正文 第1節 數學的哲理(2 / 3)

代數是由算術演變來的,這是毫無疑問的。至於什麼年代產生的代數學這門學科,就很不容易說清楚了。比如,如果你認為“代數學”是指解bx+k=0這類用符號表示的方程的技巧。那麼,這種“代數學”是在十六世紀才發展起來的。

如果我們對代數符號不是要求象現在這樣簡練,那麼,代數學的產生可上溯到更早的年代。西方人將公元前三世紀古希臘數學家丟番圖看作是代數學的鼻祖。而在中國,用文字來表達的代數問題出現的就更早了。

“代數”作為一個數學專有名詞、代表一門數學分支在我國正式使用,最早是在1859年。那年,清代數學家裏李善蘭和英國人韋列亞力共同翻譯了英國人棣麼甘所寫的一本書,譯本的名稱就叫做《代數學》。當然,代數的內容和方法,我國古代早就產生了,比如《九章算術》中就有方程問題。

初等代數的中心內容是解方程,因而長期以來都把代數學理解成方程的科學,數學家們也把主要精力集中在方程的研究上。它的研究方法是高度計算性的。

要討論方程,首先遇到的一個問題是如何把實際中的數量關係組成代數式,然後根據等量關係列出方程。所以初等代數的一個重要內容就是代數式。由於事物中的數量關係的不同,大體上初等代數形成了整式、分式和根式這三大類代數式。代數式是數的化身,因而在代數中,它們都可以進行四則運算,服從基本運算定律,而且還可以進行乘方和開方兩種新的運算。通常把這六種運算叫做代數運算,以區別於隻包含四種運算的算術運算。

在初等代數的產生和發展的過程中,通過解方程的研究,也促進了數的概念的進一步發展,將算術中討論的整數和分數的概念擴充到有理數的範圍,使數包括正負整數、正負分數和零。這是初等代數的又一重要內容,就是數的概念的擴充。

有了有理數,初等代數能解決的問題就大大的擴充了。但是,有些方程在有理數範圍內仍然沒有解。於是,數的概念在一次擴充到了實數,進而又進一步擴充到了複數。

那麼到了複數範圍內是不是仍然有方程沒有解,還必須把複數再進行擴展呢?數學家們說:不用了。這就是代數裏的一個著名的定理—代數基本定理。這個定理簡單地說就是n次方程有n個根。1742年12月15日瑞士數學家歐拉曾在一封信中明確地做了陳述,後來另一個數學家、德國的高斯在1799年給出了嚴格的證明。

“數學王子”高斯

把上麵分析過的內容綜合起來,組成初等代數的基本內容就是:

三種數——有理數、無理數、複數

三種式——整式、分式、根式

中心內容是方程——整式方程、分式方程、根式方程和方程組。

初等代數的內容大體上相當於現代中學設置的代數課程的內容,但又不完全相同。比如,嚴格的說,數的概念、排列和組合應歸入算術的內容;函數是分析數學的內容;不等式的解法有點像解方程的方法,但不等式作為一種估算數值的方法,本質上是屬於分析數學的範圍;坐標法是研究解析幾何的……。這些都隻是曆史上形成的一種編排方法。

初等代數是算術的繼續和推廣,初等代數研究的對象是代數式的運算和方程的求解。代數運算的特點是隻進行有限次的運算。全部初等代數總起來有十條規則。這是學習初等代數需要理解並掌握的要點。

這十條規則是:

五條基本運算律:加法交換律、加法結合律、乘法交換律、乘法結合律、分配律;

兩條等式基本性質:等式兩邊同時加上一個數,等式不變;等式兩邊同時乘以一個非零的數,等式不變;

三條指數律:同底數冪相乘,底數不變指數相加;指數的乘方等於底數不變指數想乘;積的乘方等於乘方的積。

初等代數學進一步的向兩個方麵發展,一方麵是研究未知數更多的一次方程組;另一方麵是研究未知數次數更高的高次方程。這時候,代數學已由初等代數向著高等代數的方向發展了。

線性代數

線性代數起源於對二維和三維直角坐標係的研究。在這裏,一個向量是一個有方向的線段,由長度和方向同時表示。這樣向量可以用來表示物理量,比如力,也可以和標量做加法和乘法。這就是實數向量空間的第一個例子。

現代線性代數已經擴展到研究任意或無限維空間。一個維數為n的向量空間叫做n維空間。在二維和三維空間中大多數有用的結論可以擴展到這些高維空間。盡管許多人不容易想象n維空間中的向量,這樣的向量(即n元組)用來表示數據非常有效。由於作為n元組,向量是n個元素的“有序”列表,大多數人可以在這種框架中有效地概括和操縱數據。比如,在經濟學中可以使用8維向量來表示8個國家的國民生產總值(GNP)。當所有國家的順序排定之後,比如(中國,美國,英國,法國,德國,西班牙,印度,澳大利亞),可以使用向量(v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7,v8)顯示這些國家某一年各自的GNP。這裏,每個國家的GNP都在各自的位置上。

作為證明定理而使用的純抽象概念,向量空間(線性空間)屬於抽象代數的一部分,而且已經非常好地融入了這個領域。一些顯著的例子有:不可逆線性映射或矩陣的群,向量空間的線性映射的環。線性代數也在數學分析中扮演重要角色,特別在向量分析中描述高階導數,研究張量積和可交換映射等領域。

向量空間是在域上定義的,比如實數域或複數域。線性算子將線性空間的元素映射到另一個線性空間(也可以是同一個線性空間),保持向量空間上加法和標量乘法的一致性。所有這種變換組成的集合本身也是一個向量空間。如果一個線性空間的基是確定的,所有線性變換都可以表示為一個數表,稱為矩陣。對矩陣性質和矩陣算法的深入研究(包括行列式和特征向量)也被認為是線性代數的一部分。

我們可以簡單地說數學中的線性問題——-那些表現出線性的問題——是最容易被解決的。比如微分學研究很多函數線性近似的問題。在實踐中與非線性問題的差異是很重要的。