Матэматыка

Матэма́тыка (стар.-грэч.: μᾰθημᾰτικά^[1] < стар.-грэч.: μάθημα — вывучэнне, навука) — дакладная фармальная  (руск.) навука^[2], якая першапачаткова вывучала колькасныя адносіны і прасторавыя формы рэчаіснага свету^[3]. Традыцыйна матэматыка лічыцца асаблівай у сваім родзе навукай.

Пачаткі матэматыкі з’явіліся ў глыбокай старажытнасці.

Асноўныя звесткі

Ідэалізаваныя ўласцівасці доследных аб’ектаў альбо фармулююцца ў выглядзе аксіём, альбо пералічваюцца ў азначэнні адпаведных матэматычных аб’ектаў. Затым па строгіх правілах лагічнага вываду з гэтых уласцівасцей выводзяцца іншыя праўдзівыя ўласцівасці (тэарэмы). Гэтая тэорыя ў сукупнасці ўтварае матэматычную мадэль доследнага аб’екта. Такім чынам, першапачаткова, зыходзячы з прасторавых і колькасных суадносін, матэматыка атрымлівае больш абстрактныя суадносіны, вывучэнне якіх таксама з’яўляецца прадметам сучаснай матэматыкі^[4].

Традыцыйна матэматыка дзеліцца на тэарэтычную, якая выконвае паглыблены аналіз унутрыматэматычных структур, і прыкладную, якая прадстаўляе свае мадэлі іншым навукам і інжынерным дысцыплінам, прычым некаторыя з іх займаюць пагранічнае з матэматыкай становішча. У прыватнасці, фармальная логіка можа разглядацца і як частка філасофскіх навук, і як частка матэматычных навук; механіка — і фізіка, і матэматыка; інфарматыка, камп’ютарныя тэхналогіі і алгарытміка адносяцца як да інжынерыі, так і да матэматычных навук і г. д. У літаратуры было прапанавана шмат розных азначэнняў матэматыкі.

Назва

Слова «матэматыка» пайшло ад стар.-грэч.: μάθημα, што азначае вывучэнне, веды, навука, і стар.-грэч.: μαθηματικός, якое першапачаткова азначала ўспрыімлівы, паспяваючы^[5], пазней звязаны з вывучэннем, пасля звязаны з матэматыкай. Між іншым, μαθηματικὴ τέχνη, на латыні ars mathematica, азначае мастацтва матэматыкі. Тэрмін стар.-грэч.: μᾰθημᾰτικά у сучасным значэнні «матэматыка» сустракаецца ўжо ў працах Арыстоцеля (IV ст. да н. э.).

У беларускую мову слова прыйшло праз лацінскую (лац.: mathematica) і старапольскую (польск.: matematyka)^[6]. У помніках на старабеларускай мове слова «математикъ», ці «математыкъ» сустракаецца ўжо ў канцы XVI — першай палавіне XVII ст.^[7]

Падобным шляхам слова «матэматыка» трапіла і ў рускую мову^[8]. У тэкстах на рускай мове слова «математика», ці «маѳематика» сустракаецца прынамсі з XVII стагоддзя, напрыклад, у Мікалая Спафарыя ў «Книге избранной вкратце о девяти мусах и о седмих свободных художествах» (1672 год)^[9].

Азначэнні

Адно з першых азначэнняў прадмета матэматыкі даў Дэкарт^[10]:

К вобласці матэматыкі адносяцца толькі тыя навукі, у якіх разглядаецца альбо парадак, альбо мера, і зусім не істотна, ці будуць гэта лікі, фігуры, зоркі, гукі ці нешта іншае, у чым адшукваецца гэтая мера. Такім чынам, павінна існаваць нейкая агульная навука, якая тлумачыць усё што адносіцца да парадку і меры, не ўваходзячы ў даследаванне ніякіх асобных прадметаў, і гэтая навука павінна называцца не замежным, але старым, ужывальным імем Усеагульнай матэматыкі.

