الجبر

معادلة كثيرة الحدود: 2x² + 4x - 6 = 0
يدرس علم الجبر الابتدائي القيم التي تحل المعادلات التي تتكون باستخدام العمليات الحسابية.
توقيع حلقة الأعداد الصحيحة
يدرس الجبر المجرد البنى الجبرية ، مثل حلقة الأعداد الصحيحة المعطاة بمجموعة الأعداد الصحيحة.(Z){\displaystyle (\mathbb {Z} )}بالإضافة إلى عمليات الجمع ( +{\displaystyle +}) والضرب(×{\displaystyle \times }) .

الجبر فرع من فروع الرياضيات يُعنى بالأنظمة المجردة، المعروفة بالبنى الجبرية ، ومعالجة التعبيرات ضمن هذه الأنظمة. وهو تعميم للحساب يُدخل متغيرات وعمليات جبرية أخرى غير العمليات الحسابية القياسية، كالجمع والضرب .

الجبر الابتدائي هو الشكل الرئيسي للجبر الذي يُدرّس في المدارس. يدرس هذا الفرع العبارات الرياضية باستخدام متغيرات لقيم غير محددة، ويسعى إلى تحديد القيم التي تكون عندها هذه العبارات صحيحة. ولتحقيق ذلك، يستخدم طرقًا مختلفة لتحويل المعادلات لعزل المتغيرات. أما الجبر الخطي فهو فرع وثيق الصلة، يدرس المعادلات الخطية ومجموعاتها التي تُسمى أنظمة المعادلات الخطية . يوفر هذا الفرع طرقًا لإيجاد القيم التي تُحل جميع المعادلات في النظام في آنٍ واحد، ودراسة مجموعة هذه الحلول.

يدرس الجبر المجرد البنى الجبرية ، التي تتألف من مجموعة من الكائنات الرياضية بالإضافة إلى عملية واحدة أو أكثر مُعرَّفة على تلك المجموعة. وهو تعميم للجبر الابتدائي والخطي، إذ يسمح بوجود كائنات رياضية أخرى غير الأعداد والعمليات غير الحسابية. وهو يميز بين أنواع مختلفة من البنى الجبرية، مثل الزمر والحلقات والحقول ، بناءً على عدد العمليات المستخدمة والقوانين التي تتبعها، والتي تُسمى البديهيات . يوفر الجبر الشامل ونظرية الفئات أطرًا عامة لدراسة الأنماط المجردة التي تميز فئات مختلفة من البنى الجبرية.

دُرست الأساليب الجبرية لأول مرة في العصور القديمة لحل مسائل محددة في مجالات كالهندسة . تغير هذا الوضع في القرن التاسع الميلادي مع محمد بن موسى الخوارزمي ، الذي وضع أسس الجبر كفرع رياضي مستقل، منفصل عن الهندسة. وصف علماء الرياضيات الأوائل المعادلات وحلولها باستخدام الكلمات والاختصارات حتى القرنين السادس عشر والسابع عشر، حين طُورت منهجية رمزية دقيقة. في منتصف القرن التاسع عشر، اتسع نطاق الجبر ليشمل، بالإضافة إلى نظرية المعادلات، أنواعًا متنوعة من العمليات والبنى الجبرية. يُعد الجبر ذا صلة بالعديد من فروع الرياضيات، كالهندسة والطوبولوجيا ونظرية الأعداد والتفاضل والتكامل ، فضلًا عن مجالات بحثية أخرى، كالمنطق والعلوم التجريبية .

