تعرف الرياضيات على انها دراسة البنية، الفضاء، و التغير، و بشكل عام على انها دراسة البنى المجردة باستخدام المنطق و التدوين الرياضي. و بشكل أكثر عمومية، تعرف الرياضيات على انها دراسة الاعداد و انماطها. البنى الرياضية التي يدرسها الرياضيون غالبا ما يعود اصلها إلى العلوم الطبيعية، و خاصة الفيزياء
فروع رياضيات
الجبر
الجبر Algebra وهو فرع من علم الرياضيات وجاء أسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي (الكتاب المختصر في حساب الجبر والمقابلة) الذى قدم العمليات الجبرية التى تنظم إيجاد حلول للمعادلات الخطية والتربيعية.
ويشكل علم الجبر أحد الفروع الثلاثة الأساسية في الرياضيات إضافة إلى الهندسة الرياضية و التحليل الرياضي و نظرية الأعداد و التباديل والتوافيق. ويهتم هذا العلم بدراسة البنى الجبرية و التماثلات بينها، والعلاقات والكميات.
والجبر هو مفهوم أوسع وأشمل من الحساب أو الجبر الابتدائى. فهو لا يتعامل مع الأرقام فحسب، بل يصيغ التعاملات مع الرموز والمتغيرات والفئات كذلك. ويصيغ الجبر البدهيات والعلاقات التى بواسطتها يمكن تمثيل أى ظاهرة في الكون. ولذا يعتبر من الأساسيات المنظمة لطرق الاثبات.
تصنيف
يقسم علم الجبر لعدة فروع.
الجبر الابتدائي، و فيه يتم دراسة خصائص الاعداد الحقيقية، و تستخدم رموز للتعبير عن المتغيرات و الثوابت، و تتم دراسة القواعد التي تضبط المعادلات والتعابير الرياضية المكونة من هذه الرموز. ويتم تدريسه غالبا في التعليم الثانوي إضافة إلى إعطاء أفكار أساسية حول بقية مواضيع الجبر التجريدي في الجبر الابتدائي تتم دراسة جمع و ضرب الأعداد، ودراسة كثيرات الحدود و طرق إيجاد الجذور لكثيرات الحدود هذه.
الجبر المجرد، و فيه تتم دراسة البنى الجبرية كالزمر (أو المجموعات) و الحلقات و الحقول (أو المجالات)، والفضاء الشعاعي (أو فضاء المتجهات أو الفراغ الإتجاهي) الذي يمثل عصب دراسة الجبر الخطي. ويتم بعد ذلك في الجبر التجريدي، عملية تجريد للعملية الحسابية فيستعاض عن الأعداد برموز تدعى في الجبر متغيرات أو عناصر لمجموعة ما. عندئذ تصبح عمليات الجمع والضرب مجرد أمثلة عن المؤثرات الجبرية operator و العمليات الجبرية الثنائية، و تعريف هذه العمليات يقودنا إلى بنى جبرية مثل الزمر، والحلقات، والحقول.
الجبر الخطى، وهو مهتم بدراسة المتجهات، الفراغات الخطية، التحويلات الخطية ، ونظم المعادلات الخطية. تعتبر فراغات المتجهات موضوعا مركزيا في الرياضيات الحديثة؛ لذا يعتبر الجبر الخطي كثير الإستعمال في كلا من الجبر المجرد والتحليل الدالي. الجبر الخطي له أيضاً أهمية قصوى في الهندسة التحليلية كما أن له تطبيقات شاملة في العلوم الطبيعة والعلوم الاجتماعية.
الجبر الشامل، و فيه تتم دراسة الخواص العامة لكل البنى الجبرية.
جبر الأعداد، وهو يهتم بدراسة خواص الأعداد من الناحية النظرية.
الجبر الهندسى، ويهتم بدراسة تجريد قواعد الهندسة.
جبر التوافيق، وبهتم بدراسة التباديل والتوافيق.
جبر الحاسوب، وفيه تتم دراسة الخوارزميات الخاصة بالتعامل مع الكائنات الرياضية.
