數(shù)學(xué)的三大核心領(lǐng)域之分支學(xué)科的歷史發(fā)展

數(shù)學(xué)的三大核心領(lǐng)域之分支學(xué)科的歷史發(fā)展

　　數(shù)學(xué)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)成為科學(xué)世界中擁有100多個(gè)主要分支學(xué)科的龐大的“共和國(guó)”。大體說來，數(shù)學(xué)中研究數(shù)的部分屬于代數(shù)學(xué)的范疇；研究形的部分，屬于幾何學(xué)的范籌；溝通形與數(shù)且涉及極限運(yùn)算的部分，屬于分析學(xué)的范圍。這三大類數(shù)學(xué)構(gòu)成了整個(gè)數(shù)學(xué)的本體與核心。在這一核心的周圍，由于數(shù)學(xué)通過數(shù)與形這兩個(gè)概念，與其它科學(xué)互相滲透，而出現(xiàn)了許多邊緣學(xué)科和交*學(xué)科。本章簡(jiǎn)要介紹數(shù)學(xué)三大核心領(lǐng)域中十幾門主要分支學(xué)科的有關(guān)歷史發(fā)展情況。

　　1、算術(shù)

　　算術(shù)有兩種含義，一種是從中國(guó)傳下來的，相當(dāng)于一般所說的“數(shù)學(xué)”，如《九章算術(shù)》等。另一種是從歐洲數(shù)學(xué)翻譯過來的，源自希臘語(yǔ)，有“計(jì)算技術(shù)”之意�，F(xiàn)在一般所說的“算術(shù)”，往往指自然數(shù)的四則運(yùn)算；如果是在高等數(shù)學(xué)中，則有“數(shù)論”的含義。作為現(xiàn)代小學(xué)課程內(nèi)容的算術(shù)，主要講的是自然數(shù)、正分?jǐn)?shù)以及它們的四則運(yùn)算，并通過由計(jì)數(shù)和度量而引起的一些最簡(jiǎn)單的應(yīng)用題加以鞏固。

　　算術(shù)是數(shù)學(xué)中最古老的一個(gè)分支，它的一些結(jié)論是在長(zhǎng)達(dá)數(shù)千年的時(shí)間里，緩慢而逐漸地建立起來的。它們反映了在許多世紀(jì)中積累起來，并不斷凝固在人們意識(shí)中的經(jīng)驗(yàn)。

　　自然數(shù)是在對(duì)于對(duì)象的有限集合進(jìn)行計(jì)算的過程中，產(chǎn)生的抽象概念。日常生活中要求人們不僅要計(jì)算單個(gè)的對(duì)象，還要計(jì)算各種量，例如長(zhǎng)度、重量和時(shí)間。為了滿足這些簡(jiǎn)單的量度需要，就要用到分?jǐn)?shù)。

　　現(xiàn)代初等算術(shù)運(yùn)算方法的發(fā)展，起源于印度，時(shí)間可能在10世紀(jì)或11世紀(jì)。它后來被阿拉伯人采用，之后傳到西歐。15世紀(jì)，它被改造成現(xiàn)在的形式。在印度算術(shù)的后面，明顯地存在著我國(guó)古代的影響。

　　19世紀(jì)中葉，格拉斯曼第一次成功地挑選出一個(gè)基本公理體系，來定義加法與乘法運(yùn)算；而算術(shù)的其它命題，可以作為邏輯的結(jié)果，從這一體系中被推導(dǎo)出來。后來，皮亞諾進(jìn)一步完善了格拉斯曼的體系。

　　算術(shù)的基本概念和邏輯推論法則，以人類的實(shí)踐活動(dòng)為基礎(chǔ)，深刻地反映了世界的客觀規(guī)律性。盡管它是高度抽象的，但由于它概括的原始材料是如此廣泛，因此我們幾乎離不開它。同時(shí)，它又構(gòu)成了數(shù)學(xué)其它分支的最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　2、初等代數(shù)

　　作為中學(xué)數(shù)學(xué)課程主要內(nèi)容的初等代數(shù)，其中心內(nèi)容是方程理論。代數(shù)一詞的拉丁文原意是“歸位”。代數(shù)方程理論在初等代數(shù)中是由一元一次方程向兩個(gè)方面擴(kuò)展的：其一是增加未知數(shù)的個(gè)數(shù)，考察由有幾個(gè)未知數(shù)的若干個(gè)方程所構(gòu)成的二元或三元方程組(主要是一次方程組)；其二是增高未知量的次數(shù)，考察一元二次方程或準(zhǔn)二次方程。初等代數(shù)的主要內(nèi)容在16世紀(jì)便已基本上發(fā)展完備了。

