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伍鴻熙:向未來的教師傳授中小學(xué)數(shù)學(xué)

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數(shù)學(xué)家伍鴻熙長(zhǎng)期關(guān)注中小學(xué)數(shù)學(xué),他指出中小學(xué)數(shù)學(xué)并非大學(xué)數(shù)學(xué)的簡(jiǎn)化版,而是一門獨(dú)立的 “數(shù)學(xué)工程”,并提出應(yīng)向未來教師傳授貼合教學(xué)實(shí)際的基于原理的中小學(xué)數(shù)學(xué)(PBSM)。本文通過具體教學(xué)案例論證其與大學(xué)數(shù)學(xué)的本質(zhì)差異,為中小學(xué)數(shù)學(xué)教師的培養(yǎng)與教學(xué)實(shí)踐提供了一些思路。

撰文 | 伍鴻熙 (Hung-Hsi Wu)

翻譯 | 陸柱家

校對(duì) | 童欣

本文譯自:Eur. Math. Soc. Mag., 122 (2021), p.39-45, Teaching school mathematics to prospective teachers, Hung-Hsi Wu. Copyright ? the European Mathematical Society 2021. All rights reserved. Reprinted with permission. 感謝歐洲數(shù)學(xué)會(huì)授予譯文出版許可。
注:原譯文將 school mathematics 譯成“學(xué)校數(shù)學(xué)”,為了便于理解,這里統(tǒng)一將其改成了“中小學(xué)數(shù)學(xué)”。

摘要

什么樣的數(shù)學(xué)應(yīng)該教給未來的數(shù)學(xué)教師,一直是數(shù)學(xué)教育中的一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的問題。我們主張我們應(yīng)該準(zhǔn)確地教給他們,他們的工作所需要的:中小學(xué)數(shù)學(xué)。

01

引言

良好的中小學(xué)數(shù)學(xué)教育需要教師有淵博的數(shù)學(xué)知識(shí)。畢竟,一個(gè)人不能教他(她)所不知道的內(nèi)容。但是,至少在美國(guó),我們?nèi)匀粵]有確定我們應(yīng)該對(duì)未來的教師教什么樣的數(shù)學(xué),以使他們知識(shí)淵博[12]。

在一篇眾所周知的早在1990年的文章[1]中,Deborah Ball 報(bào)道了她對(duì)5所大學(xué)中的252位未來數(shù)學(xué)教師的候選人(217名小學(xué)教師和35名高中教師)的學(xué)科知識(shí)研究。該研究集

能夠選擇正確代表這種除法的問題。在一項(xiàng)較小的研究中,217名教師中的35名(25名小學(xué)和10名高中)被要求創(chuàng)建一個(gè)他們自己的應(yīng)用問題來正確表示這個(gè)除法。35位教師中只有4位(即11%)可以提供一個(gè)令人滿意的答案,所有這4位都是高中老師。Ball 與不打算從事教學(xué)工作的大學(xué)數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生(分別的)面談關(guān)于分?jǐn)?shù)除法的同一主題并未產(chǎn)生更好的結(jié)果。她的結(jié)論是,未來教師的學(xué)科準(zhǔn)備迫切需要我們認(rèn)真重新評(píng)估。

探究如何最好地幫助未來教師獲得教學(xué)所需的數(shù)學(xué)理解自然早于 Ball 的研究,至少可以追溯到20世紀(jì)初。在新數(shù)學(xué)階段的衰落時(shí)期1960年代,E.G. Begle 也思考了教師的學(xué)科知識(shí)和他們的學(xué)生成績(jī)之間可能的相關(guān)性。在他1972年對(duì)308名高中代數(shù)教師的研究[2]中,他沒有發(fā)現(xiàn)任何證據(jù)表明教師的數(shù)學(xué)訓(xùn)練數(shù)量會(huì)導(dǎo)致學(xué)生成績(jī)的提高。這一發(fā)現(xiàn)在1979年得到進(jìn)一步證實(shí)[3]。

自從 Begle 和 Ball 的工作以來的幾十年里,他們發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象變得愈加清晰。我們將首先

