数学是人类最古老的精神文明之一。原始部落的人们每天都离不开数与量的活动:氏族部落的成员经常发生变化,增多或减少;每次瓣归来。需计算猎物的多少,分配食物需将食物数量和部落成员加以比较。由于大江大河经常洪水泛滥,洪水退去后,人们需重新丈量土地。修建住所、堤坝和一些建筑,需计算各种图形的面积及物体的体积,从而渐渐地认识一些正整数和简单的几何图形。人类对自然界,乃至宇宙的认识,自始至终都是和数学联系在一起的。人类对自身的认识与教育,也是与数学分不开的。从古以来,人们受教育的最低要求就是“能写、会算”,这“算”就是数学。进入20世纪以后,全世界的基础教育都是以母语和数学为两门最重要的课程来开设的。因此,数学是人类生存的需要、教育的主体。也就是说,在人们的生活、学习、工作中都要具备一定量的数学基础知识,并随着时代的前进,这种数学基础知识也越来越宽广,越来越厚实。
数学的这种基础地位,也就决定了人们对数学的学习与研究的重视程度,因而人们为此投入了巨大的热情和艰苦的奋斗。今天,宽广、厚实的基础数学就是人类智慧与热情的结晶。
基础数学又分为公众基础数学与专业基础数学。公众基础数学内容将在教育数学中的教材数学、文化数学等章节中介绍,在此主要介绍一点专业基础数学的有关内容。
专业基础数学中,又有纯粹数学、核心数学等的称呼。
纯粹数学主要包括代数与数论、几何与拓扑、分析学等几大部分。核心数学是指纯粹数学的核心。
数学是一个整体,一些最有价值的数学问题、具有重大发展潜力的数学基础理论和方法构成一个时期的“核心数学”(蒋文蔚,1993)。从19世纪的数学来看,复数理论因负数开方引起,伽罗瓦的群论来源于方程的根式解,罗巴切夫斯基的非欧几何学起始于对欧氏几何的第五公设的研究,而数学分析的严密化进程则源于无限小量之比的不确定性。这些数学内部提出的问题深刻地反映了客观世界的数量关系,揭示了丰富的数学内涵。另外,许多应用性问题,也成了核心数学的重大分支,例如,傅里叶从热传导提出的三角级数展开。傅里叶分析、傅里叶变换、傅里叶算子、群上调和分析、非交换调和分析,其影响至今不衰,始终是核心数学的重要组成部分。在20世纪的上半叶,相对论和量子力学诞生,与之相应的黎曼几何、李群和泛函分析也属于那时的核心数学范围。传统的函数论、数论等基本的数学工具。仍然是那时核心数学的一部分。此时,组合拓扑学,以一般理想论为代表的抽象代数等,虽然并不和数学内部需要相联系,却以旺盛的生命力迅速发展。也构成核心数学的中坚。另一方面,盛极一时的射影几何学、特殊函数论、方程式论、四元数解析等学科虽然是纯粹数学,但渐渐淡出核心数学的范围。到了20世纪下半叶,电子计算机的出现导致数理逻辑、逼近论等学科的发展,与此同时,微分几何学受到拓扑学的影响产生了整体微分几何,又和规范场论等数学物理课题相结合,从非主流数学进入主流数学。微分方程求解历来是核心数学的重要部分,流形上的分析、多元复分析、动力系统、指标定理等成为世人关注的数学课题,完全受数学内部需要而发展的代数数论、代数几何,更以费马大定理的证明而达到高潮。面向21世纪,基础数学的发展将会更快。非线性数学问题、离散数学问题、解析数论、代数数论、代数几何、群与代数及表示理论、流形与变形拓扑学、整体微分几何、随机分析和无穷维分析以及应用数学、计算数学的基础理论等都将有更大发展。
核心数学的重大进展和其成果的实际应用都是难以预计的。核心数学课题一旦有所突破,常常会产生不可估量的影响。如伽罗瓦提出的群论,源于代数,后来扩展到几何变换群、拓扑学中的同伦群和同调群、微分方程中的李群、有限群和典型群、物理学中的对称群、规范群,其覆盖面几乎是整个数学。至于群论直接用于密码编制,成为一种特殊的数学技术,更是始料不及了。
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