第三章三大核心领域.docx
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第三章三大核心领域
第三章三大核心领域
数学发展到现在，已经成为科学世界中拥有100多个主要分支学科的庞大的“共和国”。
大体说来，数学中研究数的部分属于代数学的范畴；研究形的部分，属于几何学的范筹；沟通形与数且涉及极限运算的部分，属于分析学的范围。
这三大类数学构成了整个数学的本体与核心。
在这一核心的周围，由于数学通过数与形这两个概念，与其它科学互相渗透，而出现了许多边缘学科和交叉学科。
本章简要介绍数学三大核心领域中十几门主要分支学科的有关历史发展情况。
一、代数学范畴
1、算术
算术有两种含义，一种是从中国传下来的，相当于一般所说的“数学”，如《九章算术》等。
另一种是从欧洲数学翻译过来的，源自希腊语，有“计算技术”之意。
现在一般所说的“算术”，往往指自然数的四则运算；如果是在高等数学中，则有“数论”的含义。
作为现代小学课程内容的算术，主要讲的是自然数、正分数以及它们的四则运算，并通过由计数和度量而引起的一些最简单的应用题加以巩固。
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算术是数学中最古老的一个分支，它的一些结论是在长达数千年的时间里，缓慢而逐渐地建立起来的。
它们反映了在许多世纪中积累起来，并不断凝固在人们意识中的经验。
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自然数是在对于对象的有限集合进行计算的过程中，产生的抽象概念。
日常生活中要求人们不仅要计算单个的对象，还要计算各种量，例如长度、重量和时间。
为了满足这些简单的量度需要，就要用到分数。
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现代初等算术运算方法的发展，起源于印度，时间可能在10世纪或11世纪。
它后来被阿拉伯人采用，之后传到西欧。
15世纪，它被改造成现在的形式。
在印度算术的后面，明显地存在着我国古代的影响。
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19世纪中叶，格拉斯曼第一次成功地挑选出一个基本公理体系，来定义加法与乘法运算；而算术的其它命题，可以作为逻辑的结果，从这一体系中被推导出来。
后来，皮亚诺进一步完善了格拉斯曼的体系。
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算术的基本概念和逻辑推论法则，以人类的实践活动为基础，深刻地反映了世界的客观规律性。
尽管它是高度抽象的，但由于它概括的原始材料是如此广泛，因此我们几乎离不开它。
同时，它又构成了数学其它分支的最坚实的基础。
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2、初等代数
作为中学数学课程主要内容的初等代数，其中心内容是方程理论。
代数一词的拉丁文原意是“归位”。
代数方程理论在初等代数中是由一元一次方程向两个方面扩展的：
其一是增加未知数的个数，考察由有几个未知数的若干个方程所构成的二元或三元方程组（主要是一次方程组>；其二是增高未知量的次数，考察一元二次方程或准二次方程。
初等代数的主要内容在16世纪便已基本上发展完备了。
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古巴比伦（公元前19世纪～前17世纪>解决了一次和二次方程问题，欧几里得的《原本》（公元前4世纪>中就有用几何形式解二次方程的方法。
我国的《九章算术》（公元1世纪>中有三次方程和一次联立方程组的解法，并运用了负数。
3世纪的丢番图用有理数求一次、二次不定方程的解。
13世纪我国出现的天元术（李冶《测圆海镜》>是有关一元高次方程的数值解法。
16世纪意大利数学家发现了三次和四次方程的解法。
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代数学符号发展的历史，可分为三个阶段。
第一个阶段为三世纪之前，对问题的解不用缩写和符号，而是写成一篇论文，称为文字叙述代数。
第二个阶段为三世纪至16世纪，对某些较常出现的量和运算采用了缩写的方法，称为简化代数。
三世纪的丢番图的杰出贡献之一，就是把希腊代数学简化，开创了简化代数。
然而此后文字叙述代数，在除了印度以外的世界其它地方，还十分普通地存在了好几百年，尤其在西欧一直到15世纪。
第三个阶段为16世纪以后，对问题的解多半表现为由符号组成的数学速记，这些符号与所表现的内容没有什么明显的联系，称为符号代数。
16世纪韦达的名著《分析方法入门》，对符号代数的发展有不少贡献。
16世纪末，维叶特开创符号代数，经笛卡尔改进后成为现代的形式。
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“＋”、“－”号第一次在数学书中出现，是1489年魏德曼的著作。