科,與我們?cè)诖髮W(xué)教授的數(shù)學(xué)不同,我們可以正確地看待這些數(shù)據(jù)。

02

分?jǐn)?shù)的除法:兩種觀點(diǎn)

我們將從兩個(gè)角度探討分?jǐn)?shù)除法的主題。首先,我們描述小學(xué)生需要知道的回答 Deborah Ball 的問題的知識(shí),其次,大學(xué)生在代數(shù)課程中關(guān)于分?jǐn)?shù)除法可以學(xué)到的內(nèi)容。由于篇幅所限,我們將只關(guān)注兩者之間的關(guān)鍵數(shù)學(xué)差異,而不涉及教學(xué)后果。

當(dāng)分?jǐn)?shù)除法的話題在小學(xué)高年級(jí)被提出時(shí),學(xué)生們面臨一個(gè)真正的概念挑戰(zhàn):分?jǐn)?shù)的概念比他們?cè)?jīng)遇到過的任何事物都具有更高程度的抽象,而除法的概念是關(guān)于分?jǐn)?shù)的4種算術(shù)運(yùn)算中最難以捉摸的。如果學(xué)生沒有被告知這些概念的確切含義,他們就無法克服任何一個(gè)障礙。亞利桑那州小學(xué)老師 Kyle Kirkman 說:

“我了解到精確的數(shù)學(xué)定義是至關(guān)重要的。如果缺乏精確性,學(xué)生將用出現(xiàn)在他們的范式中似乎符合想法的任何內(nèi)容填寫定義所缺失或模糊的內(nèi)容。并非所有數(shù)學(xué)本質(zhì)上都是直觀的,所以這肯定會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。[12,§4.2.4]”

不幸的是,中小學(xué)數(shù)學(xué)通常不給出分?jǐn)?shù)的一個(gè)精確定義,而是用模糊的隱喻向?qū)W生解釋分?jǐn)?shù),至少不是學(xué)生可以用以推理分?jǐn)?shù)的4種運(yùn)算。我們必須首先描述針對(duì)這種可悲情況的補(bǔ)救措施。我們將根據(jù)小學(xué)生感覺“真實(shí)”和“有形”的東西來定義分?jǐn)?shù),現(xiàn)在普遍接受的定義是所謂的數(shù)直線 (即數(shù)軸——小編注)上的一個(gè)點(diǎn)(見[9,§12.1-12.2]或[11,第1-18頁(yè)]),如下所示。我們假設(shè)我們可以判斷一條直線上的兩個(gè)線段(即閉區(qū)間)是否具有相等的長(zhǎng)度。數(shù)直線是一條水平線,其上的整數(shù) (本文中,凡(非零)整數(shù)皆指正整數(shù)。——譯注) 已被標(biāo)識(shí)為點(diǎn),因此數(shù)字1,2,3,...相繼放置在0的右側(cè),線段[0,1],[1,2],[2,3],...都具有相同的長(zhǎng)度(圖1)。分母等于(例如)5的分?jǐn)?shù)由整數(shù)和分點(diǎn)組成:每個(gè)線段[0,1],[1,2],[2,3],..被劃分為5個(gè)相等的部分,即5個(gè)相等長(zhǎng)度的線段(圖2)。我們稱這個(gè)序列是1/5序











最后一個(gè)等式是例行計(jì)算。

我們現(xiàn)在已經(jīng)做了足夠的工作來展示學(xué)校老師對(duì)小學(xué)生正確地教分?jǐn)?shù)除法所需要的最少的數(shù)學(xué)知識(shí)。我們?cè)俅沃赋觯@最低限度的知識(shí)通常并不是小學(xué)生在學(xué)校里被教授的。盡管如此,現(xiàn)在是時(shí)候討論 Ball 1990年文章中關(guān)于為什么大學(xué)數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生也可能不具備此類知識(shí)的問題了。我們?cè)谙旅娴挠懻撝袑⒅荒芴峁┳詈?jiǎn)單的大綱。