التعريف وأصل الكلمة

الجبر هو فرع من فروع الرياضيات يدرس البنى الجبرية والعمليات المستخدمة فيها. [ 1 ] البنية الجبرية هي مجموعة غير فارغة من الكائنات الرياضية ، مثل الأعداد الصحيحة ، بالإضافة إلى العمليات الجبرية المعرفة على تلك المجموعة، كالجمع والضرب. [ 2 ] [ أ ] يستكشف الجبر قوانين وخصائص وأنواع البنى الجبرية. وضمن بنى جبرية معينة، يدرس استخدام المتغيرات في المعادلات وكيفية التعامل معها. [ 4 ] [ ب ]

يُفهم الجبر غالبًا على أنه تعميم للحساب . [ 8 ] يدرس الحساب عمليات مثل الجمع والطرح والضرب والقسمة ، في مجال محدد من الأعداد، مثل الأعداد الحقيقية. [ 9 ] يُمثل الجبر الابتدائي المستوى الأول من التجريد. ومثل الحساب، يقتصر على أنواع محددة من الأعداد والعمليات. وهو يُعمم هذه العمليات بالسماح بالكميات غير المحددة في صورة متغيرات بالإضافة إلى الأعداد. [ 10 ] يوجد مستوى أعلى من التجريد في الجبر المجرد ، الذي لا يقتصر على مجال محدد، ويدرس البنى الجبرية مثل الزمر والحلقات . ويتجاوز العمليات الحسابية التقليدية ليشمل أنواعًا أخرى من العمليات. [ 11 ] أما الجبر الشامل فهو أكثر تجريدًا ، إذ لا يهتم ببنى جبرية محددة، بل يبحث في خصائص البنى الجبرية بشكل عام. [ 12 ]

صفحة عنوان الكتاب الموجز في الحساب عن طريق الإكمال والموازنة
كلمة الجبر مشتقة من عنوان كتاب الخوارزمي الجبر . [ 13 ]

يُستخدم مصطلح الجبر أحيانًا بمعنى أضيق ليشير فقط إلى الجبر الابتدائي أو الجبر المجرد. [ 14 ] وعند استخدامه كاسم معدود ، يُشير الجبر إلى نوع محدد من البنية الجبرية التي تتضمن فضاءً متجهيًا مزودًا بنوع معين من العمليات الثنائية، وهي التحويل الثنائي الخطي . [ 15 ] وبحسب السياق، يمكن أن يُشير مصطلح "الجبر" أيضًا إلى بنى جبرية أخرى، مثل جبر لي أو الجبر الترابطي . [ 16 ]

كلمة "الجبر " مشتقة من المصطلح العربي " الجبر "، الذي كان يشير في الأصل إلى عملية جراحية تُعرف بتجبير العظام . في القرن التاسع الميلادي، اكتسب المصطلح دلالة رياضية عندما استخدمه عالم الرياضيات الفارسي محمد بن موسى الخوارزمي لتسمية طريقة لتحويل المعادلات، واستخدمه في عنوان كتابه " الكتاب المختصر في حساب الجبر والمقابلة "، الذي تُرجم إلى اللاتينية بعنوان " Liber Algebrae et Almucabola" . [ ج ] دخلت الكلمة اللغة الإنجليزية في القرن السادس عشر الميلادي قادمةً من الإيطالية والإسبانية واللاتينية في العصور الوسطى . [ 18 ] في البداية، اقتصر معناها على نظرية المعادلات ، أي فن التعامل مع المعادلات متعددة الحدود بهدف حلها. تغير هذا في القرن التاسع عشر [ د ] عندما اتسع نطاق الجبر ليشمل دراسة أنواع متنوعة من العمليات الجبرية والهياكل إلى جانب بديهياتها الأساسية والقوانين التي تتبعها. [ 21 ]

الفرع الرئيسي

الجبر الابتدائي

رسم تخطيطي لتعبير جبري
رموز التعبير الجبري:  1 – القوة (الأس)  2 – المعامل  3 – الحد  4 – المؤثر  5 – الحد الثابت ج{\displaystyle c}- ثابت x{\displaystyle x}y{\displaystyle y}– المتغيرات

الجبر الابتدائي، ويُسمى أيضاً الجبر المدرسي، والجبر الجامعي، والجبر الكلاسيكي، [ 22 ] هو أقدم أشكال الجبر وأكثرها أساسية. وهو تعميم للحساب يعتمد على المتغيرات ويدرس كيفية تحويل العبارات الرياضية. [ 23 ]

