种子公式全录(下):ZFC 九条公理与 Wiedijk 百定理全枚举——数学的 DNA 与考卷

数学压缩到极限是多少条公式?答案被实测过:9 条 ZFC 公理,经过 12,151 条中间定理,撑起学界公认的 100 条名定理。本篇把两层全部枚举:ZFC 九条公理逐条给出严格的一阶逻辑写法(含公理模式、弱形式等所有记号细节),Wiedijk"形式化 100 定理"清单逐条给出精确陈述。100 条中 99 条已被计算机验证,唯一悬着的是费马大定理。

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 eiθe^{i\theta} 里那个 ii 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 \in(属于)。自然数、实数、函数、矩阵、eiπ+1=0e^{i\pi}+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:\forall(任意)、\exists(存在)、!\exists!(存在唯一)、\land(且)、\lor(或)、\Rightarrow(蕴含)、\Leftrightarrow(当且仅当)、\varnothing(空集)。以下形式写法与 Wikipedia ZFC 条目一致。

公理 1:外延公理(Extensionality)

xy[z(zxzy)x=y]\forall x\,\forall y\,\bigl[\forall z\,(z \in x \Leftrightarrow z \in y) \Rightarrow x = y\bigr]

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(xy(yxyx=))\forall x\,\bigl(x \neq \varnothing \Rightarrow \exists y\,(y \in x \land y \cap x = \varnothing)\bigr)

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(xxx \in x 被禁止),也不存在无穷下降链 x2x1\cdots \in x_2 \in x_1。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)

zw1wnyx[xy(xzφ(x,w1,,wn,z))]\forall z\,\forall w_1 \cdots \forall w_n\,\exists y\,\forall x\,\bigl[x \in y \Leftrightarrow \bigl(x \in z \land \varphi(x, w_1, \ldots, w_n, z)\bigr)\bigr]

人话:从已有集合 zz 中,用任何一条性质 φ\varphi 筛出子集 {xz:φ(x)}\{x \in z : \varphi(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\varphi 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)

xyz((xz)(yz))\forall x\,\forall y\,\exists z\,\bigl((x \in z) \land (y \in z)\bigr)

人话:任给两个集合 x,yx, 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}\{x, y\}

公理 5:并集公理(Union)

FAYx[(xYYF)xA]\forall \mathcal{F}\,\exists A\,\forall Y\,\forall x\,\bigl[(x \in Y \land Y \in \mathcal{F}) \Rightarrow x \in A\bigr]

人话:对任何”集合的集合” F\mathcal{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\bigcup \mathcal{F}

公理 6:替换公理模式(Replacement)

Aw1wn[x(xA!yφ)Bx(xAy(yBφ))]\forall A\,\forall w_1 \cdots \forall w_n\,\bigl[\forall x\,(x \in A \Rightarrow \exists! y\,\varphi) \Rightarrow \exists B\,\forall x\,\bigl(x \in A \Rightarrow \exists y\,(y \in B \land \varphi)\bigr)\bigr]

人话:集合 AA 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[Xy(yXS(y)X)]\exists X\,\bigl[\varnothing \in X \land \forall y\,(y \in X \Rightarrow S(y) \in X)\bigr]

人话:存在一个包含 \varnothing 且对后继运算 S(y):=y{y}S(y) := y \cup \{y\} 封闭的集合——即存在无穷集。自然数就在这里诞生:0:=0 := \varnothing1:={}1 := \{\varnothing\}2:={,{}}2 := \{\varnothing, \{\varnothing\}\},……上篇第 1 条 1+1=21+1=2 的原材料,由这条公理供货。

公理 8:幂集公理(Power Set)

xyz(zxzy)\forall x\,\exists y\,\forall z\,(z \subseteq x \Rightarrow z \in y)

人话:任何集合的全部子集也构成一个集合(zxz \subseteq xw(wzwx)\forall w\,(w \in z \Rightarrow w \in 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)\mathcal{P}(x) 永远严格大于 xx

公理 9:选择公理(Choice,以良序定理形式)

XR(R 良序化 X)\forall X\,\exists R\,(R \text{ 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

  1. “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\varphi 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。
  2. 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 \Rightarrow 而非 \Leftrightarrow),精确的 {x,y}\{x,y\}F\bigcup\mathcal{F}P(x)\mathcal{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。
  3. 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\mathbb{N}, \mathbb{Z}, \mathbb{Q}, \mathbb{R}, \mathbb{C} 依次为自然数、整数、有理数、实数、复数集;pp 无说明时指素数;gcd\gcd 为最大公约数;aba \mid b 记”aa 整除 bb“。