一門關(guān)于抽象代數(shù)的大學(xué)課程,它包括數(shù)學(xué)上定義分?jǐn)?shù)的正確方法,本質(zhì)上是對(duì)學(xué)生第一次介紹抽象數(shù)學(xué)。這樣一門課程的主要目的是引導(dǎo)學(xué)生在所謂的抽象數(shù)學(xué)的新環(huán)境中邁出第一步。因而這些課程不懈強(qiáng)調(diào)的是正確的定義和證明,以及通過使用邏輯將所有復(fù)雜的數(shù)學(xué)現(xiàn)象簡(jiǎn)化為最基本的要素。對(duì)于手頭的情況,讓我們把自己放在學(xué)生已經(jīng)擁有整數(shù)集





是,等式(1)是中小學(xué)數(shù)學(xué)中的一個(gè)定理,而同樣的陳述(5)僅僅是大學(xué)數(shù)學(xué)中的一個(gè)定義。

我們現(xiàn)在可以解釋為什么大學(xué)數(shù)學(xué)專業(yè)學(xué)生通常無法向小學(xué)生解釋如何將兩個(gè)分?jǐn)?shù)相乘。首先,這些數(shù)學(xué)專業(yè)學(xué)生的大多數(shù)(如果不是全部的話)在他們自己上小學(xué)時(shí)都沒有獲得這種知識(shí)[16]。更重要的是,他們?cè)诖髮W(xué)數(shù)學(xué)課程中學(xué)到的分?jǐn)?shù)是關(guān)于有理數(shù)集作為一個(gè)域的抽象結(jié)構(gòu),而不是關(guān)于分?jǐn)?shù)與日常經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系。所以,并不是大學(xué)數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生都不懂分?jǐn)?shù),但他們對(duì)分?jǐn)?shù)的理解并非是小學(xué)生所顧慮的。就乘法是除法的基礎(chǔ)而言,同樣的評(píng)論將適用于分?jǐn)?shù)除法的中小學(xué)數(shù)學(xué),正如我們現(xiàn)在所展示的。

作為大學(xué)數(shù)學(xué)使命的一部分,約簡(jiǎn)所有現(xiàn)象到基本要素,中小學(xué)數(shù)學(xué)中的4個(gè)算術(shù)運(yùn)算減少



從抽象數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來看,"除法"只是處于正確位置的乘法。數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生此時(shí)通常會(huì)忙于探索新的代數(shù)結(jié)構(gòu)(群,域,環(huán)等),而根本不顧及任何除法或其在現(xiàn)實(shí)生活中的影響帶來的任何困惑。如果他們不能幫助小學(xué)生克服"我們的問題不是推理,只是倒置和乘帶來的任何困惑。如果他們不能幫助小學(xué)生克服"我們的問題不是推理,只是倒置和乘法"這樣的恐懼,這不是再次——因?yàn)樗麄冎赖谋葘W(xué)校老師少,而是因?yàn)樗麄冎酪恍┎煌谛W(xué)生所關(guān)心的事情。

03

什么是中小學(xué)數(shù)學(xué)?

通過一個(gè)小話題分?jǐn)?shù)除法我們可以看到所謂的大學(xué)數(shù)學(xué)(university mathematics)(大學(xué)教授的數(shù)學(xué),是為了讓學(xué)生做好研究數(shù)學(xué)的準(zhǔn)備)和中小學(xué)數(shù)學(xué)(school mathematics)(在K-12學(xué)校教授的數(shù)學(xué))之間關(guān)鍵的差別。前者的一個(gè)主要目標(biāo)是向?qū)W生介紹抽象數(shù)學(xué),主要強(qiáng)調(diào)的是邏輯完整性,并利用抽象來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。不管這做得多么溫和,但也太嚴(yán)格、太復(fù)雜而不適合在學(xué)校使用。主要來自觸覺體驗(yàn)世界的學(xué)校學(xué)生需要一座橋梁來幫助他們過渡到抽象世界。中小學(xué)數(shù)學(xué)是那座橋,它應(yīng)該被認(rèn)為是一門獨(dú)立的學(xué)科,致力于定制大學(xué)數(shù)學(xué)以滿足學(xué)生的需求,就像化學(xué)工程是定制抽象化學(xué)原理以滿足人類需求的學(xué)科一樣。從這個(gè)意義上說,中小學(xué)數(shù)學(xué)是數(shù)學(xué)工程[7]