علم الحساب هو دراسة العمليات العددية، ويبحث في كيفية دمج الأعداد وتحويلها باستخدام العمليات الحسابية: الجمع ، والطرح ، والضرب ، والقسمة ، والأسس ، واستخراج الجذور ، واللوغاريتمات . على سبيل المثال، تجمع عملية الجمع عددين، يُطلق عليهما المُضافان، في عدد ثالث، يُطلق عليه المجموع، كما في2+5=7{\displaystyle 2+5=7}[ 9 ]

يعتمد الجبر الابتدائي على العمليات نفسها، مع السماح باستخدام المتغيرات بالإضافة إلى الأعداد العادية. المتغيرات هي رموز لكميات غير محددة أو مجهولة. وهي تُمكّن من تحديد العلاقات التي لا تُعرف قيمها الدقيقة، والتعبير عن القوانين العامة التي تكون صحيحة بغض النظر عن الأعداد المستخدمة. على سبيل المثال، المعادلة2×3=3×2{\displaystyle 2\times 3=3\times 2}ينتمي هذا إلى الحساب، ويعبّر عن المساواة فقط لهذه الأعداد المحددة. باستبدال الأعداد بمتغيرات، يمكن التعبير عن قانون عام ينطبق على أي تركيبة ممكنة من الأعداد، مثل خاصية التبديل في الضرب ، والتي تُعبّر عنها المعادلةأ×ب=ب×أ{\displaystyle a\times b=b\times a}[ 23 ]

تُصاغ التعبيرات الجبرية باستخدام العمليات الحسابية لدمج المتغيرات والأعداد. اصطلاحًا، الأحرف الصغيرة x{\displaystyle x}،y{\displaystyle y}، وz{\displaystyle z}تمثل المتغيرات. في بعض الحالات، تُضاف رموز سفلية لتمييز المتغيرات، كما في x1{\displaystyle x_{1}}،x2{\displaystyle x_{2}}وx3{\displaystyle x_{3}}. الأحرف الصغيرةأ{\displaystyle a}،ب{\displaystyle b}، وج{\displaystyle c}تُستخدم عادةً للثوابت والمعاملات . [ هـ ] التعبير5x+3{\displaystyle 5x+3}هو تعبير جبري ناتج عن ضرب العدد 5 في المتغيرx{\displaystyle x}وإضافة العدد 3 إلى النتيجة. ومن الأمثلة الأخرى على التعبيرات الجبرية:32xyz{\displaystyle 32xyz}و64x12+7x2-ج{\displaystyle 64x_{1}{}^{2}+7x_{2}-c}[ 25 ]

تتخذ بعض التعبيرات الجبرية شكل عبارات تربط بين تعبيرين. المعادلة هي عبارة تتكون من مقارنة تعبيرين، وتوضح أنهما متساويان. ويمكن التعبير عن ذلك باستخدام علامة المساواة ( ={\displaystyle =}) , كما في5x2+6x=3y+4{\displaystyle 5x^{2}+6x=3y+4}تتضمن المتباينات نوعًا مختلفًا من المقارنة ،حيث تُشير إلى أن الطرفين مختلفان. ويمكن التعبير عن ذلك باستخدام رموز مثل علامة أصغر من ( ) .<{\displaystyle <}) ، علامة أكبر من (>{\displaystyle >}) ، وعلامة عدم المساواة ( ).{\displaystyle \neq }على عكس التعبيرات الأخرى، يمكن أن تكون العبارات صحيحة أو خاطئة، وتعتمد قيمتها المنطقية عادةً على قيم المتغيرات. على سبيل المثال، العبارةx2=4{\displaystyle x^{2}=4}صحيح إذاx{\displaystyle x}تكون القيمة إما 2 أو -2، وتكون خاطئة فيما عدا ذلك. [ 26 ] يمكن تقسيم المعادلات ذات المتغيرات إلى معادلات هوية ومعادلات شرطية. تكون معادلات الهوية صحيحة لجميع القيم التي يمكن إسنادها للمتغيرات، مثل المعادلة 2x+5x=7x{\displaystyle 2x+5x=7x}تكون المعادلات الشرطية صحيحة فقط لبعض القيم. على سبيل المثال، المعادلةx+4=9{\displaystyle x+4=9}لا يكون ذلك صحيحًا إلا إذاx{\displaystyle x}هو 5. [ 27 ]

