Khái niệm hình học và đại số

Đại số Đại số là một ngành toán học nghiên cứu một cách trừu tượng hệ thống số đếm và các phép tính giữa chúng, bao gồm cả một số chủ đề cao cấp như lý thuyết nhóm, vành, trường, lý thuyết bất biến ... Đại số được xem như là ngành toán học mở rộng hóa và trừu tượng hóa của bộ môn số học. Đại số giảng dạy trong trường phổ thông chủ yếu liên quan đến các phép tính trên số thực, các hàm số, phương trình và đồ thị sơ cấp. Các nhà toán học gọi môn này là đại số sơ cấp. Xem thêm mục phân loại bên dưới. Lịch sử Nguồn gốc của đại số được tìm thấy trong các nền văn minh của người Ai Cập và Babylon cổ đại, là những người sử dụng đại số để giải các phương trình tuyến tính, phương trình bậc hai và phương trình vô định hơn 3.000 năm trước. Khoảng năm 300 TCN nhà toán học Hy Lạp Euclid (đọc là Ơclit) trong tập 2 của cuốn sách Những nguyên lý (Στοιχεία) gồm 13 tập đã nhắc tới phương trình bậc hai. Khoản năm 100 TCN các phương trình đại số được giải trong cuốn sách toán học của người Trung Quốc Jiuzhang suanshu, (Cửu chương toán học). Khoảng năm 150 nhà toán học Hy Lạp Hero ở Alexandria đã giải các phương trình đại số trong 3 quyển tuyển tập toán học của mình. Khoảng năm 200 nhà toán học Hy Lạp Diophantus, thường được nhắc tới như là "cha đẻ của đại số", đã viết cuốn sách nổi tiếng của mình Arithmetica, là một công trình đưa ra lời giải của các phương trình đại số và về lý thuyết số. Từ algebra trong một số ngôn ngữ nước ngoài để chỉ đại số có nguồn gốc từ tên của luận văn được viết bởi nhà toán học Ba Tư Al-Khwarizmi năm 820 với tiêu đề: Kitab al- mukhtasar fi Hisab Al-Jabr wa-al-Moghabalah có nghĩa là Cuốn sách tóm tắt liên quan đến tính toán bằng đổi chỗ và rút gọn. Từ al-jabr (từ đó mà có từ algebra) có nghĩa là "hợp nhất", "liên kết" hay "hoàn thiện". hân loại Đại số sơ cấp Môn học này nghiên cứu thuộc tính của các phép tính trên số thực, sử dụng các ký hiệu thế chỗ để biểu diễn các hằng số và biến số, vận dụng các quy tắc biến đổi các biểu thức toán học và các phương trình chứa những ký hiệu này. Đại số đại cương Trong môn học này các cấu trúc đại số như nhóm, vành, trường được định nghĩa như các tiên đề và được nghiên cứu. Đại số tuyến tính Môn học này nghiên cứu các thuộc tính đặc trung của không gian vectơ. Các chủ đề chính Dưới đây là một số chủ đề chính của đại số: • Các bất biến đại số • Các đa thức • Các đại số mang tên người • Các đẳng thức đại số • Các đường cong đại số • Các đường cong elíp • Các nhân thức • Các nhóm sóng • Các phép biến đổi đại số • Các phương trình đại số • Các tính chất đại số • Các tổng đại số • Cyclotomy • Dạng bình phương • Đại số đồng điều • Đại số không giao hoán • Đại số phổ dụng • Đại số tuyến tính • Đại số tổng quát • Đại số véctơ • Đại số vô hướng • Hình học đại số • Lý thuyết giá trị • Lý thuyết mã hoá • Lý thuyết nhóm • Lý thuyết nửa nhóm • Lý thuyết số • Lý thuyết trường đại số • Lý thuyết vành Các loại phương trình đại số Có nhiều loại phương trình đại số. Một số được liệt kê dưới đây: • Phương trình tuyến tính • Phương trình bậc hai • Phương trình bậc ba • Phương trình mũ Tam thức Linh tinh Từ đại số còn được sử dụng cho các cấu trúc đại số khác: • Đại số trên trường (K-algebra) • Đại số trên tập hợp • Đại số Bool • Đại số sigma (σ-algebra) Hình học Hình học là ngành toán học nghiên cứu liên hệ không gian. Dùng kinh nghiệm, hay có lẽ bằng trực giác, người ta nhận ra không gian theo những đặc điểm cơ bản, thuộc hình học gọi là hệ tiên đề. Hệ tiên đề bao gồm các khái niệm nguyên thủy không định nghĩa và các tiên đề (còn được gọi là các định đề) không chứng minh quy định mối quan hệ giữa các khái niệm ấy. Hình học Euclid Hệ tiên đề hình học đầu tiên được tập hợp hệ thống và công bố trong tác phẩm Cơ sở của Euclid. Hệ tiên đề này lấy mô hình từ không gian vật lý theo nhận thức của thời đó. Các khái niệm nguyên thuỷ trong hệ tiên đề này là điểm,đường thẳng và mặt phẳng. Từ ba khái niệm cơ bản này và một số rất ít các tiên đề, Euclid đã xây dựng thành nội dung toàn bộ môn hình học ở phổ thông hiện nay, mà sau này các nhà toán học gọi là hình học Euclid. Tuy nhiên, các tiên đề/định đề và một số khái niệm do Euclid xây dựng chưa đủ chặt chẽ do chưa có sự hoàn thiện về lý thuyết tập hợp. Sau này David Hilbert đã hoàn chỉnh lại thành một