מתמטיקה עיונית

מתמטיקה עיונית (קרויה גם מתמטיקה טהורה) היא ענף של המתמטיקה שעוסק במתמטיקה מתוך עניין בתכונות מתמטיות בלבד, ללא יעדים יישומיים בענפי מדע אחרים כגון פיזיקה, אסטרונומיה או הנדסה. בהתאם לכך, ניתן לתאר את המתמטיקה העיונית כ"מתמטיקה לא בהכרח שימושית". מתמטיקה עיונית ומתמטיקה שימושית משתמשים באותם כלים מתמטיים (כגון אקסיומות, משפטים והוכחות) והגבול בין שני ענפים אלה אינו חד, ובפועל ישנה חפיפה רבתי בפעילות של המתמטיקה העיונית והמתמטיקה השימושית: על-מנת לפתח מודלים מדויקים לתיאור העולם החיצוני, רבים מן המתמטיקאים של הזרם השימושי שואלים כלים וטכניקות הנחשבים ל"עיוניים", ומאידך רבים מן המתמטיקאים העיוניים נשענים בעבודותיהם על מושגים טבעיים וחברתיים כהשראה למחקרם המופשט. מתמטיקאים יוונים מהעת העתיקה היו מהראשונים להבחין בין מתמטיקה עיונית לשימושית. אפלטון סייע ליצור את ההבחנה בין "אריתמטי", שנקרא תורת המספרים כיום, לבין "לוגיסטי" שבימינו נודע כאריתמטיקה. אפלטון התייחס לפן הלוגיסטי כיאה לאנשי עסקים ומלחמה אשר "חייבים ללמוד את אמנות המספרים שמא לא יידעו לארגן את חייליהם" ולפן האריתמטי (תורת המספרים) כיאה לפילוסופים "כי עליהם לעלות ממימי השינוי ולהשיג אחיזה בהוויה אמיתית". כאשר נשאל אאוקלידס מאלכסנדריה על ידי אחד מתלמידיו מהו השימוש ללימוד הגאומטריה, ביקש הלה באירוניה מעבדו לשלם מטבע כסף לתלמיד "כי הוא חייב ליצור רווח מידיעותיו". המתמטיקאי היווני אפולוניוס מפרגה שנשאל לגבי השימושיות של חלק מהתיאורמות בספרו הרביעי לחתכים חרוטיים הצהיר: "הן ראויות מעצם ההוכחה עצמה, באותו אופן שאנו מקבלים דברים רבים אחרים במתמטיקה - מסיבה זו ולא אחרת". ומכיוון שרבות מתוצאותיו לא היו ברות יישום למדע או ההנדסה של ימיו, המשיך לדרוש בחשיבותן בהקדמה לספרו החמישי לחתכים חרוטיים בטוענו שהנושא הוא מאותם ה"ראויים ללמידה מעצם היותם ברי קיימא" המונח הונצח אחת ולתמיד עם הקמת כיסא הפרופסור למתמטיקה עיונית (Sadleirian Chair) שיוסד באמצע המאה ה-19. ייתכן והרעיון לדיסציפלינה נפרדת למתמטיקה עיונית עלה באותה תקופה. דורו של המתמטיקאי גאוס לא עשה הבחנה בולטת בין המתמטיקה השימושית למתמטיקה עיונית. מאוחר יותר, גם התמחות ופרופסורה בענף העיוני (במיוחד לאור גישתו של קארל ויירשטראס לאנליזה מתמטית), נתנו משנה תוקף ללגיטימיות של המתמטיקה העיונית. עם תחילת המאה העשרים אימצו מתמטיקאים את המתודה האקסיומטית במיוחד לאחר ניסיון האקסיומטיזציה של הגאומטריה אוקלידית על ידי דויד הילברט. הניסוח הלוגי של המתמטיקה העיונית שהוצע על ידי ברטראנד ראסל באמצעים של מבנה כימות של טענות לוגיות נראה יותר ויותר בר תוקף, שכן חלקים נרחבים של המתמטיקה יוצגו בעזרת המערכת האקסיומטית מה שהקל את המשימה למציאת קריטריונים להוכחה ריגורוזית. למעשה, במערכת אקסיומטית, הריגורוזיות לא תורמת