الهدف الرئيسي من الجبر الابتدائي هو تحديد القيم التي تكون عندها عبارة ما صحيحة. ويمكن تحقيق ذلك بتحويل العبارات ومعالجتها وفقًا لقواعد معينة. ومن المبادئ الأساسية التي توجه هذه العملية أن أي عملية تُطبق على أحد طرفي المعادلة يجب تطبيقها أيضًا على الطرف الآخر. على سبيل المثال، إذا طرحنا 5 من الطرف الأيسر للمعادلة، فيجب أيضًا طرح 5 من الطرف الأيمن لتحقيق التوازن بين الطرفين. عادةً ما يكون الهدف من هذه الخطوات هو عزل المتغير المطلوب في أحد الطرفين، وهي عملية تُعرف بحل المعادلة لإيجاد قيمة ذلك المتغير. على سبيل المثال، المعادلةx-7=4{\displaystyle x-7=4}يمكن حلها لـx{\displaystyle x}بإضافة 7 إلى كلا الجانبين، مما يعزلx{\displaystyle x}على الجانب الأيسر وينتج عنه المعادلة x=11{\displaystyle x=11}[ 28 ]

توجد العديد من التقنيات الأخرى المستخدمة لحل المعادلات. يُستخدم التبسيط لاستبدال تعبير معقد بتعبير أبسط مكافئ. على سبيل المثال، التعبير7x-3x{\displaystyle 7x-3x}يمكن استبدالها بالتعبير4x{\displaystyle 4x}منذ7x-3x=(7-3)x=4x{\displaystyle 7x-3x=(7-3)x=4x}بفضل خاصية التوزيع. [ 29 ] بالنسبة للعبارات التي تحتوي على عدة متغيرات، يُعدّ الاستبدال أسلوبًا شائعًا لاستبدال أحد المتغيرات بتعبير مكافئ لا يستخدم هذا المتغير. على سبيل المثال، إذا علمنا أنy=3x{\displaystyle y=3x}عندها يمكن تبسيط التعبير7xy{\displaystyle 7xy}للوصول إلى21x2{\displaystyle 21x^{2}}وبالمثل ، إذا عرف المرء قيمة متغير واحد، فقد يكون قادراً على استخدامها لتحديد قيمة متغيرات أخرى. [ 30 ]

رسم بياني للمعادلة "ص = 0.5س - 1"
يمكن استخدام المعادلات الجبرية لوصف الأشكال الهندسية. جميع القيم لـx{\displaystyle x}وy{\displaystyle y}تُفسَّر النقاط التي تحل المعادلة على أنها نقاط. ويتم تمثيلها بخط أحمر مائل لأعلى في الرسم البياني أعلاه.

يمكن تفسير المعادلات الجبرية هندسيًا لوصف الأشكال المكانية على شكل رسم بياني . وللقيام بذلك، تُفهم المتغيرات المختلفة في المعادلة على أنها إحداثيات ، وتُفسر القيم التي تحل المعادلة على أنها نقاط على الرسم البياني. على سبيل المثال، إذاx{\displaystyle x}يتم تعيينها إلى الصفر في المعادلةy=0.5x-1{\displaystyle y=0.5x-1}ثمy{\displaystyle y}يجب أن تكون قيمة المتغير -1 لكي تكون المعادلة صحيحة. هذا يعني أن(x،y){\displaystyle (x,y)}-زوج(0،-1){\displaystyle (0,-1)}هو جزء من الرسم البياني للمعادلة.(x،y){\displaystyle (x,y)}-زوج(0،7){\displaystyle (0,7)}أما ، على النقيض من ذلك، فلا يحل المعادلة، وبالتالي فهو ليس جزءًا من الرسم البياني. يشمل الرسم البياني مجمل(x،y){\displaystyle (x,y)}- أزواج تحل المعادلة. [ 31 ]