但是,有好的工程,也有糟糕的工程。好的工程總是遵守與其相關(guān)的科學(xué)學(xué)科的基本原理——例如,機(jī)械工程不從事設(shè)計(jì)永動(dòng)機(jī)——但糟糕的工程可能會(huì)做相反的事情。就數(shù)學(xué)而言,至少在美國(guó)糟糕的數(shù)學(xué)工程已經(jīng)工作了很長(zhǎng)時(shí)間;它產(chǎn)生的中小學(xué)數(shù)學(xué)似乎是對(duì)數(shù)學(xué)基本原理的嘲弄[16]。但在繼續(xù)之前,讓我們陳述數(shù)學(xué)基本原理的一個(gè)版本[8]

(i)明確的定義(Clear definitions):精確定義了每個(gè)概念,以便用于推理。

(ii)邏輯推理(Logical reasoning):每個(gè)斷言都得到以下推理的支持:解釋為什么它是真的。(據(jù)了解,在少數(shù)特殊情形,如代數(shù)基本定理,可以推遲推理。)

(iii)準(zhǔn)確的語言(Precise language):在真假之間的區(qū)別是絕對(duì)的學(xué)科中,沒有歧義的容身之地。

(iv)連貫性(Coherence):概念和技能不是零散的和碎片,它們是一個(gè)連貫整體的一部分。

(v)目的性(Purposefulness):每個(gè)概念或技能都是有目的的。

在前面關(guān)于分?jǐn)?shù)除法的討論中,我們已經(jīng)看到了它們的全部作用。因此,分?jǐn)?shù)、分?jǐn)?shù)乘法和分?jǐn)?shù)除法都被精確定義,使得利用推理來解釋公式(5)和(6)成為可能。中小學(xué)數(shù)學(xué)

從分?jǐn)?shù)的定義以及整數(shù)乘法的定義演變而來的。我們還展示了分?jǐn)?shù)除法的定義是以整數(shù)除法的定義為模型的。最后,雖然分?jǐn)?shù)乘法和除法概念的目的非常明顯,但還有許多其他概念或技能在學(xué)校課程中的存在并沒有得到很好的解釋,例如,為什么學(xué)習(xí)如何四舍五入

到最接近的十或最接近的千(見[9,第10章]),為什么取實(shí)數(shù)的絕對(duì)值(見[15,第130-131頁(yè)和[14,第120, 123頁(yè)])等。另請(qǐng)參閱下面對(duì)斜率(slope)的討論。

我們將參考遵循數(shù)學(xué)基本原理作為PBSM(Principles-Based School Mathematics(基于原理的中小學(xué)數(shù)學(xué));見[5])的中小學(xué)數(shù)學(xué)。

我們現(xiàn)在有了必要的工具來重新審視教師的數(shù)學(xué)教育問題,這個(gè)問題由 Begle, Ball 和其他人發(fā)現(xiàn),但他們并未給以確切表達(dá)。在我們的語言中,他們的信息是,要培養(yǎng)出具有數(shù)學(xué)知識(shí)的教師,我們必須教授他們 PBSM,而不是大學(xué)數(shù)學(xué)。這是因?yàn)橹行W(xué)數(shù)學(xué)和大學(xué)數(shù)學(xué)是相關(guān)但本質(zhì)上不同的學(xué)科,因此了解大學(xué)數(shù)學(xué)并不意味著了解 PBSM。我們用一個(gè)小話題——分?jǐn)?shù)除法——強(qiáng)調(diào)了他們的不同之處,但是還有很多其他這樣的例子。讓我們簡(jiǎn)要地看另外兩個(gè)附加的例子以進(jìn)一步為我們所說的理由辯護(hù):一條直線斜率的概念,以及學(xué)校幾何課程的廣泛?jiǎn)栴}。類似的例子貫穿了6本書(見[9-11,13-15])。

首先,考慮中小學(xué)數(shù)學(xué)如何處理"斜率"。典型的出發(fā)點(diǎn)是讓學(xué)生保留他們?cè)?Euclid(歐幾里得)幾何中對(duì)直線的幼稚概念,并根據(jù)這種幼稚的概念定義斜率。這樣,在坐標(biāo)平面