У савецкі час класічным лічылася азначэнне з ВСЭ^[11], дадзенае А. М. Калмагоравым:

Матэматыка… навука аб колькасных адносінах і прасторавых формах сапраўднага свету.

Гэта азначэнне Энгельса^[12]; праўда, далей Калмагораў тлумачыць, што ўсе выкарыстаныя тэрміны трэба разумець у самым шырокім і абстрактным сэнсе.

Фармулёўка Бурбакі^[13]:

Сутнасць матэматыкі… ўяўляецца цяпер як вучэнне аб адносінах паміж аб'ектамі, аб якіх нічога не вядома, акрамя якія апісваюць іх некаторых уласцівасцей, — іменна тых, якія ў якасці аксіём пакладзены ў падмурак тэорыі… Матэматыка ёсць набор абстрактных форм — матэматычных структур.

Герман Вейль песімістычна ацаніў магчымасць даць агульнапрынятае азначэнне прадмета матэматыкі:

Пытанне аб асновах матэматыкі і аб тым, што ўяўляе сабой у канчатковым выніку матэматыка, застаецца адкрытым. Мы не ведаем нейкага напрамку, які дазволіць, у рэшце рэшт, знайсці канчатковы адказ на гэтае пытанне, і ці можна наогул чакаць, што падобны «канчатковы» адказ будзе калі-небудзь атрыманы і прызнаны ўсімі матэматыкамі.

«Матэматызаванне» можа застацца адным з праяўленняў творчай дзейнасці чалавека, падобна музіцыраванню або літаратурнай творчасці, яркім і самабытным, але прагназаванне яго гістарычнага лёсу не паддаецца рацыяналізацыі і не можа быць аб'ектыўным^[14].

Гісторыя

Асноўны артыкул: Гісторыя матэматыкі

Паводле акадэміка А. М. Калмагорова гісторыя матэматыкі дзеліцца на наступныя перыяды:

1. Перыяд зараджэння матэматыкі, на працягу якога назбіраўся дастаткова вялікі фактычны матэрыял;
2. Перыяд элементарнай матэматыкі, які пачынаецца ў VI—V стст. да н. э. і завяршаецца ў канцы XVI ст. («Запас паняццяў, з якімі мела справу матэматыка да пачатку XVII ст., складае і да цяперашняга часу аснову „элементарнай матэматыкі“, якая выкладаецца ў пачатковай і сярэдняй школе»);
3. Перыяд матэматыкі пераменных велічынь, які ахоплівае XVII—XVIII стст., «які можна ўмоўна назваць таксама перыядам „вышэйшай матэматыкі“»;
4. Перыяд сучаснай матэматыкі — матэматыкі XIX—XX стст., у ходзе якога матэматыкам прыйшлося «аднесціся да працэса пашырэння прадмета матэматычных даследаванняў свядома, паставіўшы перад сабою задачу сістэматычнага вывучэння з дастаткова агульнага пункта погляду магчымых тыпаў колькасных адносін і прасторавых форм».

Лічбы мая

Развіццё матэматыкі пачалося разам з тым, як чалавек стаў выкарыстоўваць абстракцыі колькі-небудзь высокага ўзроўню. Простая абстракцыя — лікі; асэнсаванне таго, што два яблыкі і два апельсіны, нягледзячы на ўсе іх адрозненні, маюць нешта агульнае, а іменна займаюць абедзве рукі аднаго чалавека, — якаснае дасягненне мыслення чалавека. Акрамя таго, што старажытныя людзі даведаліся, як лічыць канкрэтныя аб’екты, яны таксама зразумелі, як вылічаць і абстрактныя колькасці, такія, як час: дні, поры года, гады. З элементарнага лічэння натуральным чынам пачала развівацца арыфметыка: складанне, адніманне, множанне і дзяленне лікаў.