hệ tiên đề chặt chẽ và hoàn chỉnh. Môn hình học dạy trong chương trình phổ thông hiện nay thường chia ra hình học phẳng và hình học không gian. Hình học là một trong những môn học xuất hiện khá sớm. Hàng ngàn năm trước Công nguyên, con người đã phải đo đạc các thửa ruộng, đong thóc gạo khi thu hoạch, xây dựng những kim tự tháp khổng lồ. Môn hình học lúc đầu ra đời có ý nghĩa là là một khoa học về đo đạc. Nhưng rồi, con người không phải chỉ cần đo đất, mà cần nghiên cứu nhiều điều phức tạp hơn. Tuy nhiên, hình học chỉ trở thành môn khoa học thực sự khi con người nêu lên các tính chất hình học bằng con đường suy diễn chặt chẽ, chứ không phải từ đo đạc trực tiếp. Định đề thứ 5 của Euclid và Hình học phi Euclid Định đề thứ năm của Euclid gây nhiều sự chú ý của các nhà toán học vì nội dung của nó khá dài. Theo ngôn ngữ hiện nay thì định đề này có nội dung là: "Qua một điểm ở ngoài một đường thẳng luôn có và chỉ có đúng một đường thẳng song song với đường thẳng đã cho". Nhiều nhà toán học nghi ngờ rằng nó là một định lý, nghĩa là có thể suy ra từ các tiên đề khác và loay hoay tìm cách chứng minh nó. Nhưng không một ai thành công. Đến thế kỷ thứ 19, hầu như đồng thời và độc lập với nhau, ba nhà toán học ở Nga (Nikolai Ivanovich Lobachevsky), Đức (Carl Friedrich Gauss), và Hungary (János Bolyai) đã đặt ra một tư duy mới mẻ: "Chứng minh rằng nó không thể chứng minh được". Điều đó có nghĩa là ta có thể xây dựng một thứ hình học khác, trong đó tiên đề thứ năm là không đúng. Cả ba người đều đạt được kết quả. Từ đó ra đời hình học phi Euclid. Hình học fractal Fractal là một thuật ngữ do nhà Toán học Mandelbrot đưa ra khi ông khảo sát những hình hoặc những hiện tượng trong thiên nhiên không có đặc trưng về độ dài. Mandelbrot là nhà toán học vĩ đại của thế kỷ 20. Ông nó rằng: “Các đám mây không phải là hình cầu, các ngọn núi không phải là hình nón”. Theo ông Fractal là chỉ những đối tượng hình học có hình dáng ghồ ghề, không trơn nhẵn trong thiên nhiên. Cụ thể hơn đó là những vật thể có tính đối xứng sắp xếp trong một phạm vi nhất định, có nghĩa là khi ta chia một vật thể fractal, với hình dáng ghồ ghề, gãy góc ra thành những phần nhỏ thì nó vẫn có được đặc tính đối xứng trong một cấu trúc tưởng như hỗn đoạn. Hình dáng các đám mây, đường đi của các tia chớp là những ví dụ mà ta dễ nhìn thấy được. Rất nhiều người, khi có dịp làm quen với hình học fractal đã nhanh chóng thích thú có khi đến say mê, bởi nhiều lý do: Một là, hình học fractal ra đời và phát triển với nhiều ý tưởng mới lạ, độc đáo, gợi cho ta một cách nhìn thiên nhiên khác với cách nhìn quá quen thuộc do hình học Euclid đưa lại từ mấy nghìn năm nay. Hai là, hình học fractal thường được xây dựng với quy tắc khá đơn giản, nhưng đưa đến những hình ảnh rất lạ mắt, rất đẹp. Ba là, hình học fractal có nhiều ứng dụng phong phú, đa dạng, có khi rất bất ngờ vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau, từ các ngành xây dựng, khai thác dầu khí, chế tạo dụng cụ chính xác… đến sinh lý học, ngôn ngữ học, âm nhạc. Bốn là, hình học fractal là một ngành toán học cao cấp, hiện đại nhưng một số ý tưởng của nó, một số kết quả đơn giản của nó có thể trình bày thích hợp cho đông đảo người đọc. Hình học Euclid được giới thiệu ở trường trung học với việc khảo sát các hình đa giác, hình tròn, hình đa diện, hình cầu, hình nón…Hơn hai nghìn năm qua hình học Euclid đã có tác dụng to lớn đối với nền văn minh nhân loại, từ việc đo đạc ruộng đất đến vẽ đồ án xây dựng nhà cửa, chế tạo vật dụng và máy móc, từ việc mô tả quỹ đạo của các hành tinh trong hệ mặt trời đến mô tả cấu trúc của nguyên tử. Tuy nhiên, qua hình học Euclid ta nhìn mọi vật dưới dạng “đều đặn”, ”trơn nhẵn”. Với những hình dạng trong hình học Euclid ta không thể hình dung và mô tả được nhiều vật thể rất quen thuộc xung quanh như quả núi, bờ biển, đám mây, nhiều bộ phận trong cơ thể như mạch máu… là những vật cụ thể cực kỳ không đều đặn không trơn nhẵn mà rất xù xì, gồ ghề. Một ví dụ đơn giản: bờ biển đảo Phú Quốc dài bao nhiêu? Ta không thể có được câu trả lời. Nếu dùng cách đo hình học quen thuộc dù thước đo có nhỏ bao nhiêu đi nữa ta cũng đã bỏ qua những lồi lõm giữa hai đầu của thước đo ấy, nhất là chỗ bờ đá nhấp nhô. Và với thước đo càng nhỏ ta có chiều dài càng lớn và có thể là… vô cùng lớn.