最后,關(guān)于學(xué)校幾何課程的一些評(píng)論。這個(gè)課程有需要糾正的明顯缺陷。我們已經(jīng)提出了相似三角形教學(xué)與斜率教學(xué)相協(xié)調(diào)的必要性;這種需求通常得不到滿足。還需要解釋全等(congruence)和相似(similarity)的概念,因?yàn)樗鼈兒茏匀坏爻霈F(xiàn)在日常生活中。但是,學(xué)校課程在Euclidean幾何課程中通常只教授三角形(triangle)全等和相似,而從不教授一般幾何圖形的全等和相似。這不僅是通識(shí)教育的缺陷,而且對(duì)中小學(xué)數(shù)學(xué)課程本身也是有害的,因?yàn)閽佄锞€的全等和相似的一般知識(shí)將很好地闡明二次方程和函數(shù)的主題(見[13,§2.1和§2.2])。最后但并非最不重要的,Euclidean幾何課程通常被炫耀作為學(xué)校教育的皇冠上的明珠,它教學(xué)生如何在公理的基礎(chǔ)上利用邏輯嚴(yán)格地證明一切。我們?cè)皆缦龑W(xué)校學(xué)生的這種錯(cuò)覺越好!的確,從Hilbert(希爾伯特,1862-1943)的工作開始,我們就知道Euclidean幾何的公理系統(tǒng)異常微妙,其內(nèi)部運(yùn)作并不適合學(xué)校學(xué)生的教育(見Hartshorne(哈茨霍恩)著作[4]的前幾章;即使是大學(xué)數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生也會(huì)付出沉重的代價(jià))。中小學(xué)數(shù)學(xué)教育應(yīng)該遠(yuǎn)離關(guān)于Euclidean幾何公理系統(tǒng)這種編造,而是嘗試引入相當(dāng)多的冗余假設(shè)進(jìn)入Euclidean幾何,以盡量減少學(xué)生一開始證明許多無聊、明顯且難以證明的定理。比較[15,第4-5章]和[13,第6-8章]。

不用說,大學(xué)數(shù)學(xué)的任何部分都不會(huì)在高中幾何的演示中解決這些問題。這里需要嚴(yán)肅的數(shù)學(xué)工程,使平面幾何真正為高中生所用。

04

一個(gè)存在性證明

到目前為止,我們一直主張有必要對(duì)未來的教師教授 PBSM。隱含的假設(shè)是 PBSM 總是一直在身邊,并準(zhǔn)備好接受。這是所做的一個(gè)令人愉快的假設(shè),甚至是一個(gè)可以相信的更令人愉快的假設(shè)。然而清醒地意識(shí)到,世界上各種有缺陷的中小學(xué)數(shù)學(xué)很可能永遠(yuǎn)無法定制大學(xué)數(shù)學(xué)在不違反一項(xiàng)或多項(xiàng)數(shù)學(xué)基本原理的情況下供學(xué)校學(xué)生使用。Alan Schoenfeld (舍恩菲爾德) 似乎是教育工作者中第一個(gè)在 1994 年承認(rèn),盡管他認(rèn)為應(yīng)該存在類似 PBSM 的東西,但目前還沒有書面證據(jù)證明確實(shí)如此[6]。我們可以在 2021 年報(bào)告,這個(gè)假設(shè)不再是一個(gè)假設(shè):確實(shí)存在中小學(xué)數(shù)學(xué)的 PBSM 的完整闡述。它在 6本書中進(jìn)行了描述: [9, 11]適合 K-5 年級(jí)教師,[10, 11]適合 6-8 年級(jí)教師,[13-15]適合 9-12 年級(jí)教師。