Развіццё матэматыкі абапіраецца на пісьменнасць і ўменне запісваць лікі. Напэўна, старажытныя людзі спачатку запісвалі колькасць шляхам малявання рысачак на зямлі ці выдрапвалі іх на драўніне. Старажытныя інкі, не маючы іншай сістэмы пісьменнасці, прадстаўлялі і захоўвалі лікавыя дадзеныя, выкарыстоўваючы складаную сістэму вяровачных вузлоў, так званыя кіпу. Існавала мноства розных сістэм злічэння. Першыя вядомыя запісы лікаў былі знойдзены ў папірусе Ахмеса, створаным егіпцянамі Сярэдняга царства. Індская цывілізацыя распрацавала сучасную дзесятковую сістэму злічэння, якая ўключае паняцце нуля.

Гістарычна асноўныя матэматычныя дысцыпліны з’явіліся з-за неабходнасці весці разлікі ў камерцыйнай сферы, пры вымярэнні зямель і для прадказання астранамічных з’яў і, пазней, для рашэння новых фізічных задач. Кожная з гэтых абласцей адыграла вялікую ролю ў шырокім развіцці матэматыкі, якое заключаецца ў вывучэнні структур, прастор і змен.

Раздзелы матэматыкі

Асноўны артыкул: Раздзелы матэматыкі

1. Матэматыка як навучальная дысцыпліна дзеліцца на элементарную матэматыку, вывучаную ў сярэдняй школе і ўтвораную дысцыплінамі:

• арыфметыка,
• элементарная алгебра
• элементарная геаметрыя: планіметрыя і стэрэаметрыя
• тэорыя элементарных функцый і элементы аналізу

і вышэйшую матэматыку, вывучаную на нематэматычных спецыяльнасцях ВНУ. Дысцыпліны, што ўваходзяць у склад вышэйшай матэматыкі, вар’іруюцца ў залежнасці ад спецыяльнасці.

Філасофія матэматыкі

Асноўны артыкул: Філасофія матэматыкі

Мэты і метады

Матэматыка вывучае ўяўныя, ідэальныя аб’екты і суадносіны паміж імі, выкарыстоўваючы фармальную мову. У агульным выпадку матэматычныя паняцці і тэарэмы не абавязкова маюць адпаведнасць чаму-небудзь у фізічным свеце. Галоўнае заданне ўжытковага раздзела матэматыкі — стварыць матэматычную мадэль, досыць адэкватную доследнаму рэальнаму аб’екту. Заданне матэматыка-тэарэтыка — забяспечыць дастатковы набор зручных сродкаў для дасягнення гэтай мэты.

Утрыманне матэматыкі можна вызначыць як сістэму матэматычных мадэляў і прылад для іх стварэння. Мадэль аб’екта ўлічвае не ўсе яго рысы, а толькі самыя патрэбныя для мэт вывучэння (ідэалізаваныя). Прыкладам, вывучаючы фізічныя ўласцівасці апельсіна, мы можам абстрагавацца ад яго колеру і густу і ўявіць яго (хай не ідэальна дакладнае) шарам. Калі ж нам трэба зразумець, колькі апельсінаў атрымаецца, калі мы складзём разам два і тры, — то можна абстрагавацца і ад формы, пакінуўшы ля мадэлі толькі адну характарыстыку — колькасць. Абстракцыя і ўсталяванне сувязяў паміж аб’ектамі ў самым агульным выглядзе — адзін з галоўных кірункаў матэматычнай творчасці.

Іншы кірунак, разам з абстрагаваннем — абагульненне. Прыкладам, абагульняючы паняцце «прастора» да прасторы n-вымярэнняў. «Прастора ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$, пры ${\displaystyle n>3}$ з’яўляецца матэматычнай выдумкай. Зрэшты, вельмі геніяльнай выдумкай, якая дапамагае матэматычна разбірацца ў складаных з’явах»^[15].

Вывучэнне ўнутрыматэматычных аб’ектаў, зазвычай, адбываецца пры дапамозе аксіяматычнага метаду: спачатку для доследных аб’ектаў фармулююцца спіс асноўных паняццяў і аксіём, а потым з аксіём з дапамогай правіл высновы атрымліваюць змястоўныя тэарэмы, у сукупнасці ўтваральныя матэматычную мадэль.

