Wiskunde in vergelijking met natuur-wetenschap

Natuurwetenschap zoekt naar fysieke wetmatigheden. Een fysieke wet wordt beschreven met een theorie. Deze theorie is niet de werkzame wet zelf, maar een abstracte weergave of benadering, een wiskundig model van de werkelijkheid. De werkelijkheid is het resultaat van een of meer potente natuurwetten. De onwaarheid van een fysische theorie is eenvoudiger aan te tonen, dan de waarheid ervan. Een nog niet gevestigde theorie wordt hypothese genoemd. Bewijsvoering van een natuurwetenschappelijke hypothese en vorming, bevestiging en uitleg van een natuurwetenschappelijke theorie maakt gebruik het experiment. Deze werkwijze berust op de aanname dat de goddelijke wil(lekeur) een wet niet beïnvloedt. Gebeurt dat toch, dan spreekt men van een wonder. Zo zou in beginsel een medisch wonder plaats kunnen vinden dankzij goddelijke tussenkomst, bijvoorbeeld naar aanleiding van gebeden. Natuurwetenschappelijk onderzoek houdt zich hier echter niet mee bezig. Natuurwetenschap veronderstelt dat de fysieke werkelijkheid consistent is, dat wil zeggen dat men geen uitzonderingen op fysieke wetmatigheden verwacht. Waarnemingen, die in strijd zijn met een theorie, tasten de betrouwbaarheid van die theorie aan en leiden tot verwerping ervan. Men vertrouwd erop dat de waarheid (de objectieve theorie van een werkende wet) zichzelf niet tegenspreekt. Een natuurwetenschappelijke theorie is een geestelijk product, gekoppeld aan een fysieke wetmatigheid.

Wiskunde is natuurwetenschappelijk gezien een hulpwetenschap. Deze essentiële functie vervult de wiskunde dankzij haar zelfstandige positie ten opzichte van de natuurwetenschappen. Wiskunde is namelijk zelf geen natuurwetenschap, maar een geesteswetenschap, opgebouwd uit mentale constructies van begrippen, zoals punt, lijn vlak en getal, die als zodanig niet in de fysieke werkelijkheid te vinden zijn. De consistentie van een wiskundige theorie (een mentale constructie) kan dan ook niet met experimenten en voorbeelden worden bewezen. Een wiskundige theorie, zoals de euclidische meetkunde, bestaat uit onderling samenhangende stellingen. Een stelling is een verband van begrippen. De waarheid van een stelling wordt geleverd door een wiskundig bewijs, dat de betreffende stelling herleid tot zogenoemde grondstellingen (axioma's of postulaten) van die theorie. De theorie wordt beschouwd als inconsistent, als een van de stellingen zichzelf of een andere tegenspreekt. De waarheid van een theorie ligt in het ontbreken van tegenspraak binnen en tussen de stellingen.

Terwijl een fysische theorie via het experiment rekent op consistentie van de fysieke werkelijkheid, wordt de waarheid van de wiskundige theorie rechtstreeks direct getoetst aan de consistentie van de theorie zelf. De fysieke werkelijkheid wordt niet door de mens gemaakt. We verwachten dan ook dat ze consistent is, dat wil zeggen zich houden aan zijn eigen (spel)regels. De wiskunde is menswerk met de beperkingen, die dat met zich meebrengt. Controle van de wiskundige consistentie van zijn eigen geestelijke werk ligt daarom in de handen van de mens zelf en niet in experimentele raadpleging van de natuur.

De hypothese van de uitgesloten derde

De wiskunde beschikt over een bewijsmiddel, dat in de natuurwetenschap ontbreekt. Ik doel hiermee op de 'reductio ad absurdum', waarvan het gebruik door het intuïtionisme wordt gewantrouwd. Zie Brouwer en Heyting, die van een bewijs eisen, dat het uitsluitend constructief is en niet destructief. Het intuïtionisme en constructivisme verwerpen de hypothese van de uitgesloten derde mogelijkheid naast ware en onware uitspraken. De genoemde denkers achten het met name mogelijk dat niet elke uitspraken bewijsbaar is.

De reductio ad absurdum is een oud-griekse vinding, die uitgaat van het tegendeel van een te bewijzen hypothese. Voert deze aanname tot een tegenspraak, dan is de oorspronkelijke hypothese bewezen, omdat men aanneemt dat een derde mogelijkheid naast waar en vals uitgesloten is. De aantrekkelijkheid van deze bewijsmethode ligt erin dat twijfel, die zou kunnen blijven hangen bij het uitblijven van tegenspraak bij een constructief bewijs, wordt uitgebannen. De vraag is of deze bewijsmethode boven elke twijfel verheven is.

Tegenspraak en consistentie

Stellingen van verschillende, op zich consistente theorieën kunnen elkaar tegenspreken. Een voorbeeld hiervan is de hoekensom van een driehoek in de elliptische, parabolische en hyperbolische meetkunde:
De eerste theorie:   De som is minder dan een gestrekte hoek.
De tweede theorie: De som is een gestrekte hoek.
De derde theorie: De som is meer dan een gestrekte hoek.

Een ander voorbeeld zijn de elliptische (A), parabolische (B) en hyperbolische (C) grondstellingen (postulaten) (*):

A. Parallel aan lijn p zijn er geen lijnen, incident met een willekeurig punt P.
B. Parallel aan lijn p is er 1 lijn, incident met een willekeurig punt P.
C. Parallel aan lijn p zijn er 2 lijnen, incident met een willekeurig punt P.