第 1–10 题

#名称精确陈述
12\sqrt{2} 无理2Q\sqrt{2} \notin \mathbb{Q}:不存在整数 p,qp,q 使 (p/q)2=2(p/q)^2 = 2
2代数基本定理每个次数 1\geq 1 的复系数多项式在 C\mathbb{C} 中至少有一个根
3有理数可数存在双射 NQ\mathbb{N} \leftrightarrow \mathbb{Q},即 Q=0\lvert\mathbb{Q}\rvert = \aleph_0
4勾股定理直角三角形:a2+b2=c2a^2 + b^2 = c^2cc 为斜边)
5素数定理π(x)xlnx\pi(x) \sim \dfrac{x}{\ln x},即 limxπ(x)lnxx=1\lim_{x\to\infty} \dfrac{\pi(x)\ln x}{x} = 1π(x)\pi(x) 为不超过 xx 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 TT,存在语句 GGTGT \nvdash GT¬GT \nvdash \neg G
7二次互反律奇素数 pqp \neq q(pq)(qp)=(1)p12q12\left(\dfrac{p}{q}\right)\left(\dfrac{q}{p}\right) = (-1)^{\frac{p-1}{2}\cdot\frac{q-1}{2}}(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 22 的幂;而 [Q(23):Q]=3[\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2}):\mathbb{Q}] = 3cos20°\cos 20° 的次数为 33,故二者尺规不可作
9圆面积A=πr2A = \pi r^2
10欧拉–费马定理gcd(a,n)=1aφ(n)1(modn)\gcd(a,n)=1 \Rightarrow a^{\varphi(n)} \equiv 1 \pmod{n}φ\varphi 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,p1pn+1p_1\cdots p_n + 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:VE+F=2V - E + F = 2
14巴塞尔问题n=11n2=π26\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}
15微积分基本定理ff 连续时 ddxaxf(t)dt=f(x)\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_a^x f(t)\,dt = f(x);且 abf=F(b)F(a)\displaystyle\int_a^b f = F(b) - F(a)F=fF' = f
16高次方程不可根式解次数 5\geq 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(\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos n\theta + i\sin n\thetanZn \in \mathbb{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=110k!\displaystyle\sum_{k=1}^{\infty} 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+d2n = a^2+b^2+c^2+d^2(Lagrange)
20费马二平方定理奇素数 pp 可写成两平方和 p1(mod4)\Leftrightarrow p \equiv 1 \pmod 4

第 21–30 题

#名称精确陈述
21格林定理D(Ldx+Mdy)=D(MxLy)dA\displaystyle\oint_{\partial D} (L\,dx + M\,dy) = \iint_D \Bigl(\frac{\partial M}{\partial x} - \frac{\partial L}{\partial y}\Bigr)\,dA
22连续统不可数R>0\lvert\mathbb{R}\rvert > \aleph_0: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 (m2n2, 2mn, m2+n2)(m^2-n^2,\ 2mn,\ m^2+n^2),其中 m>n1m>n\geq 1gcd(m,n)=1\gcd(m,n)=1m,nm,n 一奇一偶
24连续统假设不可判定CH(0\aleph_0202^{\aleph_0} 之间无中间基数)在 ZFC 中既不可证(Cohen 1963)也不可否证(Gödel 1940)
25Schröder–Bernstein 定理若存在单射 ABA \to B 与单射 BAB \to A,则存在双射 ABA \leftrightarrow B
26莱布尼茨 π 级数113+1517+=π41 - \dfrac{1}{3} + \dfrac{1}{5} - \dfrac{1}{7} + \cdots = \dfrac{\pi}{4}
27三角形内角和欧氏平面中 α+β+γ=180°\alpha + \beta + \gamma = 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 pp 票、乙得 qq 票(p>qp>q),计票全程甲严格领先的概率为 pqp+q\dfrac{p-q}{p+q}