Падставы

Пытанне існасці і падстаў матэматыкі абмяркоўвалася з часоў Платона. Пачынаючы з XX стагоддзя назіраецца параўнальная згода ў пытанні, што належыць лічыць строгім матэматычным довадам, аднак адсутнічае згода ў разуменні таго, што ў матэматыцы лічыць спрадвечна праўдзівым. Адсюль выцякаюць нязгоды як у пытаннях аксіёматыкі і ўзаемасувязі галін матэматыкі, гэтак і ў выбары лагічных сістэм, якімі варта пры довадах карыстацца.

Апроч скептычнага, вядомыя ніжэйпералічаныя падыходы да дадзенага пытання.

Тэарэтыка-множны падыход

Асноўны артыкул: Тэорыя мностваў

Прапануецца разглядаць усе матэматычныя аб’екты ў рамках тэорыі мностваў, найчасцей з аксіяматыкай Цэрмела — Фрэнкеля (хоць існуе мноства іншых, раўназначных ёй). Дадзены падыход лічыцца з сярэдзіны XX стагоддзя пераважным, аднак у рэчаіснасці большасць матэматычных прац не ставяць заданняў перавесці свае сцверджанні строга на мову тэорыі мностваў, а аперуюць паняццямі і фактамі, усталяванымі ў некаторых абласцях матэматыкі. Такім чынам, калі ў тэорыі мностваў будзе выяўлена супярэчнасць, гэта не пацягне за сабой абясцэньванне большасці вынікаў.

Лагіцызм

Асноўны артыкул: Лагіцызм

Дадзены падыход мяркуе строгую тыпізацыю матэматычных аб’ектаў. Многія парадоксы, якіх унікаюць у тэорыі мностваў толькі шляхам адмысловых хітрыкаў, аказваюцца немагчымымі ў прынцыпе.

Фармалізм

Асноўны артыкул: Фармалізм (матэматыка)

Дадзены падыход мяркуе вывучэнне фармальных сістэм на глебе класічнай логікі.

Інтуіцыянізм

Асноўны артыкул: Інтуіцыянізм

Інтуіцыянізм мяркуе ў падставе матэматыкі інтуіцыйную логіку, больш абмежаваную ў сродках доваду (але, як лічыцца, і больш надзейную). Інтуіцыянізм адпрэчвае довад ад адваротнага, многія неканструктыўныя довады робяцца немагчымымі, а многія праблемы тэорыі мностваў — бессэнсоўнымі (нефармалізоўнымі).

Канструктыўная матэматыка

Асноўны артыкул: Канструктыўная матэматыка

Канструктыўная матэматыка — блізкая да інтуіцыянізму плынь у матэматыцы, што вывучае канструктыўныя пабудовы. Паводле крытэрыю канструктыўнасці — «існаваць — значыць быць пабудаваным»^[16]. Крытэрый канструктыўнасці — мацнейшае патрабаванне, чым крытэрый несупярэчнасці^[17].

Асноўныя тэмы

Лік (колькасць)

Асноўны артыкул: Лік

Асноўны раздзел, які разглядае абстракцыю колькасці — алгебра. Паняцце «лік» спачатку зарадзілася з арыфметычных уяўленняў і адносілася да натуральных лікаў. Надалей яно, з дапамогай алгебры, было паступова пашырана на цэлыя, рацыянальныя, рэчаісныя, комплексныя і іншыя лікі.