Het heeft veel tijd en inspanning gevergd, voordat de mens inzag dat elkaar tegensprekende stellingen afkomstig kunnen zijn van op zichzelf consistente theorieën van verschillende vormen van meetkunde.

(*) De namen elliptische, parabolisch en hyperbolisch verwijzen naar de getallen 0, 1 en 2. Afgezien van imaginaire punten heeft de  hyperbool namelijk met de absolute lijn 2 punten gemeen; de parabool raakt met 1 punt aan de absolute lijn en de ellips heeft met de absolute lijn geen enkel gemeenschappelijk punt.

Wiskunde, taal en logica

Wiskunde maakt gebruik van logica en gewone omgangstaal om tegenspraak binnen een stelling en tussen stellingen vast te stellen. Met de willekeur van de omgangstaal sluipt verwarring binnen in een redenatie. Het Nederlands bijvoorbeeld heeft dankzij Simon Stevin als geen ander Europees land een tweede woord voor parallel, namelijk "evenwijdig". Dit woord verwijst eigenlijk niet naar een postulaat, maar doet meer een beroep op intuïtie en voorstelling en is als gevolg daarvan onbruikbaar voor de hyperbolische en elliptische meetkunde.

Als tweede voorbeeld gebruik ik drie weergaven (B, C en D) van het parabolische (euclidische) parallellenpostulaat:

A. Twee niet-parallelle lijnen snijden elkaar in 1 punt.
B. Twee parallelle lijnen snijden elkaar niet. Ze hebben geen gemeenschappelijk punt.
C. Twee parallelle lijnen snijden elkaar in het oneindige.
  Ze hebben 1 gemeenschappelijk oneigenlijk punt.
D. Twee parallelle lijnen hebben 1 gemeenschappelijke richting.
E. Twee lijnen zijn incident met 1 punt òf 1 richting.


Deze vijf grondstellingen lijken onderling verschillend en deels ook tegenstrijdig. Toch zijn ze wiskundig gezien met elkaar in harmonie. Zie hiervoor het begrip richting. Het zijn de taal en logica, die hier verwarring kunnen zaaien. Het trekken van conclusies wordt sterk beïnvloed door het taalgebruik. Vergelijk maar eens weergave (B) met (D), die verenigd worden in (E). Wie onbekend is met het feit dat de richting van een lijn een (grens)punt is, zal zich niet realiseren dat de 5 versies duale vormen zijn van het eerste euclidische incidentiepostulaat: "Twee punten zijn incident met 1 lijn". In de hyperbolische theorie heeft elke lijn twee richtingen, die elk gedeeld worden met een waaier van parallelle lijnen. De elliptische theorie kent parallelle lijnen noch gelijke richting. Elk paar lijnen heeft daarin een snijpunt. Taal en logica zijn kortom onmisbare, maar ook onbetrouwbare hulpmiddelen voor de wiskunde. Volgens Brouwer staat de wiskunde op eigen benen en rust op het fundament van de tijds-intuïtie (telgetal en besef van volgorde) en niet op taal of logica, zoals het formalisme dat veronderstelt. Brouwer en Heyting zoeken het geometrisch fundament via de analytische meetkunde in het telgetal en de rekenkunde. Het intuïtionisme geeft punt, lijn en vlak geen zelfstandige wiskundige betekenis. Les 1 van Wonderlijke Wiskunde doet dat wel en begint met een wiskundig veelgebruikte begrip: oneindig. Dit levert het punt als oneindig kleine cirkel of bol, de lijn als oneindig grote cirkel en het vlak als oneindig grote bol. Elke gesloten figuur in plaats van cirkel en bol voldoet hier. Deze 3 ruimtelijke elementen laten zich als grensvormen duiden. Pas in les 5 en 7 worden de liniaal en het coördinatenstelsel geënt op het telgetal in de harmonische constructievolgorde. Deze meetkundige uitbreiding op het intuïtionisme noem ik bij gebrek aan een betere naam voorlopig "infinitisme".

De drie genoemde wiskundige theorieën geven aan het woord "lijn" een verschillende betekenis. Dat roept uiteraard vragen op, die het formalisme denkt te kunnen negeren door te stellen dat de gebruikte begrippen en woorden "inhoudsloos" mogen zijn. David Hilbert dacht zich dit te kunnen veroorloven met een volledig uitgekristalliseerd stelsel van theorieën. Bij de ontwikkeling van een wiskundige tak heb je natuurlijk niks aan zo'n formalisme. Je onderzoekt dan zorgvuldig de gebruikte begrippen en ontwikkelt zo nodig nieuwe begripsinhouden. Felix Klein kon Hilberts formalisme daarom beslist niet waarderen. Maar ook didactisch gezien is het niet aangenaam werken met inhoudsloze woorden. Het formalisme maakt op mij dan ook de indruk van een wiskundig fetisjisme, dat begrip en gedachte  inruilt voor woord en symbool. Een zwaktebod, een roekeloze ruil van iets wat levend en beweeglijk is voor iets wat star en doods is.

Het heeft veel tijd en moeite gevergd, voordat men begreep dat verschillende meetkundige theorieën elkaar niet uitsluiten, maar juist bestaansrecht verlenen. De ene theorie kan namelijk de andere worden "gemodelleerd". Twee voorbeelden hiervan zijn de euclidische modellen van Klein en Poincaré voor de hyperbolische theorie. Het bestaan van zulke modellen verbindt de theorieën aan elkaar. Middels een model bevestigt de waarheid (consistentie en existentie) van de ene die van de andere. Daarom zijn de elliptische, parabolische en hyperbolische meetkunde elkaars lotgenoten.

DJA, 12 maart 2022