第 31–40 题

#名称精确陈述
31拉姆齐定理r,s N\forall r,s\ \exists NNN 个顶点完全图任意红蓝染色,必含红色 KrK_r 或蓝色 KsK_s
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n3n \geq 3xn+yn=znx^n + y^n = z^n 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=11n=\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n} = \infty
35泰勒定理f(x)=k=0nf(k)(a)k!(xa)k+Rnf(x) = \displaystyle\sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k + R_n,余项 Rn=f(n+1)(ξ)(n+1)!(xa)n+1R_n = \dfrac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}(某 ξ\xi 介于 a,xa,x 之间)
36布劳威尔不动点定理连续映射 f:BnBnf: B^n \to B^nnn 维闭球)必有不动点 f(x)=xf(x) = x
37三次方程解x3+px+q=0x^3 + px + q = 0 的根 x=q2+q24+p3273+q2q24+p3273x = \sqrt[3]{-\frac{q}{2} + \sqrt{\frac{q^2}{4} + \frac{p^3}{27}}} + \sqrt[3]{-\frac{q}{2} - \sqrt{\frac{q^2}{4} + \frac{p^3}{27}}}(Cardano)
38均值不等式xi0x_i \geq 0x1++xnnx1xnn\dfrac{x_1 + \cdots + x_n}{n} \geq \sqrt[n]{x_1 \cdots x_n},等号当且仅当全相等
39佩尔方程DD 为非平方正整数时,x2Dy2=1x^2 - Dy^2 = 1 有无穷多组正整数解
40闵可夫斯基定理Rn\mathbb{R}^n 中关于原点对称的凸体体积 >2n> 2^n,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)=0f(x,y)=0 的解支可展为 xx 的分数幂级数(Puiseux 级数)
42三角形数倒数和n=12n(n+1)=2\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2}{n(n+1)} = 2
43等周定理平面闭曲线周长 LL、围面积 AAL24πAL^2 \geq 4\pi A,等号当且仅当圆
44二项式定理(x+y)n=k=0n(nk)xkynk(x+y)^n = \displaystyle\sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} x^k y^{n-k}
45欧拉分拆定理nn 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XiX_i 独立同分布,均值 μ\mu、方差 σ2<\sigma^2 < \inftyn(Xˉnμ)σdN(0,1)\dfrac{\sqrt{n}(\bar{X}_n - \mu)}{\sigma} \xrightarrow{d} N(0,1)
48狄利克雷定理gcd(a,d)=1\gcd(a,d)=1 时,等差数列 a,a+d,a+2d,a, a+d, a+2d, \ldots 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\chi_A(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n2n \geq 2nn 为素数 (n1)!1(modn)\Leftrightarrow (n-1)! \equiv -1 \pmod{n}
52子集个数P(S)=2S\lvert\mathcal{P}(S)\rvert = 2^{\lvert S\rvert}nn 元集恰有 2n2^n 个子集
53π 超越π\pi 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 \Leftrightarrow 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 PPPAPB=PCPDPA \cdot PB = PC \cdot PD
56Hermite–Lindemann 定理α\alpha 为非零代数数 eα\Rightarrow e^{\alpha} 超越
57海伦公式s=a+b+c2s = \frac{a+b+c}{2}:三角形面积 A=s(sa)(sb)(sc)A = \sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}
58组合数公式(nk)=n!k!(nk)!\dbinom{n}{k} = \dfrac{n!}{k!\,(n-k)!}
59大数定律XiX_i 独立同分布、EX1<E\lvert X_1\rvert < \inftyXˉnμ\bar{X}_n \to \mu(弱:依概率;强:几乎必然)
60裴蜀定理x,yZ\exists x, y \in \mathbb{Z}ax+by=gcd(a,b)ax + by = \gcd(a,b)