الجبر الابتدائى
الجبر الابتدائي هو أبسط أنواع الجبر الذى يتم تدريسه لطلاب الرياضيات المفترض محدودية معرفتهم برياضيات ما بعد الأعداد. يشكل هذا الفرع من الجبر الذي يتعامل مع كثيرات الحدود والمعادلات وطرق إيجاد جذور المعادلات وطرق حلها. ويعتمد الجبر الابتدائى على عمليتين أساسيتين هما الجمع والضرب. لكل من هاتين العمليتين عملية معاكسة. العملية المعاكسة للجمع هى الطرح. والعملية المعاكسة للضرب هى القسمة. يعتمد الجبر الابتدائى أيضا على رقمين بالغى الأهمية هما الصفر والواحد. يدعى الصفر بالمحايد الجمعى والواحد بالمحايد الضربى. يعتبر الواحد أيضا المولد الأساسى للجبر الابتدائي.
وتعرف عملية الجمع بتكرار جمع الرقم واحد والذى يغير النتيجة إلى الرقم التالى. أى رقم مجموع عليه واحد يساوى الرقم الذى يليه
1 + 1 = 2 \, و
2 + 1 = 3 \, ومنها
أى رقم مجموع مع أى رقم اخر يتم تحليل أحدهما لمجموع الآحاد كما يلى
2 + 2 = 2 + 1 + 1 = 3 + 1 = 4 \, وكذلك
2 + 3 = 2 + 1 + 1 + 1 = 3 + 1 + 1 = 4 + 1 = 5 \, وهكذا.
بينما تعرف عملية الضرب بتكرار الجمع. فمثلا
5 \times 2 = 5 + 5 = 2 + 2 + 2 + 2 + 2 = 10
وتحقق كلتا العمليتان خواص الابدال والتجميع ويحقق الضرب وحده خاصية التوزيع على الجمع.
متعددات الحدود
متعددة الحدود هو دالة رياضية أو تركيب جبري يتكون من واحد أو كثر من الثوابت و المتغيرات، يتم بناؤه بإستخدام العمليات الأربعة الأساسية فقط: الجمع و الطرح و الضرب و القسمة.
p(x)= a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1}+ ... + a_1 x + a_0
وتحقق متعددات الحدود خاصيتي الاتصال بمعنى أنها تحقق قيمة p(x)\, لكل x\, والقابلية للنفاضل أي توجد لها مشتقات من جميع الرتب عند جميع النقاط.
ويعد تحليل متعددات الحدود من أهم المجالات في اللتي يقدم فيها الجبر حلول كثيرة.
الجبر المجرد
الجبر التجريدي
يعمم الجبر التجريدي المفاهيم الصاغة في الجبر الابتدائي إلى مفاهيم أوسع وأشمل.
الفئة: هي مجموعة من العناصر والتي تشترك في خاصية أو أكثر. وتعد الفئة حجر الأساس في تعريف باقي البنى الجبرية.
عملية ثنائية: تعمم عملية الجمع (+)\, لتشمل أي عملية (*)\, تتعامل مع عنصرين من فئة ما. تعتبر العملية الثنائية غير ذال معنى اذا لم تعرف على فئة ما. وتدعى العملية الثنائية مغلقة اذا كان ناتج a*b\, ينتمي لنفس الفئة.
العنصر المحايد: رقمي الصفر والواحد عمما إلى ما يسمى بالمحايدان الجمعي و الضربي، على التوالي. يرمز للعنصر المحايد بـ e\, بحيث a*e=e*a=a\,. ويختلف العنصر المحايد باختلاف العملية الثنائية. ففي حالة الجمع نجد a+0=0+a=a\,. اذن العنصر 0\, هو المحايد الجمعي. أما في حالة الضرب نجد a \times 1=1 \times a=a. العنصر 1\, هو المحايد الضربي.
العنصر المعاكس: وهو العنصر a^{-1} \in S\, الذي اذا اشترك مع العنصر a \in S \, في العملية الثنائية المعرفة *\, ينتج العنصر المحايد e\,. ويتم التعبير عن ذلك بالتالي
a*a^{-1}=e\,
الجبر الشامل
من وجهة نظر الجبر الشامل ، الجبر أو الجبر التجريدي هو مجموعة A\, مزودة بجموعة من العمليات على A\,. نقول أن هناك عملية نونية (من الرتبة نون) معرفة على A\, تمثل دالة رياضية تأخذ n\, عنصر من المجموعة A\, وتعطي كنتيجة عنصرا وحيدا من A\,.
لذلك فإن العملية اللاشيئية حيث n=0\, يمكن أن تمثل عنصرا وحيدا من A\, أو ما يدعى بالثابت غالبا يرمز له بحرف مثل a\,.