كثيرات الحدود

كثير الحدود هو تعبير يتكون من حد واحد أو أكثر يتم جمعها أو طرحها من بعضها البعض، مثلx4+3xy2+5x3-1{\displaystyle x^{4}+3xy^{2}+5x^{3}-1}كل حد إما ثابت، أو متغير، أو حاصل ضرب ثابت في متغيرات. يمكن رفع أي متغير إلى قوة عددية صحيحة موجبة. الحد الأحادي هو متعدد حدود ذو حد واحد، بينما يُطلق على متعددات الحدود ذات الحدين والثلاثة حدود اسم ثنائيات الحدود وثلاثيات الحدود على التوالي. درجة متعدد الحدود هي القيمة القصوى (بين حدوده) لمجموع أسس المتغيرات (4 في المثال أعلاه). [ 32 ] تُسمى متعددات الحدود من الدرجة الأولى متعددات الحدود الخطية . يدرس الجبر الخطي أنظمة متعددات الحدود الخطية. [ 33 ] يُقال إن متعدد الحدود أحادي المتغير أو متعدد المتغيرات ، اعتمادًا على ما إذا كان يستخدم متغيرًا واحدًا أو أكثر. [ 34 ]

التحليل إلى عوامل هو أسلوب يُستخدم لتبسيط كثيرات الحدود، مما يُسهّل تحليلها وتحديد القيم التي تجعل قيمتها تساوي صفرًا . يتضمن التحليل إلى عوامل إعادة كتابة كثيرة الحدود كحاصل ضرب عدة عوامل. على سبيل المثال، كثيرة الحدودx2-3x-10{\displaystyle x^{2}-3x-10}يمكن تحليلها إلى عوامل كما يلي :(x+2)(x-5){\displaystyle (x+2)(x-5)}تكون كثيرة الحدود ككل صفرًا إذا وفقط إذا كان أحد عواملها صفرًا، أي إذاx{\displaystyle x}إما أن تكون القيمة -2 أو 5. [ 35 ] قبل القرن التاسع عشر، كان جزء كبير من علم الجبر مخصصًا لمعادلات كثيرات الحدود ، أي المعادلات التي تُستنتج من مساواة كثيرة الحدود بالصفر. تمثلت المحاولات الأولى لحل معادلات كثيرات الحدود في التعبير عن الحلول بدلالة الجذور النونية . حل معادلة كثيرة الحدود من الدرجة الثانية على الصورةأx2+بx+ج=0{\displaystyle ax^{2}+bx+c=0}يتم إعطاؤها بواسطة الصيغة التربيعية [ 36 ]x=-ب±ب2-4أج 2أ.{\displaystyle x={\frac {-b\pm {\sqrt {b^{2}-4ac\ }}}{2a}}.}

تُعطى حلول الدرجتين الثالثة والرابعة باستخدام الصيغتين التكعيبية والرباعية . لا توجد حلول عامة للدرجات الأعلى، كما أثبت ذلك في القرن التاسع عشر من خلال نظرية أبيل-روفيني . [ 37 ] حتى في حال عدم وجود حلول عامة، يمكن إيجاد حلول تقريبية باستخدام أدوات عددية مثل طريقة نيوتن-رافسون . [ 38 ]