第 61–70 题

#名称精确陈述
61塞瓦定理D,E,FD,E,F 在三边上:AD,BE,CFAD, BE, CF 共点 BDDCCEEAAFFB=1\Leftrightarrow \dfrac{BD}{DC} \cdot \dfrac{CE}{EA} \cdot \dfrac{AF}{FB} = 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)\lvert S\rvert < \lvert\mathcal{P}(S)\rvert——无穷有无穷多个等级
64洛必达法则f,g0f,g \to 0(或 \to\infty)且 limfg\lim \frac{f'}{g'} 存在 limfg=limfg\Rightarrow \lim \dfrac{f}{g} = \lim \dfrac{f'}{g'}
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\lvert r\rvert < 1n=0arn=a1r\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} ar^n = \frac{a}{1-r}
67e 超越ee 不是任何整系数多项式的根(Hermite 1873)
68等差级数和a1+a2++an=n(a1+an)2a_1 + a_2 + \cdots + a_n = \dfrac{n(a_1 + a_n)}{2}
69辗转相除法gcd(a,b)=gcd(b, amodb)\gcd(a, b) = \gcd(b,\ a \bmod b),迭代至余数为 00(欧几里得算法,可证其正确性与终止性)
70完全数定理偶数 NN 为完全数(等于自身真因子之和)N=2p1(2p1)\Leftrightarrow N = 2^{p-1}(2^p - 1)2p12^p - 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 GG 的子群 HHH\lvert H\rvert 整除 G\lvert G\rvert
72西罗定理pkp^k 为整除 G\lvert G\rvert 的最大 pp 幂:pkp^k 阶子群存在,全体共轭,个数 1(modp)\equiv 1 \pmod p
73单调子列定理长度 rs+1\geq rs+1 的互异实数列,必含长 r+1r+1 的递增子列或长 s+1s+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)\bigl[P(0) \land \forall n\,(P(n) \Rightarrow P(n+1))\bigr] \Rightarrow \forall n\, P(n)
75中值定理ff[a,b][a,b] 连续、(a,b)(a,b) 可导 c(a,b)\Rightarrow \exists c \in (a,b)f(c)=f(b)f(a)baf'(c) = \dfrac{f(b)-f(a)}{b-a}
76傅里叶级数适当条件下周期 2π2\pi 函数 f(x)=a02+n=1(ancosnx+bnsinnx)f(x) = \dfrac{a_0}{2} + \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (a_n \cos nx + b_n \sin nx),系数 an=1πππfcosnxdxa_n = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f\cos nx\,dx
77k 次幂求和i=1nik\displaystyle\sum_{i=1}^{n} i^knnk+1k+1 次多项式,首项 nk+1k+1\frac{n^{k+1}}{k+1},系数由伯努利数给出(Faulhaber)
78柯西–施瓦茨不等式u,vuv\lvert\langle u, v\rangle\rvert \leq \lVert u\rVert \cdot \lVert v\rVert,等号当且仅当线性相关
79介值定理ff[a,b][a,b] 连续,yy 介于 f(a)f(a)f(b)f(b) 之间 c[a,b]\Rightarrow \exists c \in [a,b]f(c)=yf(c) = y
80算术基本定理每个整数 n2n \geq 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1p=\displaystyle\sum_{p \text{ 素数}} \frac{1}{p} = \infty(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3n3(n3 \mid n \Leftrightarrow 3 \mid (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\lambda 使 λ([a,b])=ba\lambda([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)\Leftrightarrow 对应边交点共线(透视于线)
88错排公式Dn=n!k=0n(1)kk!D_n = n! \displaystyle\sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{k!}nn 个信封全装错的方案数,n!/e\approx n!/e
89因式与余式定理多项式 p(x)p(x) 除以 (xa)(x-a) 的余数为 p(a)p(a)(xa)p(x)p(a)=0(x-a) \mid p(x) \Leftrightarrow p(a) = 0
90斯特林公式n!2πn(ne)nn! \sim \sqrt{2\pi n}\,\Bigl(\dfrac{n}{e}\Bigr)^n

第 91–100 题

#名称精确陈述
91三角不等式x+yx+y\lvert x + y\rvert \leq \lvert x\rvert + \lvert y\rvert(度量空间版:d(a,c)d(a,b)+d(b,c)d(a,c) \leq 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+B21A = I + \dfrac{B}{2} - 1II 内部格点数,BB 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>12\approx 0.507 > \dfrac{1}{2}(365 天等可能)
94余弦定理c2=a2+b22abcosCc^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos CC=90°C=90° 时退化为勾股定理)
95托勒密定理圆内接四边形 ABCDABCDACBD=ABCD+BCADAC \cdot BD = AB \cdot CD + BC \cdot AD
96容斥原理i=1nAi=iAii<jAiAj++(1)n+1A1An\Bigl\lvert\bigcup_{i=1}^{n} A_i\Bigr\rvert = \displaystyle\sum_i \lvert A_i\rvert - \sum_{i<j} \lvert A_i \cap A_j\rvert + \cdots + (-1)^{n+1}\lvert A_1 \cap \cdots \cap A_n\rvert
97克拉默法则detA0\det A \neq 0Ax=bAx = b 的唯一解为 xi=detAidetAx_i = \dfrac{\det A_i}{\det A}AiA_i:以 bb 替换第 ii 列)
98伯特兰假设n1 \forall n \geq 1\ \exists 素数 ppn<p2nn < p \leq 2n(Chebyshev 证明)
99蒲丰投针针长 \ell \leq 平行线距 dd:针与线相交的概率 P=2πdP = \dfrac{2\ell}{\pi d}(由此可用投针估算 π\pi
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(\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos n\theta + i\sin n\theta 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

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