不过正式为大家所公认，作为加、减法运算的符号，那是从1514年由荷伊克开始的。
1540年，雷科德开始使用现在使用“＝”。
到1591年，韦达在著作中大量使用后，才逐渐为人们所接受。
1600年哈里奥特创用大于号“＞”和小于号“＜”。
1631年，奥屈特给出“×”、“÷”作为乘除运算符。
1637年，笛卡尔第一次使用了根号，并引进用字母表中头前的字母表示已知数、后面的字母表示未知数的习惯做法。
至于“≮”、“≯”、“≠”这三个符号的出现，那是近代的事了。
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数的概念的拓广，在历史上并不全是由解代数方程所引起的，但习惯上仍把它放在初等代数里，以求与这门课程的安排相一致。
公元前4世纪，古希腊人发现无理数。
公元前2世纪（西汉时期>，我国开始应用负数。
1545年，意大利的卡尔达诺开始使用虚数。
1614年，英国的耐普尔发明对数。
17世纪末，一般的实数指数概念才逐步形成。
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3、高等代数
在高等代数中，一次方程组<即线性方程组）发展成为线性代数理论；而—、二次方程发展成为多项式理论。
前者是向量空间、线性变换、型论、不变量论和张量代数等内容的一门近世代数分支学科，而后者是研究只含有一个未知量的任意次方程的一门近世代数分支学科。
作为大学课程的高等代数，只研究它们的基础。
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1683年关孝和（日本人>最早引入行列式概念。
关于行列式理论最系统的论述，则是雅可比1841年的《论行列式的形成与性质》一书。
在逻辑上，矩阵的概念先于行列式的概念；而在历史上，次序正相反。
凯雷在1855年引入了矩阵的概念，在1858年发表了关于这个课题的第一篇重要文章《矩阵论的研究报告》。
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19世纪，行列式和矩阵受到人们极大的关注，出现了千余篇关于这两个课题的文章。
但是，它们在数学上并不是大的改革，而是速记的一种表达式。
不过已经证明它们是高度有用的工具。
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多项式代数的研究始于对3、4次方程求根公式的探索。
1515年，菲洛解决了被简化为缺2次项的3次方程的求解问题。
1540年，费尔拉里成功地发现了一般4次方程的代数解法。
人们继续寻求5次、6次或更高次方程的求根公式，但这些努力在200多年中付诸东流。
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1746年，达朗贝尔首先给出了“代数学基本定理”的证明（有不完善之处>。
这个定理断言：
每一个实系数或复系数的n次代数方程，至少有一个实根或复根。
因此，一般地说，n次代数方程应当有n个根。
1799年，22岁的高斯在写博士论文中，给出了这个定理的第一个严格的证明。
1824年，22岁的阿贝尔证明了：
高于4次的一般方程的全部系数组成的根式，不可能是它的根。
1828年，年仅17岁的伽罗华创立了“伽罗华理论”，包含了方程能用根号解出的充分必要条件。
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4、数论
以正整数作为研究对象的数论，可以看作是算术的一部分，但它不是以运算的观点，而是以数的结构的观点，即一个数可用性质较简单的其它数来表达的观点来研究数的。
因此可以说，数论是研究由整数按一定形式构成的数系的科学。
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早在公元前3世纪，欧几里得的《原本》讨论了整数的一些性质。
他证明素数的个数是无穷的，他还给出了求两个数的公约数的辗转相除法。
这与我国《九章算术》中的“更相减损法”是相同的。
埃拉托色尼则给出了寻找不大于给定的自然数N的全部素数的“筛法”：
在写出从1到N的全部整数的纸草上，依次挖去2、3、5、7……的倍数（各自的2倍，3倍，……>以及1，在这筛子般的纸草上留下的便全是素数了。
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当两个整数之差能被正整数m除尽时，便称这两个数对于“模”m同余。
我国《孙子算经》（公元4世纪>中计算一次同余式组的“求一术”，有“中国剩余定理”之称。
13世纪，秦九韶已建立了比较完整的同余式理论——“大衍求一术”，这是数论研究的内容之一。
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丢番图的《算术》中给出了求x?
