数学

词源

西方语言中“数学”（希腊语：μαθηματικά）一词源自于古希腊语的μάθημα（máthēma），其有“学习”、“学问”、“科学”，以及另外还有个较狭义且技术性的意思－“数学研究”，即使在其语源内。其形容词μαθηματικός（mathēmatikós），意思为和学习有关的或用功的，亦会被用来指数学的。其在英语中表面上的复数形式，及在法语中的表面复数形式les mathématiques，可溯至拉丁文的中性复数mathematica，由西塞罗译自希腊文复数τα μαθηματικά（ta mathēmatiká），此一希腊语被亚里士多德拿来指“万物皆数”的概念。
汉字表示的“数学”一词大约产生于中国宋元时期。多指象数之学，但有时也含有今天上的数学意义，例如，秦九韶的《数学九章》（《永乐大典》记，即《数书九章》也被宋代周密所著的《癸辛杂识》记为《数学大略》）、《数学通轨》（明代柯尚迁著）、《数学钥》（清代杜知耕著）、《数学拾遗》（清代丁取忠撰）。直到1939年，经过中国数学名词审查委员会研究“算学”与“数学”两词的使用状况后，确认以“数学”表示今天意义上的数学含义。

历史

数学有着久远的历史。它被认为起源于人类早期的生产活动：中国古代的六艺之一就有“数”，数学一词在西方有希腊语词源μαθηματικός（mathematikós），意思是“学问的基础”，源于μάθημα（máthema，“科学，知识，学问”）。
史前的人类就已尝试用自然的法则来衡量物质的多少、时间的长短等抽象的数量关系，比如时间单位有日、季节和年等。算术（加减乘除）也自然而然地产生了。古代的石碑及泥版亦证实了当时已有几何的知识。
更进一步则需要写作或其他可记录数字的系统，如符木或于印加帝国内用来储存数据的奇普。历史上曾有过许多不同的记数系统。
在最初有历史记录的时候，数学内的主要原理是为了做税务和贸易等相关计算，为了解数字间的关系，为了测量土地，以及为了预测天文事件而形成的。这些需要可以简单地被概括为数学对数量、结构、空间及时间方面的研究。
到了16世纪，算术、初等代数以及三角学等初等数学已大体完备。17世纪变量概念的产生使人们开始研究变化中的量与量的互相关系和图形间的互相变换，微积分的概念也在此时形成。随着数学转向形式化，为研究数学基础而产生的集合论和数理逻辑等也开始发展。数学的重心从求解实际问题转变到对一般形式上的思考。

从古至今，数学便一直不断地延展，且与科学有丰富的相互作用，两者的发展都受惠于彼此。在历史上有着许多数学发现，并且直至今日都不断地有新的发现。据Mikhail B. Sevryuk于美国数学会通报2006年1月的期刊中所说，“存放于数学评论数据库中论文和书籍的数量自1940年（数学评论的创刊年份）现已超过了一百九十万份，而且每年还增加超过七万五千份。此一学海的绝大部分为新的数学定理及其证明。”

形成、纯数学与应用数学及美学

每当有涉及数量、结构、空间及变化等方面的困难问题时，通常就需要用到数学工具去解决问题，而这往往也拓展了数学的研究范畴。一开始，数学的运用可见于贸易、土地测量及之后的天文学。今日，所有的科学都存在着值得数学家研究的问题，且数学本身亦给出了许多的问题。牛顿和莱布尼兹是微积分的发明者，费曼发明了费曼路径积分，这是推理及物理洞察二者的产物，而今日的弦理论亦引申出新的数学。一些数学只和生成它的领域有关，且用来解答此领域的更多问题。但一般被一领域生成的数学在其他许多领域内也十分有用，且可以成为一般的数学概念。即使是“最纯的”数学通常亦有实际的用途，此一非比寻常的事实，被1963年诺贝尔物理奖得主维格纳称为“数学在自然科学中不可想像的有效性”。
如同大多数的研究领域，科学知识的爆发导致了数学的专业化。主要的分歧为纯数学和应用数学。在应用数学内，又被分成两大领域，并且变成了它们自身的学科——统计学和计算机科学。
许多数学家谈论数学的优美，其内在的美学及美。“简单”和“一般化”即为美的一种。另外亦包括巧妙的证明，如欧几里得对存在无限多素数的证明；又或者是加快计算的数值方法，如快速傅里叶变换。高德菲·哈罗德·哈代在《一个数学家的自白》一书中表明他相信单单是美学上的意义，就已经足够作为纯数学研究的正当理由。