تنص النظرية الأساسية في الجبر على أن كل معادلة متعددة الحدود أحادية المتغير من الدرجة الموجبة ذات معاملات حقيقية أو مركبة لها حل مركب واحد على الأقل. وبالتالي، يمكن تحليل أي متعددة حدود من الدرجة الموجبة إلى متعددات حدود خطية. وقد تم إثبات هذه النظرية في بداية القرن التاسع عشر، لكن هذا لا يحل المشكلة تمامًا، إذ لا توفر النظرية أي طريقة لحساب الحلول. [ 39 ]

الجبر الخطي

يبدأ الجبر الخطي بدراسة أنظمة المعادلات الخطية . [ 40 ] المعادلة خطية إذا أمكن التعبير عنها بالشكل التالي :أ1x1+أ2x2+...+أنxن=ب{\displaystyle a_{1}x_{1}+a_{2}x_{2}+...+a_{n}x_{n}=b}، حيثأ1{\displaystyle a_{1}}،أ2{\displaystyle a_{2}}...أن{\displaystyle a_{n}}وب{\displaystyle b}هي ثوابت. ومن الأمثلة عليها:x1-7x2+3x3=0{\displaystyle x_{1}-7x_{2}+3x_{3}=0}و14x-y=4{\displaystyle \textstyle {\frac {1}{4}}x-y=4}. نظام المعادلات الخطية هو مجموعة من المعادلات الخطية التي يهتم المرء بإيجاد حلول مشتركة لها. [ 41 ]

المصفوفات عبارة عن مصفوفات مستطيلة من القيم، وقد تم تقديمها في الأصل لتوفير تدوين مختصر ومختصر لأنظمة المعادلات الخطية. [ 42 ] على سبيل المثال، نظام المعادلات 9x1+3x2-13x3=02.3x1+7x3=9-5x1-17x2=-3{\displaystyle {\begin{aligned}9x_{1}+3x_{2}-13x_{3}&=0\\2.3x_{1}+7x_{3}&=9\\-5x_{1}-17x_{2}&=-3\end{aligned}}} يمكن كتابتها على النحو التالي أX=ب،{\displaystyle AX=B,} أينأ{\displaystyle A}،X{\displaystyle X}وب{\displaystyle B}هي المصفوفات أ=[93-132.307-5-170]،X=[x1x2x3]،ب=[09-3].{\displaystyle A={\begin{bmatrix}9&3&-13\\2.3&0&7\\-5&-17&0\end{bmatrix}},\quad X={\begin{bmatrix}x_{1}\\x_{2}\\x_{3}\end{bmatrix}},\quad B={\begin{bmatrix}0\\9\\-3\end{bmatrix}}.}

في ظل شروط معينة تتعلق بعدد الصفوف والأعمدة، يمكن جمع المصفوفات وضربها ، وأحيانًا قلبها . ويمكن التعبير عن جميع طرق حل الأنظمة الخطية كعمليات معالجة للمصفوفات باستخدام هذه العمليات. على سبيل المثال، يتكون حل النظام المذكور أعلاه من حساب مصفوفة مقلوبة.أ-1{\displaystyle A^{-1}}بحيثأ-1أ=أنا،{\displaystyle A^{-1}A=I,}أينأنا{\displaystyle I}هي مصفوفة الوحدة . ثم، بضرب طرفي معادلة المصفوفة أعلاه من اليسار فيأ-1،{\displaystyle A^{-1},}يمكن الحصول على حل نظام المعادلات الخطية على النحو التالي [ 43 ]X=أ-1ب.{\displaystyle X=A^{-1}B.}

تتراوح طرق حل أنظمة المعادلات الخطية من الطرق التمهيدية، مثل التعويض [ 44 ] والحذف [ 45 إلى تقنيات أكثر تقدماً باستخدام المصفوفات، مثل قاعدة كرامر ، والحذف الغاوسي ، وتحليل LU [ 46 ] . بعض أنظمة المعادلات غير متسقة ، أي لا توجد لها حلول لأن المعادلات تتناقض مع بعضها [ 47 ] . [ و ] أما الأنظمة المتسقة فلها إما حل وحيد أو عدد لا نهائي من الحلول [ 48 ] .