＋y?
＝z?
所有整数解的方法。
费尔马指出x^n＋y^n＝z^n在n＞3时无整数解，对于该问题的研究产生了19世纪的数论。
之后高斯的《数论研究》（1801年>形成了系统的数论。
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数论的古典内容基本上不借助于其它数学分支的方法，称为初等数论。
17世纪中叶以后，曾受数论影响而发展起来的代数、几何、分析、概率等数学分支，又反过来促进了数论的发展，出现了代数数论（研究整系数多项式的根—“代数数”>、几何数论（研究直线坐标系中坐标均为整数的全部“整点”—“空间格网”>。
19世纪后半期出现了解读数论，用分析方法研究素数的分布。
二十世纪出现了完备的数论理论。
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5、抽象代数
1843年，哈密顿发明了一种乘法交换律不成立的代数——四元数代数。
第二年，格拉斯曼推演出更有一般性的几类代数。
1857年，凯雷设计出另一种不可交换的代数——矩阵代数。
他们的研究打开了抽象代数（也叫近世代数>的大门。
实际上，减弱或删去普通代数的某些假定，或将某些假定代之以别的假定（与其余假定是相容的>，就能研究出许多种代数体系。
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1870年，克隆尼克给出了有限阿贝尔群的抽象定义；狄德金开始使用“体”的说法，并研究了代数体；1893年，韦伯定义了抽象的体；1910年，施坦尼茨展开了体的一般抽象理论；狄德金和克隆尼克创立了环论；1910年，施坦尼茨总结了包括群、代数、域等在内的代数体系的研究，开创了抽象代数学。
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1926年，诺特完成了理想（数>理论；1930年，毕尔霍夫建立格论，它源于1847年的布尔代数；第二次世界大战后，出现了各种代数系统的理论和布尔巴基学派；1955年，嘉当、格洛辛狄克和爱伦伯克建立了同调代数理论。
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到现在为止，数学家们已经研究过200多种这样的代数结构，其中最主要德若当代数和李代数是不服从结合律的代数的例子。
这些工作的绝大部分属于20世纪，它们使一般化和抽象化的思想在现代数学中得到了充分的反映。
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抽象代数是研究各种抽象的公理化代数系统的数学学科。
典型的代数系统有群、环、域等，它们主要起源于19世纪的群论，包含有群论、环论、伽罗华理论、格论、线性代数等许多分支，并与数学其它分支相结合产生了代数几何、代数数论、代数拓扑、拓扑群等新的数学学科。
抽象代数已经成了当代大部分数学的通用语言。
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现在，可以笼统地把代数学解释为关于字母计算的学说，但字母的含义是在不断地拓广的。
在初等代数中，字母表示数；而在高等代数和抽象代数中，字母则表示向量（或n元有序数组>、矩阵、张量、旋量、超复数等各种形式的量。
可以说，代数已经发展成为一门关于形式运算的一般学说了。
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二、几何学范畴
1、初等几何
在希腊语中，“几何学”是由“地”与“测量”合并而来的，本来有测量土地的含义，意译就是“测地术”。
“几何学”这个名词，系我国明代数学家根据读音译出的，沿用至今。
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现在的初等几何主要是指欧几里得几何，它是讨论图形（点、线、面、角、圆等>在运动下的不变性质的科学。
例如，欧氏几何中的两点之间的距离，两条直线相交的交角大小，半径是r的某一圆的面积等都是一些运动不变量。
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初等几何作为一门课程来讲，安排在初等代数之后；然而在历史上，几何学的发展曾优先于代数学，它主要被认为是古希腊人的贡献。
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几何学舍弃了物质所有的其它性质，只保留了空间形式和关系作为自己研究的对象，因此它是抽象的。
这种抽象决定了几何的思维方法，就是必须用推理的方法，从一些结论导出另一些新结论。
定理是用演绎的方式来证明的，这种论证几何学的代表作，便是公元前三世纪欧几里得的《原本》，它从定义与公理出发，演绎出各种几何定理。