符号、语言与精确性

我们现今所使用的大部分数学符号在16世纪后才被发明出来的。在此之前，数学以文字的形式书写出来，这种形式会限制了数学的发展。现今的符号使得数学对于专家而言更容易掌握，但初学者却常对此望而却步。它被极度的压缩：少量的符号包含着大量的讯息。如同音乐符号一般，现今的数学符号有明确的语法，并且有效地对讯息作编码，这是其他书写方式难以做到的。符号化和形式化使得数学迅速发展，并帮助各个科学领域建立基础支撑理论。
数学语言亦对初学者而言感到困难。如“或”和“只”这些字有着比日常用语更精确的意思。亦困恼著初学者的，如“开放”和“域”等字在数学里有着特别的意思。数学术语亦包括如“同胚”及“可积性”等专有名词。但使用这些特别符号和专有术语是有其原因的：数学需要比日常用语更多的精确性。数学家将此对语言及逻辑精确性的要求称为“严谨”。但在现实应用中，舍弃一些严谨性往往会得到更好的结果。
严谨是数学证明中很重要且基本的一部分。数学家希望他们的定理以系统化的推理依著公理被推论下去。这是为了避免依著不可靠的直观而推出错误的“定理”，而这情形在历史上曾出现过许多的例子。在数学中被期许的严谨程度因着时间而不同：希腊人期许著仔细的论证，但在牛顿的时代，所使用的方法则较不严谨。牛顿为了解决问题所做的定义，到了十九世纪才重新以小心的分析及正式的证明来处理。今日，数学家们则持续地在争论电脑协助证明的严谨度。当大量的计算难以被验证时，其证明亦很难说是足够地严谨。
公理在传统的思想中是“不证自明的真理”，但这种想法是有问题的。在形式上，公理只是一串符号，其只对可以由公理系统导出的公式之内容有意义。希尔伯特计划即是想将所有的数学放在坚固的公理基础上，但依据哥德尔不完备定理，每一相容且能蕴涵皮亚诺公理的公理系统必含有一不可决定的公式；因而所有数学的最终公理化是不可能的。尽管如此，数学常常被想像成只是某种公理化的集合论，在此意义下，所有数学叙述或证明都可以写成集合论的公式。

数学作为科学

卡尔·弗里德里希·高斯称数学为“科学的皇后”。在拉丁原文Regina Scientiarum，以及其德语Königin der Wissenschaften中，对应于“科学”的单字的意思皆为知识（领域）。而实际上，science一词在英语内本来就是这个意思，且无疑问地数学在此意义下确实是一门“科学”。将科学限定在自然科学则是在此之后的事。若认为科学是只指物理的世界时，则数学，或至少是纯数学，不会是一门科学。爱因斯坦曾如此描述：“数学定律越和现实有关，它们越不确定；若它们越是确定的话，它们和现实越不会有关。”
许多哲学家相信数学在经验上不具可否证性，且因此不是卡尔·波普尔所定义的科学。但在1930年代时，在数理逻辑上的重大进展显示数学不能归并至逻辑内，且波普尔推断“大部分的数学定律，如物理及生物学一样，是假设演绎的：纯数学因此变得更接近其假设为猜测的自然科学，比它现在看起来更接近。”然而，其他的思想家，如较著名的拉卡托斯，便提供了一个关于数学本身的可否证性版本。
另一观点则为某些科学领域（如理论物理）是其公理为尝试着符合现实的数学。而事实上，理论物理学家齐曼（John Ziman）即认为科学是一种公众知识，因此亦包含着数学。在任何的情况下，数学和物理科学的许多领域都有着很多相同的地方，尤其是从假设所得的逻辑推论之探索。直觉和实验在数学和科学的猜想建构上皆扮演着重要的角色。实验数学在数学中的重要性正持续地在增加，且计算和模拟在科学及数学中所扮演的角色也越来越加重，减轻了数学不使用科学方法的缺点。在史蒂芬·沃尔夫勒姆2002年的著作《一种新科学》中他提出，计算数学应被视为其自身的一科学领域来探索。
数学家对此的态度并不一致。一些研究应用数学的数学家觉得他们是科学家，而那些研究纯数学的数学家则时常觉得他们是在一门较接近逻辑的领域内工作，且因此基本上是个哲学家。许多数学家认为称他们的工作是一种科学，是低估了其美学方面的重要性，以及其做为七大博雅教育之一的历史；另外亦有人认为若忽略其与科学之间的关联，是假装没看到数学和其在科学与工程之间的交互影响，进而促进了数学在许多科学上的发展此一事实。这两种观点之间的差异在哲学上产生了数学是“被创造”（如艺术）或是“被发现”（如科学）的争议。大学院系划分中常见“科学和数学系”，这指出了这两个领域被看作有紧密联系而非一样。实际上，数学家通常会在大体上与科学家合作，但在细节上却会分开。此争议亦是数学哲学众多议题的其中一个。

数学的各领域

如上所述，数学主要的学科最先产生于商业上计算的需要、了解数字间的关系、测量土地及预测天文事件。这四种需要大致地与数量、结构、空间及变化（即算术、代数、几何及分析）等数学上广泛的子领域相关连着。除了上述主要的关注之外，亦有用来探索由数学核心至其他领域上之间的连结的子领域：至逻辑、至集合论（基础）、至不同科学的经验上的数学（应用数学）、及较近代的至不确定性的严格研究。

应用数学

应用数学思考将抽象的数学工具运用在解答科学、工商业及其他领域上之现实问题。应用数学中的一重要领域为统计学，它利用概率论为其工具并允许对含有机会成分的现象进行描述、分析与预测。大部分的实验、调查及观察研究需要统计对其数据的分析。（许多的统计学家并不认为他们是数学家，而比较觉得是合作团体的一分子。）数值分析研究有什么计算方法，可以有效地解决那些人力所限而算不出的数学问题；它亦包含了对计算中舍入误差或其他来源的误差之研究。