我們可以解釋對(duì) PBSM 13 年的完整闡述這樣的必要性。已經(jīng)有一些文章和書籍證明了在中小學(xué)數(shù)學(xué)中將推理引入一兩個(gè)特定主題的可能性,但如此小規(guī)模的討論無法揭示數(shù)學(xué)基本原理的本質(zhì)。例如,為了讓教師了解精確定義的必要性,我們不能只向他們展示一些關(guān)鍵主題的 PBSM,因?yàn)榻處熜枰谥行W(xué)數(shù)學(xué)的各個(gè)方面體驗(yàn)這種需求,包括最普通概念的定義,例如百分率,比,速度,方程,變量,角度,不等式圖像等. 考慮連貫性問題: 當(dāng)通過顯微鏡觀察中小學(xué)數(shù)學(xué)時(shí),它通常是不可見的,例如關(guān)注分?jǐn)?shù)加法或分?jǐn)?shù)除法. 但是當(dāng)分?jǐn)?shù)的主題被作為一個(gè)整體來考慮時(shí),那么等價(jià)分?jǐn)?shù)定理將分?jǐn)?shù)的所有不同部分一起變得有些令人嘆為觀止 (見[11, 第 28-86 頁(yè)])。在稍大一點(diǎn)的規(guī)模上,當(dāng)除法的概念被證明在整數(shù),分?jǐn)?shù),有理數(shù)和實(shí)數(shù)上都是相同的時(shí),人們也可以看到工作的連貫性[9]。我們應(yīng)該補(bǔ)充的是,如果沒有對(duì)中小學(xué)數(shù)學(xué)的這種縱向概述,學(xué)校幾何課程的缺陷可能就不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

6 本書對(duì) PBSM 的闡述,除了為學(xué)生的中小學(xué)數(shù)學(xué)課本提供基礎(chǔ)之外,還詳細(xì)展示了我們?nèi)绾螢榻處熖峁└玫臄?shù)學(xué)教育。在美國(guó),對(duì)教師的教學(xué)分為 3 個(gè)年級(jí)段: 小學(xué)(K-5 年級(jí)),初中(6-8 年級(jí))和高中(9-12 年級(jí))。如上所述,所說到的 6 本書中編寫時(shí)考慮到了這些年級(jí),因此,總的來說,他們現(xiàn)在對(duì)由 Begle, Ball 等人隱含地提出的原始問題提供了一個(gè)答案,即我們應(yīng)該教老師什么樣的數(shù)學(xué)? (在[15, 第 xxi 頁(yè)]給出了對(duì)這個(gè)問題更詳細(xì)的答案。) 毋庸置疑,中小學(xué)數(shù)學(xué)課程現(xiàn)在不是——也永遠(yuǎn)不會(huì)是——都一樣,但盡管如此,我們希望這樣一個(gè)完整的 PBSM 闡述將有助于更好的中小學(xué)數(shù)學(xué)教育,因?yàn)榻逃ぷ髡邿o需執(zhí)行必要的數(shù)學(xué)工程?,F(xiàn)在應(yīng)該相對(duì)容易地自由修改現(xiàn)有模型[9-11, 13-15],以滿足不同的需求。

致謝(略)

參考文獻(xiàn)

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[9] H. Wu, Understanding Numbers in Elementary School Mathematics. American Mathematical Society, Providence(2011). 有中譯本,中譯本書名《數(shù)學(xué)家講解小學(xué)數(shù)學(xué)》,趙潔、林開亮譯,北京大學(xué)出版社.

[10] H. Wu, Teaching School Mathematics: Algebra. American Mathematical Society, Providence(2016). 有中譯本,中譯本書名《數(shù)學(xué)家講解中學(xué)數(shù)學(xué)——代數(shù)》,程曉亮、車明剛、鄭晨譯,北京大學(xué)出版社.

[11] H. Wu, Teaching School Mathematics: Pre-Algebra. American Mathematical Society, Providence(2016)

[12] H. Wu, The content knowledge mathematics teachers need. In Mathematics Matters in Education, edited by Y. Li, W. J. Lewis and J. Madden, Springer, Cham, 43-91, https://math.berkeley.edu/~wu/Contentknowledge1A.pdf(2018)

[13] H. Wu, Algebra and Geometry. American Mathematical Society, Providence(2020)

[14] H. Wu, Pre-Calculus, Calculus, and Beyond. American Mathematical Society, Providence(2020)

[15] H. Wu, Rational Numbers to Linear Equations. American Mathematical Society, Providence(2020)

[16] H. Wu, Learnable and unlearnable school mathematics. https://math.berkeley.edu/~wu/AE2020A.pdf(2021)

本文原載于《數(shù)學(xué)譯林》, 2022, 41(3)。

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