代数发展历程
在宽广的数学领域范围内代数学只是其中的一个分支一个部分“代数学”这个名称在我国是1859年正式开始使用的那么什么是代数?代数学又是如何发展的呢?
1847英国人伟烈亚力来到上海他用中文写了一本数学启蒙》在序中说:“有代数、微分诸书在余将续梓之”这是第一次使用代数这个词来作为数学分科的名称李善兰是我国清代数学家1859年和伟烈亚力合译英国棣么甘(Augustus De Morgan)的“Elements of Algebra正式定名为代数学》这是我国第一本代数学书梁靖康年龄,代数的名称就是这样来的
代数是对字母、字母表达式进行运算或变换的学问在初等数学中字母代表数在近代数学中字母可以代表更广泛的对象如向量、张量、矩阵、变换等代数的发展大致分为三个时期第一个时期从九世纪的花拉子米始到十六世纪止这个时期人们把代数看成为对字母进行运算关于字母公式的变换以及关于代数方程式的学问这些就是目前中学代数的内容第二个时期从十六世纪开始到十九世纪这时意大利数学家解出了三次方程和四次方程由此人们开始研究更高次的代数方程代数的中心问题逐渐变为代数方程式的理论了
十九世纪谢尔的两卷本的代数问世房地产营销策划在这部书中代数被定义为方程式论这在当时是个创举在第二个时期内行列式与矩阵的理论二次型与变换的理论特别是不变量的理论等代数工具也发展起来了在这个时期内论及不变量的理论的发展对几何学的发展起了重大影响第三个时期从上世纪末到本世纪这时在力学物理以及数学本身越来越频繁地研究到一些对象对这些对象也要考虑加法、减法有时要考虑乘法和除法这些对象中有矩阵、张量、旋量、超复数等这样人们就不得不考虑某种更一般的集合在这种集合中有某种运算并满足一定的运算法则这就是说我们不得不考虑某种代数系统这样一来代数的目的是研究各种代数系统这就是公理化或抽象化的代数说它是抽象的是因为所考虑的代数系统是用字母表示的说它是公理化的是因为它只遵从作为它的基础的那些公理有趣的是这样的代数系统无论就数学本身而言或就它的应用而言都具有巨大意义
以下我是通过初等代数高等代数以及抽象代数三个阶段的发展来研究代数学领域的发展的
1. 初等代数
初等代数是研究数字和文字的代数运算理论和方法更确切的说是研究实数和复数以及以它们为系数的多项式的代数运算理论和方法的数学分支学科初等代数是更古老的算术的推广和发展在古代当算术里积累了大量的关于各种数量问题的解法后为了寻求有系统的、更普遍的方法以解决各种数量关系的问题就产生了以解方程的原理为中心问题的初等代数
代数是由算术演变来的这是毫无疑问的代数和算术的主要区别就在于前者引入未知量根据问题的条件列出方程然后解方程求出未知量的值至于什么年代产生的代数学这门学科就很不容易说清楚了比如如果你认为“代数学”是指解这类用符号表示的方程的技巧那么这种“代数学”是在十六世纪才发展起来的如果我们对代数符号不是要求象现在这样简练那么代数学可以上溯到更早的年代大约在公元前2000巴比伦算术已经演化成为一种高度发展的用文字叙述的代数学从载有数字表的文件中可以获得巴比伦人的数系和数字运算方面的许多知识他们既能用相当于代入一般公式的方法又能用配方法来解二次方程还讨论了某些三次方程和双二次(四次)方程已经发现一块书板它给出的数表不仅包括从130的整数的平方和立方还包括了这个范围的整数组合公元前2500年左右埃及的草片文书(Ahmes)中有求一个未知量问题的解法这个问题大体上相当于今日的一元一次方程不过用的方法纯粹是算术的并且在埃及人心目中这并不成其为一门独特的学科——解方程公元200—1200年时期印度人也在代数上获得一些进展他们用缩写文字和一些记号来描述运算印度人认识到二次方程有两个根而且包括负根和无理根在不定方程方面印度人超过了Diaphanous印度人要求出所有整数解Diaphanous则只得出一
个有理的解印度人也研究了不定二次方程他们解出了(其中不是平方数)这种类型的方程并可看出这种类型对处理很重要西方人将公元前三世纪古希腊数学家Diaphanous看作是代数学的鼻祖而在中国用文字来表达的代数问题出现得就更早了龙趸鱼“代数”作为一个数学专有名词代表一门数学分支在我国正式使用最早是在1859那年清代数学家李善兰和英国人韦列亚力共同翻译了英国人棣么甘所写的一本书译本的名称就叫做代数学》当然代数的内容和方法我国古代早就产生了比如成书于公元一世纪初的九章算术》中就有方程问题
九章》方程章中经刘徽注给方程予以最早的定义:“程课程也物总杂各列有数云襄传原著小说千门哪一部总言其实令每行为率二物者再程三物者三程皆如物数程之并列为行帮谓之方程”这里的“物总杂各列有数总言其实”是说每一行(相当于今称的方程式)的系数、未知数和常数项(此叫“实”)的组成方法令每行为率(就是列出几个等式)二物者再乘(两个未知数列两个等式或程式)汲三物三乘(三个未知数列三个等式或程式)如物数程之(就是有几个未知数就列出几个等式或程式)用算筹并列成一方形所以叫做方程
在方程的定义里“程”就是“课”而“课”的本义是试验考核正是在试验与考核的意义上“程”与“课”是相通的由“课”将数学应用题转化为盈亏类问题而由“程”把问题布列为“方程”这种问题模式化的思想和方法是一脉相承的