${\displaystyle 1,\;2,\;\ldots }$ Натуральныя лікі ${\displaystyle 0,\;1,\;-1,\;\ldots }$ Цэлыя лікі ${\displaystyle 1,\;-1,\;{\frac {1}{2}},\;{\frac {2}{3}},\;0{,}12,\;\ldots }$ Рацыянальныя лікі ${\displaystyle 1,\;-1,\;{\frac {1}{2}},\;0{,}12,\;\pi ,\;{\sqrt {2}},\;\ldots }$ Рэчаісныя лікі
${\displaystyle -1,\;{\frac {1}{2}},\;0{,}12,\;\pi ,\;3i+2,\;e^{i\pi /3},\;\ldots }$	${\displaystyle 1,\;i,\;j,\;k,\;\pi j-{\frac {1}{2}}k,\;\dots }$
Камплексныя лікі	Кватэрніёны

Лікі — Натуральныя лікі — Цэлыя лікі — Рацыянальныя лікі — Ірацыянальныя лікі — Алгебраічныя лікі — Трансцэндэнтныя лікі — Рэчаісныя лікі — Камплексныя лікі — Гіперкамплексныя лікі — Кватэрніёны — Актаніёны — Седэніёны — Гіперрэальныя лікі — Сюррэальныя лікі — p-адычныя лікі — Матэматычныя сталыя — Назвы лікаў — Бясконцасць — Базы

Ператварэнні

${\displaystyle 36\div 9=4}$			${\displaystyle \int 1_{S}\,d\mu =\mu (S)}$
Арыфметыка	Дыферэнцыяльнае і інтэгральнае злічэнне	Вектарны аналіз	Аналіз
${\displaystyle {\frac {d^{2}}{dx^{2}}}y={\frac {d}{dx}}y+c}$
Дыферэнцыяльныя ўраўненні	Дынамічныя сістэмы	Тэорыя хаосу

Арыфметыка — Вектарны аналіз — Аналіз — Тэорыя меры — Дыферэнцыяльныя ўраўненні — Дынамічныя сістэмы — Тэорыя хаосу

Структуры

Тэорыя мностваў — Лінейная алгебра — Агульная алгебра (улучае, у прыватнасці, тэорыю груп, універсальную алгебру, тэорыю катэгорый) — Алгебраічная геаметрыя — Тэорыя лікаў — Тапалогія.

Прасторавыя адносіны

Геаметрыя	Трыганаметрыя	Дыферэнцыяльная геаметрыя	Тапалогія	Фракталы	Тэорыя меры

Геаметрыя — Трыганаметрыя — Алгебраічная геаметрыя — Тапалогія — Дыферэнцыяльная геаметрыя — Алгебраічная тапалогія — Лінейная алгебра — Фракталы — Тэорыя меры.

Дыскрэтная матэматыка

Дыскрэтная матэматыка улучае сродкі даследавання аб’ектаў, здольных прымаць толькі асобныя (дыскрэтныя) значэнні (то бок аб’ектаў, не здольных змяняцца плыўна).^[18]

${\displaystyle \forall x(P(x)\Rightarrow P(x'))}$
Матэматычная логіка	Тэорыя вылічальнасці	Крыптаграфія	Тэорыя графаў

Камбінаторыка — Тэорыя мностваў — Тэорыя рашотак — Матэматычная логіка — Тэорыя вылічальнасці— Крыптаграфія — Тэорыя функцыянальных сістэм — Тэорыя графаў — Тэорыя алгарытмаў — Лагічныя злічэнні — Інфарматыка.

Анлайнавыя сэрвісы

Існуе вялікі лік сайтаў, што падаюць сэрвіс для матэматычных разлікаў. Большасць з іх англамоўныя.

Праграмнае забеспячэнне

Матэматычнае праграмнае забеспячэнне — шматграннае:

• Пакеты, арыентаваныя на набор матэматычных тэкстаў і на іх наступную вёрстку (TeX).
• Пакеты, арыентаваныя на рашэнне матэматычных заданняў, лікавае мадэляванне і пабудову графікаў (GNU Octave, Maple, Mathcad, MATLAB, Scilab).
• Асобныя праграмы ці пакеты праграм, якія актыўна выкарыстоўваюць матэматычныя метады (калькулятары, архіватары, пратаколы шыфравання/дэшыфраванні, сістэмы распазнання выяў, кадаванне аўдыя і відэа).

Гл. таксама

• Матэматыка ў Беларусі
• Матэматычныя алімпіяды