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现在中学《平面三角》中关于三角函数的理论是15世纪才发展完善起来的，但是它的一些最基本的概念，却早在古代研究直角三角形时便己形成。
因此，可把三角学划在初等几何这一标题下。
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古代埃及、巴比伦、中国、希腊都研究过有关球面三角的知识。
公元前2世纪，希帕恰斯制作了弦表，可以说是三角的创始人。
后来印度人制作了正弦表；阿拉伯的阿尔·巴塔尼用计算sinθ值的方法来解方程，他还与阿布尔·沃法共同导出了正切、余切、正割、余割的概念；赖蒂库斯作了较精确的正弦表，并把三角函数与圆弧联系起来。
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由于直角三角形是最简单的直线形，又具有很重要的实用价值，所以各文明古国都极重视它的研究。
我国《周髀算经》一开始就记载了周朝初年（约公元前1100年左右>的周公与学者商高的对话，其中就谈到“勾三股四弦五”，即勾股定理的特殊形式；还记载了在周公之后的陈子，曾用勾股定理和相似图形的比例关系，推算过地球与太阳的距离和太阳的直径，同时为勾股定理作的图注达几十种之多。
在国外，传统称勾股定理为毕达哥拉斯定理，认为它的第一个一致性的证明源于毕氏学派（公元前6世纪>，虽然巴比伦人在此以前1000多年就发现了这个定理。
到现在人们对勾股定理已经至少提供了370种证明。
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19世纪以来，人们对于关于三角形和圆的初等综合几何，又进行了深入的研究。
至今这一研究领域仍然没有到头，不少资料已引申到四面体及伴随的点、线、面、球。
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2、射影几何
射影几何学是一门讨论在把点射影到直线或平面上的时候，图形的不变性质的一门几何学。
幻灯片上的点、线，经过幻灯机的照射投影，在银幕上的图画中都有相对应的点线，这样一组图形经过有限次透视以后，变成另一组图形，这在数学上就叫做射影对应。
射影几何学在航空、摄影和测量等方面都有广泛的应用。
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射影几何是迪沙格和帕斯卡在1639年开辟的。
迪沙格发表了—本关于圆维曲线的很有独创性的小册子，从开普勒的连续性原理开始，导出了许多关于对合、调和变程、透射、极轴、极点以及透视的基本原理，这些课题是今天学习射影几何这门课程的人所熟悉的。
年仅16岁的帕斯卡得出了一些新的、深奥的定理，并于9年后写了一份内容很丰富的手稿。
18世纪后期，蒙日提出了二维平面上的适当投影表达三维对象的方法，因而从提供的数据能快速算出炮兵阵地的位置，避开了冗长的、麻烦的算术运算。
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射影几何真正独立的研究是由彭赛勒开创的。
1822年，他发表了《论图形的射影性质》一文，给该领域的研究以巨大的推动作用。
他的许多概念被斯坦纳进一步发展。
1847年，斯陶特发表了《位置几何学》一书，使射影几何最终从测量基础中解脱出来。
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后来证明，采用度量适当的射影定义，能在射影几何的范围内研究度量几何学。
将一个不变二次曲线添加到平面上的射影几何中，就能得到传统的非欧几何学。
在19世纪晚期和20世纪初期，对射影几何学作了多种公设处理，并且有限射影几何也被发现。
事实证明，逐渐地增添和改变公设，就能从射影几何过渡到欧几里得几何，其间经历了许多其它重要的几何学。
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3、解读几何
解读几何即坐标几何，包括平面解读几何和立体解读几何两部分。
解读几何通过平面直角坐标系和空间直角坐标系，建立点与实数对之间的一一对应关系，从而建立起曲线或曲面与方程之间的一一对应关系，因而就能用代数方法研究几何问题，或用几何方法研究代数问题。
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在初等数学中，几何与代数是彼此独立的两个分支；在方法上，它们也基本是互不相关的。
解读几何的建立，不仅由于在内容上引入了变量的研究而开创了变量数学，而且在方法上也使几何方法与代数方法结合起来。