　　古巴比倫(公元前19世紀(jì)～前17世紀(jì))解決了一次和二次方程問題，歐幾里得的《原本》(公元前4世紀(jì))中就有用幾何形式解二次方程的方法。我國(guó)的《九章算術(shù)》(公元1世紀(jì))中有三次方程和一次聯(lián)立方程組的解法，并運(yùn)用了負(fù)數(shù)。3世紀(jì)的丟番圖用有理數(shù)求一次、二次不定方程的解。13世紀(jì)我國(guó)出現(xiàn)的天元術(shù)(李冶《測(cè)圓海鏡》)是有關(guān)一元高次方程的數(shù)值解法。16世紀(jì)意大利數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)了三次和四次方程的解法。

　　代數(shù)學(xué)符號(hào)發(fā)展的歷史，可分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段為三世紀(jì)之前，對(duì)問題的解不用縮寫和符號(hào)，而是寫成一篇論文，稱為文字?jǐn)⑹龃鷶?shù)。第二個(gè)階段為三世紀(jì)至16世紀(jì)，對(duì)某些較常出現(xiàn)的量和運(yùn)算采用了縮寫的方法，稱為簡(jiǎn)化代數(shù)。三世紀(jì)的丟番圖的杰出貢獻(xiàn)之一，就是把希臘代數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化，開創(chuàng)了簡(jiǎn)化代數(shù)。然而此后文字?jǐn)⑹龃鷶?shù)，在除了印度以外的世界其它地方，還十分普通地存在了好幾百年，尤其在西歐一直到15世紀(jì)。第三個(gè)階段為16世紀(jì)以后，對(duì)問題的解多半表現(xiàn)為由符號(hào)組成的數(shù)學(xué)速記，這些符號(hào)與所表現(xiàn)的內(nèi)容沒有什么明顯的聯(lián)系，稱為符號(hào)代數(shù)。16世紀(jì)韋達(dá)的名著《分析方法入門》，對(duì)符號(hào)代數(shù)的發(fā)展有不少貢獻(xiàn)。16世紀(jì)末，維葉特開創(chuàng)符號(hào)代數(shù)，經(jīng)笛卡爾改進(jìn)后成為現(xiàn)代的形式。

　　“＋”、“－”號(hào)第一次在數(shù)學(xué)書中出現(xiàn)，是1489年魏德曼的著作。不過正式為大家所公認(rèn)，作為加、減法運(yùn)算的符號(hào)，那是從1514年由荷伊克開始的。1540年，雷科德開始使用現(xiàn)在使用“＝”。到1591年，韋達(dá)在著作中大量使用后，才逐漸為人們所接受。1600年哈里奧特創(chuàng)用大于號(hào)“＞”和小于號(hào)“＜”。1631年，奧屈特給出“×”、“÷”作為乘除運(yùn)算符。1637年，笛卡爾第一次使用了根號(hào)，并引進(jìn)用字母表中頭前的字母表示已知數(shù)、后面的字母表示未知數(shù)的習(xí)慣做法。至于“≮”、“≯”、“≠”這三個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)，那是近代的事了。

　　數(shù)的概念的拓廣，在歷史上并不全是由解代數(shù)方程所引起的，但習(xí)慣上仍把它放在初等代數(shù)里，以求與這門課程的安排相一致。公元前4世紀(jì)，古希臘人發(fā)現(xiàn)無理數(shù)。公元前2世紀(jì)(西漢時(shí)期)，我國(guó)開始應(yīng)用負(fù)數(shù)。1545年，意大利的卡爾達(dá)諾開始使用虛數(shù)。1614年，英國(guó)的耐普爾發(fā)明對(duì)數(shù)。17世紀(jì)末，一般的實(shí)數(shù)指數(shù)概念才逐步形成。

　　3、高等代數(shù)

