数学

詞源

西方語言中「數學」（希臘語：μαθηματικά）一詞源自於古希臘語的μάθημα（máthēma），其有「學習」、「學問」、「科學」，以及另外還有個較狹義且技術性的意思－「數學研究」，即使在其語源內。其形容詞μαθηματικός（mathēmatikós），意思為和學習有關的或用功的，亦會被用來指數學的。其在英語中表面上的複數形式，及在法語中的表面複數形式les mathématiques，可溯至拉丁文的中性複數mathematica，由西塞羅譯自希臘文複數τα μαθηματικά（ta mathēmatiká），此一希臘語被亞里士多德拿來指「萬物皆數」的概念。
漢字表示的「數學」一詞大約產生於中國宋元時期。多指象數之學，但有時也含有今天上的數學意義，例如，秦九韶的《數學九章》（《永樂大典》記，即《數書九章》也被宋代周密所著的《癸辛雜識》記爲《數學大略》）、《數學通軌》（明代柯尚遷著）、《數學鑰》（清代杜知耕著）、《數學拾遺》（清代丁取忠撰）。直到1939年，經過中國數學名詞審查委員會研究「算學」與「數學」兩詞的使用狀況後，確認以「數學」表示今天意義上的數學含義。

歷史

數學有著久遠的歷史。它被認為起源於人類早期的生產活動：中國古代的六藝之一就有「數」，數學一詞在西方有希臘語詞源μαθηματικός（mathematikós），意思是「學問的基礎」，源於μάθημα（máthema，「科學，知識，學問」）。
史前的人類就已嘗試用自然的法則來衡量物質的多少、時間的長短等抽象的數量關係，比如時間單位有日、季節和年等。算術（加減乘除）也自然而然地產生了。古代的石碑及泥版亦證實了當時已有幾何的知識。
更進一步則需要寫作或其他可記錄數字的系統，如符木或於印加帝國內用來儲存數據的奇普。歷史上曾有過許多不同的記數系統。
在最初有歷史記錄的時候，數學內的主要原理是為了做稅務和貿易等相關計算，為了解數字間的關係，為了測量土地，以及為了預測天文事件而形成的。這些需要可以簡單地被概括為數學對數量、結構、空間及時間方面的研究。
到了16世紀，算術、初等代數以及三角學等初等數學已大體完備。17世紀變量概念的產生使人們開始研究變化中的量與量的互相關係和圖形間的互相變換，微積分的概念也在此時形成。隨著數學轉向形式化，為研究數學基礎而產生的集合論和數理邏輯等也開始發展。數學的重心從求解實際問題轉變到對一般形式上的思考。

從古至今，數學便一直不斷地延展，且與科學有豐富的交互作用，兩者的發展都受惠於彼此。在歷史上有著許多數學發現，並且直至今日都不斷地有新的發現。據Mikhail B. Sevryuk於美國數學會通報2006年1月的期刊中所說，「存放於數學評論資料庫中論文和書籍的數量自1940年（數學評論的創刊年份）現已超過了一百九十萬份，而且每年還增加超過七萬五千份。此一學海的絕大部份為新的數學定理及其證明。」

形成、純數學與應用數學及美學

每當有涉及數量、結構、空間及變化等方面的困難問題時，通常就需要用到數學工具去解決問題，而這往往也拓展了數學的研究範疇。一開始，數學的運用可見於貿易、土地測量及之後的天文學。今日，所有的科學都存在著值得數學家研究的問題，且數學本身亦給出了許多的問題。牛頓和萊布尼茲是微積分的發明者，費曼發明了費曼路徑積分，這是推理及物理洞察二者的產物，而今日的弦理論亦引申出新的數學。一些數學只和生成它的領域有關，且用來解答此領域的更多問題。但一般被一領域生成的數學在其他許多領域內也十分有用，且可以成為一般的數學概念。即使是「最純的」數學通常亦有實際的用途，此一非比尋常的事實，被1963年諾貝爾物理獎得主維格納稱為「數學在自然科學中不可想像的有效性」。
如同大多數的研究領域，科學知識的爆發導致了數學的專業化。主要的分歧為純數學和應用數學。在應用數學內，又被分成兩大領域，並且變成了它們自身的學科——統計學和電腦科學。
許多數學家談論數學的優美，其內在的美學及美。「簡單」和「一般化」即為美的一種。另外亦包括巧妙的證明，如歐幾里得對存在無限多質數的證明；又或者是加快計算的數值方法，如快速傅立葉變換。高德菲·哈羅德·哈代在《一個數學家的自白》一書中表明他相信單單是美學上的意義，就已經足夠作為純數學研究的正當理由。