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在迪沙格和帕斯卡开辟了射影几何的同时，笛卡儿和费尔马开始构思现代解读几何的概念。
这两项研究之间存在一个根本区别：
前者是几何学的一个分支，后者是几何学的一种方法。
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1637年，笛卡儿发表了《方法论》及其三个附录，他对解读几何的贡献，就在第三个附录《几何学》中，他提出了几种由机械运动生成的新曲线。
在《平面和立体轨迹导论》中，费尔马解读地定义了许多新的曲线。
在很大程度上，笛卡儿从轨迹开始，然后求它的方程；费尔马则从方程出发，然后来研究轨迹。
这正是解读几何基本原则的两个相反的方面，“解读几何”的名称是以后才定下来的。
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这门课程达到现在课本中熟悉的形式，是100多年以后的事。
象今天这样使用坐标、横坐标、纵坐标这几个术语，是莱布尼兹于1692年提出的。
1733年，年仅18岁的克雷洛出版了《关于双重曲率曲线的研究》一书，这是最早的一部空间解读几何著作。
1748年，欧拉写的《无穷分析概要》，可以说是符合现代意义的第一部解读几何学教程。
1788年，拉格朗日开始研究有向线段的理论。
1844年，格拉斯曼提出了多维空间的概念，并引入向量的记号。
于是多维解读几何出现了。
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解读几何在近代的发展，产生了无穷维解读几何和代数几何等一些分支。
普通解读几何只不过是代数几何的一部分，而代数几何的发展同抽象代数有着密切的联系。
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4、非欧几何
非欧几何有三种不同的含义：
狭义的，单指罗氏（罗巴切夫斯基>几何；广义的，泛指一切和欧氏（欧几里得>几何不同的几何；通常意义的，指罗氏几何和黎曼几何。
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欧几里得的第5公设（平行公设>在数学史上占有特殊的地位，它与前4条公设相比，性质显得太复杂了。
它在《原本》中第一次应用是在证明第29个定理时，而且此后似乎总是尽量避免使用它。
因此人们怀疑第五公设的公理地位，并探索用其它公理来证明它，以使它变为一条定理。
在三千多年的时间中，进行这种探索并有案可查的就达两千人以上，其中包括许多知名的数学家，但他们都失败了。
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罗巴契夫斯基于1826年，鲍耶于1832年发表了划时代的研究结果，开创了非欧几何。
在这种几何中，他们假设“过不在已知直线上的一点，可以引至少两条直线平行于已知直线”，用以代替第五公设，同时保留了欧氏几何的其它公设。
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1854年，黎曼推出了另一种非欧几何。
在这种几何中，他假设“过已知直线外一点，没有和已知直线平行的直线可引”，用以代替第5公设，同时保留了欧氏几何的其它公设。
1871年，克莱因把这3种几何：
罗巴契夫斯基—鲍耶的、欧几里得的和黎曼的分别定名为双曲几何、抛物几何和椭圆几何。
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非欧几何的发现不仅最终解决了平行公设的问题——平行公设被证明是独立于欧氏几何的其它公设的，而且把几何学从其传统模型中解放出来，创造了许多不同体系的几何的道路被打开了。
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1854年，黎曼发表了“关于作为几何学基础的假设的讲演”。
他指出：
每种不同的（两个无限靠近的点的>距离公式决定了最终产生的空间和几何的性质。
1872年，克莱因建立了各种几何系统按照不同变换群不变量的分类方法。
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19世纪以后，几何空间概念发展的另一方向，是按照所研究流形的微分几何原则的分类，每一种几何都对应着一种定理系统。
1899年，希尔伯特发表了《几何基础》一书，提出了完备的几何公理体系，建立了欧氏几何的严密的基础，并给出了证明一个公理体系的相容性（无矛盾性>、独立性和完备性的普遍原则。
按照他的观点，不同的几何空间乃是从属于不同几何公理要求的元素集合。
欧氏几何和非欧几何，在大量的几何系统中，只不过是极其特殊的情形罢了。
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5、拓扑学