当然在这里方程的定义是狭隘的仅指线性方程组九章》实际上还涉及到二次方程而且已能用“带从开方术”(“从”读“纵”)求出方程的正根共步骤相当于“配方法”
九章》关于多元一次方程组的解法是将其“所出率”用算筹摆成一个方阵然后应用“遍乘通约齐同”三种基本演算达到“消元”为目的.《九章》称解方程组的过程为“直除”即现代的消元法
九章》方程解法有方程术和正负术刘徽注又添了新方程术反映了我国古代方程理论发展的不同阶段这些解法经刘徽注释把它们作为比率理论的应用和发展从而获得了统一的理论基础
初等代数的中心内容是解方程因而长期以来都把代数学理解成方程的科学数学家们也把主要精力集中在方程的研究上它的研究方法是高度计算性的
要讨论方程首先遇到的一个问题是如何把实际中的数量关系组成代数式然后根据等量关系列出方程所以初等代数的一个重要内容就是代数式由于事物中的数量关系的不同大体上初等代数形成了整式分式和根式这三大类代数式代数式是数的化身因而在代数中它们都可以进行四则运算服从基本运算定律而且还可以进行乘方和开方两种新的运算通常把这六种运算叫做代数运算以区别于只包含四种运算的算术运算
在初等代数的产生和发展的过程中通过解方程的研究也促进了数的概念的进一步发展将算术中讨论的整数和分数的概念扩充到有理数的范围使数包括正负整数、正负分数和零这是初等代数的又一重要内容就是数的概念的扩充有了有理数初等代数能解决的问题就大大地扩充了但是有些方程在有理数范围内仍然没有解于是数的概念再一次扩充到了实数进而又进一步扩充到了复数那么到了复数范围内是不是仍然有方程没有解还必须把复数再进行扩展呢?数学家们说:不用了这就是代数里的一个著名的定理——代数基本定理这个定理简单地说就是n个方程有n个根17421215瑞士数学家欧拉曾在一封信中明确地做了陈述后来另一个数学家德国的高斯在1799年给出了严格的证明
把上面分析过了的内容综合起来组成初等代数的基本内容就是:
三种数——有理数、无理数、复数
三种式——整式、分式、根式
中心内容是方程——整式方程、分式方程、根式方程和方程组
初等代数的内容大体上相当于现代中学设置的代数课程的内容但又不完全相同比如严格地说数的概念排列和组合应归入算术的内容;函数是分析数学的内容;不等式的解法有点像解方程的方法但不等式作为一种估算数值的方法本质上是属于分析数学的范围;坐标法是研究解析几何的……这些都只是历史上形成的一种编排方法
初等代数是算术的继续和推广初等代数研究的对象是代数式的运算和方程的求解代数运算的特点是只进行有限次的运算全部初等代数总起来有十条规则这是学习初等代数需要理解并掌握的要点这十条规则是:
五条基本运算律:加法交换律、加法结合律、乘法交换律、乘法结合律、乘法对加法的分配律;
两条等式基本性质:等式两边同时加上一个数等式不变;等式两边同时乘以一个非零的数等式不变;
三条指数律:同底数幂相乘底数不变指数相加;幂的乘方等于底数不变指数相乘;积的乘方等于乘方的积
怎么设置暗黑模式初等代数学进一步向两个方面发展一方面是研究未知数更多的一次方程组;另一方面是研究未知数次数更高的高次方程这时候代数学已由初等代数向着高等代数的方向发展了
2. 高等代数
初等代数从最简单的一元一次方程开始一方面进而讨论二元及三元的一次方程组另一方面研究二次以上及可以转化为二次的方程组沿着这两个方向继续发展代数在讨论任意多个未知数的一次方程组(也叫线性方程组)的同时还研究次数更高的一元方程组发展到这个阶段就叫做高等代数
高等代数是代数学发展到高级阶段的总称它包括许多分支现在大学里开设的高等代数
一般包括两部分:线性代数、多项式代数高等代数在初等代数的基础上研究对象进一步扩充引进了许多新的概念以及与通常很不相同的量比如最基本的有集合、向量和向量空间等这些量具有和数相类似的运算特点不过研究的方法和运算的方法都更加繁复
集合是具有某种属性的事物的全体;向量是除了具有数值还同时具有方向的量;向量空间也叫线性空间是由许多向量组成的并且符合某些规则的集合向量空间中的运算对象已经不只是数而是向量了其运算性质也有了很大的不同
古典代数学(即初等代数学)的中心课题是解方程问题就方程本身而言它是向两个方向发展的一个方向是一元高次方程另一个方向是多元一次方程组与多元高次联立方程组前者发展成为后来的方程论(或多项式论)的研究方程论的扩展便是高等代数学到了十九世纪还诱发了近世代数的出现后者的发展形成了线性代数学它的中心内容是行列式与线性方程组矩阵及线性空间和线性变换的理论等
多项式是一类最常见最简单的函数它的应用非常广泛多项式理论是以代数方程的根的计算和分布作为中心问题的也叫做方程论研究多项式理论主要在于探讨代数方程的性质从而寻简易的解方程的方法多项式代数所研究的内容包括整除性理论
式分解理论等这些大体上和中学代数里的内容类似多项式的整除性质对于解代数方程是很有用的解代数方程无非就是求对应多项式的零点零点不存在的时候所对应的代数方程就没有解
我们知道一次方程叫线性方程讨论线性方程的代数就叫做线性代数线性代数学的兴起与发展是随着十七、十八世纪生产和科学技术的发展与要求而发展的在线性代数中最重要的内容是行列式和矩阵