　　在高等代數(shù)中，一次方程組（即線性方程組）發(fā)展成為線性代數(shù)理論；而—、二次方程發(fā)展成為多項(xiàng)式理論。前者是向量空間、線性變換、型論、不變量論和張量代數(shù)等內(nèi)容的一門近世代數(shù)分支學(xué)科，而后者是研究只含有一個(gè)未知量的任意次方程的一門近世代數(shù)分支學(xué)科。作為大學(xué)課程的高等代數(shù)，只研究它們的基礎(chǔ)。

　　1683年關(guān)孝和(日本人)最早引入行列式概念。關(guān)于行列式理論最系統(tǒng)的論述，則是雅可比1841年的《論行列式的形成與性質(zhì)》一書。在邏輯上，矩陣的概念先于行列式的概念；而在歷史上，次序正相反。凱雷在1855年引入了矩陣的概念，在1858年發(fā)表了關(guān)于這個(gè)課題的第一篇重要文章《矩陣論的研究報(bào)告》。

　　19世紀(jì)，行列式和矩陣受到人們極大的關(guān)注，出現(xiàn)了千余篇關(guān)于這兩個(gè)課題的文章。但是，它們?cè)跀?shù)學(xué)上并不是大的改革，而是速記的一種表達(dá)式。不過已經(jīng)證明它們是高度有用的工具。

　　多項(xiàng)式代數(shù)的研究始于對(duì)3、4次方程求根公式的探索。1515年，菲洛解決了被簡(jiǎn)化為缺2次項(xiàng)的3次方程的求解問題。1540年，費(fèi)爾拉里成功地發(fā)現(xiàn)了一般4次方程的代數(shù)解法。人們繼續(xù)尋求5次、6次或更高次方程的求根公式，但這些努力在200多年中付諸東流。

　　1746年，達(dá)朗貝爾首先給出了“代數(shù)學(xué)基本定理”的證明(有不完善之處)。這個(gè)定理斷言：每一個(gè)實(shí)系數(shù)或復(fù)系數(shù)的n次代數(shù)方程，至少有一個(gè)實(shí)根或復(fù)根。因此，一般地說，n次代數(shù)方程應(yīng)當(dāng)有n個(gè)根。1799年，22歲的高斯在寫博士論文中，給出了這個(gè)定理的第一個(gè)嚴(yán)格的證明。1824年，22歲的阿貝爾證明了：高于4次的一般方程的全部系數(shù)組成的根式，不可能是它的根。1828年，年僅17歲的伽羅華創(chuàng)立了“伽羅華理論”，包含了方程能用根號(hào)解出的充分必要條件。

　　4、數(shù)論

　　以正整數(shù)作為研究對(duì)象的數(shù)論，可以看作是算術(shù)的一部分，但它不是以運(yùn)算的觀點(diǎn)，而是以數(shù)的結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，即一個(gè)數(shù)可用性質(zhì)較簡(jiǎn)單的其它數(shù)來表達(dá)的觀點(diǎn)來研究數(shù)的。因此可以說，數(shù)論是研究由整數(shù)按一定形式構(gòu)成的數(shù)系的科學(xué)。

　　早在公元前3世紀(jì)，歐幾里得的《原本》討論了整數(shù)的一些性質(zhì)。他證明素?cái)?shù)的個(gè)數(shù)是無窮的，他還給出了求兩個(gè)數(shù)的公約數(shù)的輾轉(zhuǎn)相除法。這與我國(guó)《九章算術(shù)》中的“更相減損法”是相同的。埃拉托色尼則給出了尋找不大于給定的自然數(shù)N的全部素?cái)?shù)的“篩法”：在寫出從1到N的全部整數(shù)的紙草上，依次挖去2、3、5、7……的倍數(shù)(各自的2倍，3倍，……)以及1，在這篩子般的紙草上留下的便全是素?cái)?shù)了。

　　當(dāng)兩個(gè)整數(shù)之差能被正整數(shù)m除盡時(shí)，便稱這兩個(gè)數(shù)對(duì)于“模”m同余。我國(guó)《孫子算經(jīng)》(公元4世紀(jì))中計(jì)算一次同余式組的“求一術(shù)”，有“中國(guó)剩余定理”之稱。13世紀(jì)，秦九韶已建立了比較完整的同余式理論——“大衍求一術(shù)”，這是數(shù)論研究的內(nèi)容之一。