يشكل دراسة الفضاءات المتجهة والتحويلات الخطية جزءًا كبيرًا من الجبر الخطي. الفضاء المتجه هو بنية جبرية تتكون من مجموعة مع عملية جمع تجعلها زمرة تبديلية وعملية ضرب قياسي متوافقة مع الجمع (انظر الفضاء المتجه لمزيد من التفاصيل). التحويل الخطي هو دالة بين الفضاءات المتجهة متوافقة مع الجمع والضرب القياسي. في حالة الفضاءات المتجهة ذات الأبعاد المحدودة ، يمكن تمثيل المتجهات والتحويلات الخطية بالمصفوفات. وبناءً على ذلك، فإن نظريات المصفوفات والفضاءات المتجهة ذات الأبعاد المحدودة متطابقة جوهريًا. على وجه الخصوص، توفر الفضاءات المتجهة طريقة ثالثة للتعبير عن أنظمة المعادلات الخطية ومعالجتها. [ 49 ] من هذا المنظور، تُعد المصفوفة تمثيلًا للتحويل الخطي: إذا تم اختيار أساس معين لوصف المتجهات المراد تحويلها، فإن عناصر المصفوفة تعطي نتائج تطبيق التحويل الخطي على متجهات الأساس. [ 50 ]

Graph of two linear equations
يمكن تفسير المعادلات الخطية ذات المتغيرين هندسياً على أنها خطوط مستقيمة. حل نظام المعادلات الخطية هو نقطة تقاطع هذه الخطوط.

يمكن تفسير أنظمة المعادلات على أنها أشكال هندسية. في الأنظمة ذات المتغيرين، تمثل كل معادلة خطًا في فضاء ثنائي الأبعاد . نقطة تقاطع الخطين هي حل النظام الكامل، لأنها النقطة الوحيدة التي تحقق المعادلتين. أما في الأنظمة غير المتسقة، فيكون الخطان متوازيين، مما يعني عدم وجود حل لعدم تقاطعهما. إذا لم تكن المعادلتان مستقلتين، فإنهما تصفان الخط نفسه، أي أن كل حل لإحدى المعادلتين هو حل للأخرى. تُمكّن هذه العلاقات من البحث عن الحلول بيانيًا برسم المعادلات وتحديد نقاط تقاطعها. [ 51 ] تنطبق المبادئ نفسها على أنظمة المعادلات ذات المتغيرات المتعددة، مع اختلاف أن المعادلات لا تصف خطوطًا، بل أشكالًا ذات أبعاد أعلى. على سبيل المثال، تُقابل المعادلات ذات ثلاثة متغيرات مستويات في فضاء ثلاثي الأبعاد ، ونقاط تقاطع جميع المستويات هي التي تحقق نظام المعادلات. [ 52 ]

الجبر المجرد

الجبر المجرد، أو الجبر الحديث، [ 53 ] هو دراسة البنى الجبرية . البنية الجبرية هي إطار لفهم العمليات على الكائنات الرياضية ، مثل جمع الأعداد. بينما يعمل الجبر الابتدائي والجبر الخطي ضمن حدود بنى جبرية محددة، يتخذ الجبر المجرد نهجًا أكثر عمومية يقارن بين البنى الجبرية المختلفة وأنواعها، مثل الزمر والحلقات والحقول . [ 54 ] يكمن الاختلاف الرئيسي بين هذه الأنواع من البنى الجبرية في عدد العمليات المستخدمة والقوانين التي تخضع لها. [ 55 ] في تعليم الرياضيات ، يشير الجبر المجرد إلى مقرر دراسي متقدم لطلاب الرياضيات بعد إتمام مقررات الجبر الخطي. [ 56 ]

Diagram of binary operation
تعتمد العديد من البنى الجبرية على العمليات الثنائية، التي تأخذ كائنين كمدخلات لها وتجمعهما في كائن واحد كمخرجات، كما تفعل عمليتا الجمع والضرب.