במאומה לרעיון ההוכחה. לפי השקפתם של חברי ניקולא בורבאקי, המתמטיקה העיונית היא בפני עצמה ההוכחה. אחת התפישות המרכזיות במתמטיקה העיונית היא רעיון הכלליות; לעיתים יחולו מגמות הקוראות להגברת הכלליות: הכללת משפט או מבנה מתמטי יכולה להוביל להבנה עמוקה יותר של המשפט או המבנה המתמטי כלליות יכולה לפשט את הצגת החומר, הפשטה שתובע על ידי הוכחות קצרות יותר או טיעונים קלים יותר למעקב ניתן להשתמש בכלליות על-מנת להימנע מכפל מאמצים, על ידי הוכחת תוצאה כללית במקום להוכיח מקרים נפרדים באופן פרטני, או על ידי שימוש בתוצאות מתחומים אחרים במתמטיקה כלליות יכולה לגשר בין ענפים שונים של המתמטיקה. תורת הקטגוריות היא תחום אחד במתמטיקה המוקדש לחקר הידמות מבנים בין ענפי מתמטיקה שונים. השפעתה של הכלליות על האינטואיציה תלויה הן בסובייקט והן בהעדפה אישית או סגנון הלימוד. לעיתים, כלליות נתפשת כמכשול לאינטואיציה, על אף שהיא יכולה לשמש כעזר, במיוחד במקרים בהם היא תספק אנלוגיה לנושא אחר בו כבר פותחה אינטואיציה. עוד דוגמה נבחרת לכלליות ניתן למצוא בעבודתו של פליקס קליין בשם תוכנית ארלנגן בה עמל קליין על הרחבה של מושג הגאומטריה כך שיכיל גם גאומטריות לא-אוקלידיות, את ענף הטופולוגיה, וצורות אחרות של גאומטריה על ידי השקפה של גאומטריה כמחקר של חלל בצוותא עם חבורה של טרנספורמציות. חקר המספרים, הקרוי אלגברה בשלבי הלימודים התיכוניים, מתרחב לאלגברה מופשטת בשלב מתקדם יותר; וחקר הפונקציות הקרוי חשבון אינפיניטסימלי, הופך לאנליזה מתמטית ואנליזה פונקציונלית בשלב מתקדם יותר. לכל אחד מהענפים האבסטרקטיים הללו ישנם תתי-תחומי התמחות כך שישנם בפועל קשרים רבים בין הדיסציפלינות העיונית והשימושית. עלייה חדה בזרם האבסטרקציה נרשמה באמצע המאה ה-20 והיא מתבטאת במגוון תחומי חיים ולא רק במתמטיקה. עם זאת בפועל, התפתחויות אלה הובילו לסטייה חדה מתחום הפיזיקה, במיוחד בין השנים 1950–1980. מאוחר יותר, המגמה הזאת ספגה ביקורת מצד ולדימיר ארנולד שהגדירה "יותר מדי הילברט, ולא מספיק פואנקרה". עושה רושם שהמחלוקת טרם נפתרה שכן תורת המיתרים מושכת לכיוון אחד, בעוד מתמטיקה בדידה מושכת לכיוון המנוגד אל עבר ההוכחה כמרכז. אחד הביטויים המובהקים למחלוקת המתמדת בין המתמטיקה העיונית לזו השימושית ניתן למצוא במסתו השנויה במחלוקת של המתמטיקאי ג. ה. הארדי "התנצלותו של מתמטיקאי". נהוג לחשוב שהארדי החשיב את המתמטיקה השימושית כמכוערת ומשעממת. אולם, גם אם אין עוררין שהארדי העדיף את המתמטיקה העיונית, שתדירות הוא השווה לציור או שירה, הוא פשוט ראה את ההבדל בין שתי הגישות בכך שמתמטיקה שימושית ביקשה להביע אמת פיזית באמצעות מתווה מתמטי, בעוד שמתמטיקאים עיוניים הביעו אמיתות בלתי תלויות בעולם האמיתי. הארדי ניסח דיכוטומיה בין מה שהוא קרא מתמטיקה "אמיתית" דהיינו כזאת ש"יש לה ערך אסתטי קבוע" לבין "החלקים הבנאליים