nAi=i∑∣Ai∣−i<j∑∣Ai∩Aj∣+⋯+(−1)n+1∣A1∩⋯∩An∣ |
| 97 | 克拉默法则 | detA=0 时 Ax=b 的唯一解为 xi=detAdetAi(Ai:以 b 替换第 i 列) |
| 98 | 伯特兰假设 | ∀n≥1 ∃ 素数 p:n<p≤2n(Chebyshev 证明) |
| 99 | 蒲丰投针 | 针长 ℓ≤ 平行线距 d:针与线相交的概率 P=πd2ℓ(由此可用投针估算 π) |
| 100 | 笛卡尔符号法则 | 实系数多项式的正根个数(计重数)不超过系数符号变化数,且两者之差为偶数 |
读这张考卷的四个角度
1. 它与上篇的接缝。 第 4 题勾股、第 13 题多面体公式直接就是上篇的 #2 与 #6;第 17 题棣莫弗定理 (cosθ+isinθ)n=cosnθ+isinnθ 则是欧拉公式的整数次影子——“转 θ 转 n 次 = 转 nθ”,比欧拉公式早半个世纪就被写下。三层金字塔不是三个世界,是同一批种子在不同分辨率下的照片。
2. 它是一张真的在被批改的考卷。 各系统得分(不同时间点的统计):Lean 84 条、Rocq/Coq 80 条、Metamath 74 条、Isabelle 等紧随其后;合计 99/100。第 33 题费马大定理是唯一空格——人类 1995 年就证完了,机器还要再等几年。这个空格本身就是知识点:“已被人类接受”与”已被机器逐步核验”之间,隔着一个数量级的严格性。
3. 它暴露了”简单”与”深刻”互相独立。 第 65 题(等腰三角形底角相等)小学生能懂,第 24 题(连续统假设不可判定)需要整个现代集合论——它们并排坐在同一张清单上。而且第 24 题是清单里最特殊的一条:它不是”证明了什么”,而是”证明了不能证明”——ZFC 这套 DNA 里压根不含 CH 的答案,公理层的边界被它精确标出。
4. 数一数你已经拥有几条。 中国高中数学大致覆盖:#4、9、11、27、38、44、55、58、61、65、66、68、74、79、89、91、94;本科数学再加二三十条。换句话说,这张人类文明的考卷,你可能已经握着三分之一——种子公式从来不是远方的圣物,它们大多早就在你手里,只是没人告诉你它们在这张清单上。
参考来源
清单与形式化进度
公理层
本站姊妹篇