بالمقابل العملية الأحادية (حيث n=1\,) ببساطة عبارة عن دالة من A\, إلى A\, يمثل غالبا برمز يوضع أمام مدخل العملية كأن نقول ~a\,. أما العملية الثنائية تمثل برمز يكتب بين مدخلي العملية: a*b\,.
العمليات من رتب أعلى غالبا ما تمثل بشكل رمز دالة والمدخلات توجد ضمن قوسين fx, y, z)\, أو( fx1,...,xn).
يعمد بعض الرياضيين أيضا إلى تعريف عمليات لامنتهية (حيث n=\infty\,) مثل \bigwedge_{\alpha} x_\alpha، التي تسمح بدراسة نظرية جبرية للمشابك الكاملة.
يمكن أن ننظر للجبر الشامل على أنه فرع خاص من نظرية النموذج نتعامل فيها مع البنى التي تملك عمليات فقط (أي دون علاقات)،يتم فيها الحديث عن بنى تستخدم معادلات فقط.
تحليل رياضي
يطلق اسم التحليل الرياضي على فرع الرياضيات الذي يهتم بدراسة الدوال الرياضية و تحولاتها باستخدام أدوات ترتبط بمفاهيم النهاية ، حيث تدرس خواص مثل الاستمرار و الاشتقاق و التكامل و التفاضل ، التقعر و الإنعطاف في منحنيات التوابع و الدوال، وغالباً ما تدرس هذه المفاهيم على أعداد حقيقية أو أعداد عقدية والدوال المعرفة عليها ومن الممكن أن تدرس أيضاً على فضاءات أخرى كالفضاء المتري أو الطبولوجي.
التاريخ
أول من عرف باستخدام مفاهيم النهايات والتقارب كان عدد من رياضيي اليونان أمثال اودوكسوس و أرخميدس الذين قاما باستخدام هذه المفاهيم بشكل غير تقليدي عندما استخدما طريقةالإستنفاذ method of exhaustion لحساب مساحة وحجم المساحات والأجسام. في القرن الثاني عشر قام الرياضي الهندي باسكارا بإعطاء عما يمكن أن ندعوه الان "معامل تفاضلي" وكانت الفكرة الأساسية وراء ما ندعوه حاليا مبرهنة رول. في القرن الرابع عشر قام الرياضياتي الهندي مادهافا من سانغاماغراما بالتعبير عن عدة دوال مثلثية كسلاسل غير متناهية ، قدر مقدار الخطأ في التقديرات التي تعطيها هذه السلاسل .
في أوروبا نشأ التحليل في القرن السابع عشر عن طريق اختراع مستقل لكلا العالمين اسحاق نيوتن و غوتفريد لايبنتز. في القرن السابع عشر و الثامن عشر، تطورت تطبيقات مواضيع التحليل مثل حساب التغيرات و المعادلات التفاضلية النظامية و الجزئية، سلاسل فورييه و الدوال المولدة generating function في الأعمال التطبيقية .كما استخدم التحليل الرياضي لمقاربة مسائل الرياضيات المتقطعة بمثيلاتها المستمرة و نجحت هذه الطريقة في عدة حالات .
خلال القرن الثامن عشر كان تعريف الدالة الرياضي موضع نقاش طويل بين الرياضيين . في القرن التاسع عشر، كان كاوشي أول من وضع التحليل على أساس منطقي ثابت بإدخال مفهوم سلسلة كاوشي. كما أنه بدأ بوضع النظرية الشكلية للتحليل المركب (العقدي). سيمون بواسون وليوفيل Liouville و جان-بابتيست جوزيف فورييه وآخرون قاموا بدراسة المعادلات التفاضلية الجزئية والتحليل التوافقي harmonic analysis.
في منتصف القرن قدم بيرنارد ريمان نظريته حول التكامل . جاء بعده كارل فايرشتراس الذي قام بحسبنة arithmetization التحليل في نهاية القرن التاسع عشر ، معبرا عن شكوكه ان البرهنة الهندسية تحوي خللا مضللا و هنا قام بتقديم تعريف ε-δ للنهاية .
بدأ عندها شك الرياضيون بأنهم يفترضون وجود استمرارية continuum في الأعداد الحقيقية بدون برهان . قام عندها ديديكايند بتشكيل الأعداد الحقيقية باستخدام حد ديديكايند Dedekind cut . في ذات الوقت تتالت المحاولات لتحسين مبرهنة تكامل ريمان مما أدى لدراسة "حجم" مجموعة تقطعات discontinuity الدوال الحقيقية .