והמשעממים של המתמטיקה" להם שימושים פרקטיים בחיי היומיום. הארדי התייחס גם לפיזיקאים מסוימים, כגון איינשטיין ודיראק, כמתמטיקאים "אמיתיים", אך בזמן כתיבתו את "ההתנצלות" הוא החשיב את תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוואנטים כחסרי תועלת, מה שהתיר לו להמשיך להחזיק בדעה שרק מתמטיקה "בנאלית" היא שימושית. יתר על כן, כאשר החל במפתיע יישומן של תורת המטריצות ותורת הקבוצות לענפי פיזיקה שונים, הודה הארדי שיום יבוא בו תיתכן מתמטיקה יפה ו"אמיתית" שתוכל להיות מיושמת. תובנה מעניינת נוספת על הנושא הוצעה על ידי אנדי מאגיד: "תמיד חשבתי שמודל מוצלח לאנלוגיה כאן יכול להילקח מתורת החוגים. בנושא זה, תת-שדות קומוטטיבים (חילופיים) ולא-קומוטטביים יפורשו על ידי צופה הדיוט כדיכוטומיה בעוד שלמעשה האחרון מכיל את הראשון: חוג לא קומוטטיבי הוא חוג-לא-בהכרח-קומוטטיבי. אם נרחיב את מוסכמה זו לנושא המתמטיקה השימושית וה"לא-שימושית", נוכל להגדיר את המתמטיקה העיונית כ"מתמטיקה לא-בהכרח-שימושית"." אלגברה מופשטת חוקרת קבוצות בצוותא עם הפעולות הבינאריות שהן מגדירות. קבוצות ופעולותיהן הבינאריות ניתנות לסיווג על-פי תכונותיהן: לדוגמה, אם מופעלת פעולה אסוציאטיבית על קבוצה שמכילה איבר יחידה ואיברים הופכיים עבור כל יחס של הקבוצה, אז הקבוצה והפעולה נחשבים להיות חבורה. מבנים נוספים כוללים חוגים, שדות, ומרחבים וקטוריים. גאומטריה היא חקר צורות ומרחב, ובפרט חקר קבוצות של טרנספורמציות של המרחב. לדוגמה, גאומטריה פרויקטיבית עוסקת בטרנספורמציות היטליות שפועלות על המישור ההיטלי האמיתי בעוד שאינוורסיה עוסקת בקבוצה של טרנספורמציות היפוכיות הפועלות על המישור המורכב. הגאומטריה התרחבה וכיום כוללת גם את ענף הטופולוגיה אשר עוסק באובייקטים הקרויים מרחבים טופולוגיים ומפות רציפות ביניהם. עיקר עניינה של הטופולוגיה הוא באופן בו מרחבים מתחברים ומתעלמת מחישובים מדוקדקים של מרחק וזוויות. תורת המספרים היא התאוריה של המספרים השלמים החיוביים. היא מבוססת על רעיונות דוגמת התחלקות וקונגרואנציה (יחס שקילות). המשפט היסודי של האריתמטיקה מציין שכל שלם חיובי ניתן לפירוק לגורמיו הראשוניים ושאותה פקטוריזציה ראשונית היא ייחודית רק לו. מבחינות מסוימות, תורת המספרים הוא הענף הכי נגיש מבין תחומי המתמטיקה העיונית: לדוגמה, השערת גולדבך ניתנת להבנה בקלות (גם אם טרם הוכחה או הופרכה). מאידך, במובנים מסוימים תורת המספרים היא הדיסציפלינה הכי פחות נגישה לציבור הרחב; לדוגמה הוכחתו של אנדרו ויילס (שאורכה כמאה עמודים) שלמשוואתו של פרמה אין פתרונות לא-טריוויאליים דורשת הבנה בתבניות אוטומורפיות, שעל-אף זיקתן לטבע, טרם נמצא להן יישום בפיזיקה. פיזיקה תאורטית Andy Magid from the membership magazine Notices of the AMS Nov. 2005 pg. 1173 A History of Mathematics, Second Edition: Carl B. Boyer