符號、語言與精確性

我們現今所使用的大部分數學符號在16世紀後才被發明出來的。在此之前，數學以文字的形式書寫出來，這種形式會限制了數學的發展。現今的符號使得數學對於專家而言更容易掌握，但初學者卻常對此望而卻步。它被極度的壓縮：少量的符號包含著大量的訊息。如同音樂符號一般，現今的數學符號有明確的語法，並且有效地對訊息作編碼，這是其他書寫方式難以做到的。符號化和形式化使得數學迅速發展，並幫助各個科學領域建立基礎支撐理論。
數學語言亦對初學者而言感到困難。如「或」和「只」這些字有著比日常用語更精確的意思。亦困惱著初學者的，如「開放」和「域」等字在數學裡有著特別的意思。數學術語亦包括如「同胚」及「可積性」等專有名詞。但使用這些特別符號和專有術語是有其原因的：數學需要比日常用語更多的精確性。數學家將此對語言及邏輯精確性的要求稱為「嚴謹」。但在現實應用中，捨棄一些嚴謹性往往會得到更好的結果。
嚴謹是數學證明中很重要且基本的一部份。數學家希望他們的定理以系統化的推理依著公理被推論下去。這是為了避免依著不可靠的直觀而推出錯誤的「定理」，而這情形在歷史上曾出現過許多的例子。在數學中被期許的嚴謹程度因著時間而不同：希臘人期許著仔細的論證，但在牛頓的時代，所使用的方法則較不嚴謹。牛頓為了解決問題所做的定義，到了十九世紀才重新以小心的分析及正式的證明來處理。今日，數學家們則持續地在爭論電腦協助證明的嚴謹度。當大量的計算難以被驗證時，其證明亦很難說是足夠地嚴謹。
公理在傳統的思想中是「不證自明的真理」，但這種想法是有問題的。在形式上，公理只是一串符號，其只對可以由公理系統導出的公式之內容有意義。希爾伯特計劃即是想將所有的數學放在堅固的公理基礎上，但依據哥德爾不完備定理，每一相容且能蘊涵皮亞諾公理的公理系統必含有一不可決定的公式；因而所有數學的最終公理化是不可能的。儘管如此，數學常常被想像成只是某種公理化的集合論，在此意義下，所有數學敘述或證明都可以寫成集合論的公式。

數學作為科學

卡爾·弗里德里希·高斯稱數學為「科學的皇后」。在拉丁原文Regina Scientiarum，以及其德語Königin der Wissenschaften中，對應於「科學」的單字的意思皆為知識（領域）。而實際上，science一詞在英語內本來就是這個意思，且無疑問地數學在此意義下確實是一門「科學」。將科學限定在自然科學則是在此之後的事。若認為科學是只指物理的世界時，則數學，或至少是純數學，不會是一門科學。愛因斯坦曾如此描述：「數學定律越和現實有關，它們越不確定；若它們越是確定的話，它們和現實越不會有關。」
許多哲學家相信數學在經驗上不具可否證性，且因此不是卡爾·波普爾所定義的科學。但在1930年代時，在數理邏輯上的重大進展顯示數學不能歸併至邏輯內，且波普爾推斷「大部份的數學定律，如物理及生物學一樣，是假設演繹的：純數學因此變得更接近其假設為猜測的自然科學，比它現在看起來更接近。」然而，其他的思想家，如較著名的拉卡托斯，便提供了一個關於數學本身的可否證性版本。
另一觀點則為某些科學領域（如理論物理）是其公理為嘗試著符合現實的數學。而事實上，理論物理學家齊曼（John Ziman）即認為科學是一種公眾知識，因此亦包含著數學。在任何的情況下，數學和物理科學的許多領域都有著很多相同的地方，尤其是從假設所得的邏輯推論之探索。直覺和實驗在數學和科學的猜想建構上皆扮演著重要的角色。實驗數學在數學中的重要性正持續地在增加，且計算和模擬在科學及數學中所扮演的角色也越來越加重，減輕了數學不使用科學方法的缺點。在史蒂芬·沃爾夫勒姆2002年的著作《一種新科學》中他提出，計算數學應被視為其自身的一科學領域來探索。
數學家對此的態度並不一致。一些研究應用數學的數學家覺得他們是科學家，而那些研究純數學的數學家則時常覺得他們是在一門較接近邏輯的領域內工作，且因此基本上是個哲學家。許多數學家認為稱他們的工作是一種科學，是低估了其美學方面的重要性，以及其做為七大博雅教育之一的歷史；另外亦有人認為若忽略其與科學之間的關聯，是假裝沒看到數學和其在科學與工程之間的交互影響，進而促進了數學在許多科學上的發展此一事實。這兩種觀點之間的差異在哲學上產生了數學是「被創造」（如藝術）或是「被發現」（如科學）的爭議。大學院系劃分中常見「科學和數學系」，這指出了這兩個領域被看作有緊密聯繫而非一樣。實際上，數學家通常會在大體上與科學家合作，但在細節上卻會分開。此爭議亦是數學哲學眾多議題的其中一個。

數學的各領域

如上所述，數學主要的學科最先產生於商業上計算的需要、了解數字間的關係、測量土地及預測天文事件。這四種需要大致地與數量、結構、空間及變化（即算術、代數、幾何及分析）等數學上廣泛的子領域相關連著。除了上述主要的關注之外，亦有用來探索由數學核心至其他領域上之間的連結的子領域：至邏輯、至集合論（基礎）、至不同科學的經驗上的數學（應用數學）、及較近代的至不確定性的嚴格研究。

應用數學

應用數學思考將抽象的數學工具運用在解答科學、工商業及其他領域上之現實問題。應用數學中的一重要領域為統計學，它利用機率論為其工具並允許對含有機會成分的現象進行描述、分析與預測。大部份的實驗、調查及觀察研究需要統計對其資料的分析。（許多的統計學家並不認為他們是數學家，而比較覺得是合作團體的一份子。）數值分析研究有什麼計算方法，可以有效地解決那些人力所限而算不出的數學問題；它亦包含了對計算中捨入誤差或其他來源的誤差之研究。