1736年，欧拉发表论文，讨论哥尼斯堡七桥问题。
他还提出球面三角形剖分图形顶点、边、面之间关系的欧拉公式，这可以说是拓扑学的开端。
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庞加莱于1895～1904年建立了拓扑学，采用代数组合的方法研究拓扑性质。
他把欧拉公式推广为欧拉—庞加莱公式，与此有关的理论现在称为同调理论和同伦理论。
以后的拓扑学主要按照庞加莱的设想发展。
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拓扑学开始是几何学的一个分支，在二十世纪它得到了极大的推广。
1906年，弗雷歇发表博士论文，把函数作为一个“点”来看，把函数收敛描绘成点的收敛，这就把康托的点集论和分析学的抽象化联系起来了。
他在函数所构成的集合中引入距离的概念，构成距离空间，展开了线性距离空间的理论。
在这个基础上，产生了点集拓扑学。
在豪斯道夫的《点集论纲要》一书中，出现了更一般的点集拓扑学的完整想法。
第二次世界大战后，把分析引进拓扑，发展了微分拓扑。
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现在的拓扑学可以粗略地定义为对于连续性的数学研究。
任何事物的集合都能在某种意义上构成拓扑空间，拓扑学的概念和理论已基本完组成为数学的基础理论之一，渗入到各个分支，并且成功地应用于电磁学和物理学的研究。
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三、分析学范畴
1、微积分
微积分学是微分学和积分学的统称，它是研究函数的导数、积分的性质和应用的一门数学分支学科。
微积分的出现具有划时代意义，时至今日，它不仅成了学习高等数学各个分支必不可少的基础，而且是学习近代任何一门自然科学和工程技术的必备工具。
现在的微积分学的教程，通常的讲授次序是先极限、再微分、后积分，这与历史顺序正好相反。
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在微积分历史中，最初的问题是涉及计算面积、体积和弧长的。
阿基M得（公元前3世纪>的方法最接近于现行的积分法。
在17世纪探索微积分的至少有十几位大数学家和几十位小数学家。
牛顿和莱布尼茨分别进行了创造性的工作，各自独立地跑完了“微积分这场接力赛的最后一棒”。
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1609年，开普勒为了计算行星运动第二定律中包含的面积，和在他的论文中讨论的酒桶的体积，而借助了某种积分方法。
1635年，卡瓦列利发表了一篇阐述不可分元法的论文，提出卡瓦列利原理，它是计算面积和体积的有价值的工具。
1650年，沃利斯把卡瓦列利的方法系统化，并作了推广。
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微分起源于作曲线的切线和求函数的极大值或极小值问题。
虽然可以追溯到古希腊，但是第一个真正值得注意的先驱工作，是费尔马1629年陈述的概念。
1669年，巴罗对微分理论作出了重要的贡献，他用了微分三角形，很接近现代微分法。
一般认为，他是充分地认识到微分法为积分法的逆运算的第一个人。
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至此，还有什么要做的呢？
首要的是，创造一般的符号和一整套形式的解读规则，形成可以应用的微积分学，这项工作是由牛顿和莱布尼兹彼此独立地做出的。
接着的工作是在可接受的严格的基础上，重新推导基本理论，这必须等到此课题想到多方面应用之后。
柯西和他的后继者们完成了这一工作。
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牛顿早在1665年才23岁时，就创造了流数法（微分学>，并发展到能求曲线上任意一点的切线和曲率半径。
他的《流数法》写于1671年，但直到死后9年的1736年才发表。
牛顿考虑了两种类型的问题，等价于现在的微分和解微分方程。
他定义了流数（导数>、极大值、极小值、曲线的切线、曲率、拐点、凸性和凹性，并把它的理论应用于许多求积问题和曲线的求长问题。
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牛顿创立的微积分原理是同他的力学研究分不开的，他借此发现、并研究了力学三大定律和万有引力定律，1687年出版了名著《自然哲学的数学原理》。
这本书是研究天体力学的，包括了微积分的一些基本概念和
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