　　丟番圖的《算術(shù)》中給出了求x?＋y?＝z?所有整數(shù)解的方法。費(fèi)爾馬指出x^n＋y^n＝z^n在n＞3時(shí)無整數(shù)解，對(duì)于該問題的研究產(chǎn)生了19世紀(jì)的數(shù)論。之后高斯的《數(shù)論研究》(1801年)形成了系統(tǒng)的數(shù)論。

　　數(shù)論的古典內(nèi)容基本上不借助于其它數(shù)學(xué)分支的方法，稱為初等數(shù)論。17世紀(jì)中葉以后，曾受數(shù)論影響而發(fā)展起來的代數(shù)、幾何、分析、概率等數(shù)學(xué)分支，又反過來促進(jìn)了數(shù)論的發(fā)展，出現(xiàn)了代數(shù)數(shù)論(研究整系數(shù)多項(xiàng)式的根—“代數(shù)數(shù)”)、幾何數(shù)論(研究直線坐標(biāo)系中坐標(biāo)均為整數(shù)的全部“整點(diǎn)”—“空間格網(wǎng)”)。19世紀(jì)后半期出現(xiàn)了解析數(shù)論，用分析方法研究素?cái)?shù)的分布。二十世紀(jì)出現(xiàn)了完備的數(shù)論理論。

　　5、抽象代數(shù)

　　1843年，哈密頓發(fā)明了一種乘法交換律不成立的代數(shù)——四元數(shù)代數(shù)。第二年，格拉斯曼推演出更有一般性的幾類代數(shù)。1857年，凱雷設(shè)計(jì)出另一種不可交換的代數(shù)——矩陣代數(shù)。他們的研究打開了抽象代數(shù)(也叫近世代數(shù))的大門。實(shí)際上，減弱或刪去普通代數(shù)的某些假定，或?qū)⒛承┘俣ù�之以別的假定(與其余假定是相容的)，就能研究出許多種代數(shù)體系。

　　1870年，克隆尼克給出了有限阿貝爾群的抽象定義；狄德金開始使用“體”的說法，并研究了代數(shù)體；1893年，韋伯定義了抽象的體；1910年，施坦尼茨展開了體的一般抽象理論；狄德金和克隆尼克創(chuàng)立了環(huán)論；1910年，施坦尼茨總結(jié)了包括群、代數(shù)、域等在內(nèi)的代數(shù)體系的研究，開創(chuàng)了抽象代數(shù)學(xué)。

　　1926年，諾特完成了理想(數(shù))理論；1930年，畢爾霍夫建立格論，它源于1847年的布爾代數(shù)；第二次世界大戰(zhàn)后，出現(xiàn)了各種代數(shù)系統(tǒng)的理論和布爾巴基學(xué)派；1955年，嘉當(dāng)、格洛辛狄克和愛倫伯克建立了同調(diào)代數(shù)理論。

　　到現(xiàn)在為止，數(shù)學(xué)家們已經(jīng)研究過200多種這樣的代數(shù)結(jié)構(gòu)，其中最主要德若當(dāng)代數(shù)和李代數(shù)是不服從結(jié)合律的代數(shù)的例子。這些工作的絕大部分屬于20世紀(jì)，它們使一般化和抽象化的思想在現(xiàn)代數(shù)學(xué)中得到了充分的反映。

　　抽象代數(shù)是研究各種抽象的公理化代數(shù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)學(xué)科。典型的代數(shù)系統(tǒng)有群、環(huán)、域等，它們主要起源于19世紀(jì)的群論，包含有群論、環(huán)論、伽羅華理論、格論、線性代數(shù)等許多分支，并與數(shù)學(xué)其它分支相結(jié)合產(chǎn)生了代數(shù)幾何、代數(shù)數(shù)論、代數(shù)拓?fù)�、拓�(fù)淙旱刃碌臄?shù)學(xué)學(xué)科。抽象代數(shù)已經(jīng)成了當(dāng)代大部分?jǐn)?shù)學(xué)的通用語(yǔ)言。

　　現(xiàn)在，可以籠統(tǒng)地把代數(shù)學(xué)解釋為關(guān)于字母計(jì)算的學(xué)說，但字母的含義是在不斷地拓廣的。在初等代數(shù)中，字母表示數(shù)；而在高等代數(shù)和抽象代數(shù)中，字母則表示向量(或n元有序數(shù)組)、矩陣、張量、旋量、超復(fù)數(shù)等各種形式的量。可以說，代數(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門關(guān)于形式運(yùn)算的一般學(xué)說了。