ضمن هذا السياق ، قام كاميل جوردان بتطوير نظريته حول القياس ، في حين طور كانتور ما يمكن تسميته حاليا بنظرية المجموعات المبسطة ، باير قام بالبرهنة عن مبرهنة تصنيف باير. في أوائل القرن العشرين، تمت صياغة التحليل الرياضي باستخدام نظرية المجموعات البدهياتية axiomatic set theory. قام هنري ليون ليبيسيغ Henri Leon Lebesgue بحل مشكلة القياس، في حين قام هلبرت بتقديم فضاء هلبرت لحل المعادلات التكاملية. كانت فكرة الفضاء الشعاعي المنظم normed vector space تلوح في الأفق ، في عام 1920 قام ستيفان باناخ بإيجاد التحليل الدالي functional analysis.
فروع التحليل الرياضي
تحليل حقيقي.
تحليل مركب.
تحليل دالي.
نظرية المقياس.
معادلات تفاضلية
معادلات تكاملية
نظرية التحويلات
هندسة رياضية
الهندسة الرياضية ( Geometry) أحد فروع الرياضيات التي تتعامل مع العلاقات المكانية (الحيزية) ، و ما يمكن تشكيله من ارتباط نقاط الفراغ لتعطي ما يدعى بالأشكال الهندسية . في البداية كان الرياضيات فرعان فقط : دراسة الأعداد و الهندسة ، لكن التطورات اللاحقة للرياضيات شهدت نشوء فروع متعددة أهمها الجبر لحقها عملية تداخل الهندسة مع الجبر (تعد عملية حسبنة الهندسة و جبرنة الهندسة حسب مصطلحات رشدي راشد أهم إسهامات العلماء العرب المسلمون في تطوير الرياضيات).
يميّز الناس الفضاء ببعض المعايير الأساسية, او ما يسمى بالمسلمات, التي تؤسس الهندسة. مثل هذه المسلمات لا تحتاج إلى برهان ، لكن يمكن أن تستخدم بالإرتباط مع التعاريف الرياضية للنقاط، الخطوط المستقيمة، الأقواس، السطوح، والمساحات للتوصّل إلى إستنتاجات منطقيّة. والهندسة الرياضية يطلق عليها علم الفراغات لانها تدرس الهندسة في ابعادها المختلفة . الرياضيات الحديثة شهدت توسعا هائلا في علوم الرياضيات و تفرعت الهندسة لعدة فروع بعضها يتعامل مع فضاءات لاإقليدية .وصلت الهندسة إلى مستويات عالية من التجريد و التعقيد ، و أصبحت حقلا تطبيقيا لفروع حديثة من الرياضيات مثل علم الحسبان و الجبر التجريدي ، لذلك نجد صعوبة في التمييز بين فروع الرياضيات حاليا بعكس ما كان عليه الحال في بدايات البحث الرياضي .
بواكير الهندسة
أول بدايات للهندسة سجلها التاريخ تعود لعصور قديمة قبل الميلاد في مصر القديمة و الهند و بلاد الرافدين (رياضيات مصرية و رياضيات هندية و رياضيات بابلية ) ، كانت الدراسات الهندسية القديمة تهتم بمكتشفات بسيطة تخص مواضيع الأطوال و الزوايا و المساحات و الحجوم التي طورت لتلبي حاجات البناء و العمارة و علم الفلك . بعض مواضيع الهندسة القديمة كانت متقدمة بشكل ملفت خصوصا أن البعض يعتبر مثل هذه الدراسات صعبة بدون معرفة علوم رياضية حديثة مثل الحسبان Calculus مثلا كان المصريون و البابليون يعرفون بشكل ما ، ما يمكن اعتباره صيغة تشبه نظرية فيثاغورس ، كما هناك دلائل أن البابليين كان لديهم جداول مثلثية .
برامج لدراسة الهندسة
هناك العديد من البرمجيات المتطورة التي تساهم في دراسة الهندسة الإقليدية المستوية والفراغية وعلى رأسها برنامج السبورة الذكية.
رياضيات تطبيقية
الرياضيات التطبيقية هي فروع الرياضيات التي تهتم بدراسة وتطوير أساليب الرياضيات لتستخدم في المجالات العلمية الأخرى، منها الاحتمال والإحصاء ونظرية الألعاب والفيزياء.
اتـــــــــــــمني الـــــــفائده للجــــــــــــــميع