على المستوى الرسمي، البنية الجبرية هي مجموعة [ h ] من الكائنات الرياضية، تُسمى المجموعة الأساسية، بالإضافة إلى عملية واحدة أو أكثر. [ i ] يهتم الجبر المجرد بشكل أساسي بالعمليات الثنائية ، [ j ] التي تأخذ أي كائنين من المجموعة الأساسية كمدخلات وتُحولهما إلى كائن آخر من هذه المجموعة كمخرجات. [ 60 ] على سبيل المثال، البنية الجبريةشمال،+{\displaystyle \langle \mathbb {N} ,+\rangle }يحتوي على الأعداد الطبيعية ( شمال{\displaystyle \mathbb {N} }) كمجموعة أساسية والجمع (+{\displaystyle +}[ 58 ] يمكن أن تحتوي المجموعة الأساسية على كائنات رياضية أخرى غير الأرقام، ولا تقتصر العمليات على العمليات الحسابية العادية. [ 61 ] على سبيل المثال ، تتكونالمجموعة الأساسية لمجموعة التناظر لشكل هندسي من تحويلات هندسية ، مثلالدوران ، والتي يبقى الشكل دون تغيير في ظلها . عمليتها الثنائية هي تركيب الدوال ، والتي تأخذ تحويلين كمدخلات، ويكون التحويل الناتج عن تطبيق التحويل الأول متبوعًا بالثاني هو مخرجاتها. [ 62 ]

نظرية الزمر

يُصنِّف الجبر المجرد البنى الجبرية بناءً على القوانين أو البديهيات التي تخضع لها عملياته وعدد العمليات التي يستخدمها. أحد أبسط أنواعها هو الزمرة، التي تحتوي على عملية واحدة، ويشترط أن تكون هذه العملية تجميعية وأن تحتوي على عنصر محايد وعناصر معكوسة . تكون العملية تجميعية إذا لم يكن ترتيب تطبيقها مهمًا، أي إذا(أب)ج{\displaystyle (a\circ b)\circ c}[ k ] هو نفسهأ(بج){\displaystyle a\circ (b\circ c)}لجميع العناصر. تحتوي العملية على عنصر محايد أو عنصر محايد إذا وُجد عنصر واحد e لا يُغير قيمة أي عنصر آخر، أي إذاأهـ=هـأ=أ{\displaystyle a\circ e=e\circ a=a}. تحتوي العملية على عناصر معكوسة إذا كان لأي عنصرأ{\displaystyle a}يوجد عنصر متبادلأ-1{\displaystyle a^{-1}}هذا يُبطلأ{\displaystyle a}إذا تم تطبيق عنصر على معكوسه، فإن النتيجة هي العنصر المحايد e ، والذي يُعبر عنه رسميًا على النحو التالي :أأ-1=أ-1أ=هـ{\displaystyle a\circ a^{-1}=a^{-1}\circ a=e}كل بنية جبرية تستوفي هذه المتطلبات هي زمرة. [ 64 ] على سبيل المثال ،Z،+{\displaystyle \langle \mathbb {Z} ,+\rangle }هي مجموعة تتكون من مجموعة الأعداد الصحيحة بالإضافة إلى عملية الجمع. العنصر المحايد هو 0، والعنصر المعكوس لأي عدد هوأ{\displaystyle a}يكون-أ{\displaystyle -a}[ 65 ] على النقيض من ذلك ، فإن الأعداد الطبيعية مع الجمع لا تشكل مجموعة لأنها تحتوي فقط على أعداد صحيحة موجبة، وبالتالي تفتقر إلى العناصر المعكوسة. [ 66 ]

تدرس نظرية الزمر طبيعة الزمر، مع نظريات أساسية مثل النظرية الأساسية للزمر الأبيلية المنتهية ونظرية فيت-تومسون . [ 67 ] وكانت الأخيرة خطوة مبكرة رئيسية في أحد أهم الإنجازات الرياضية في القرن العشرين: الجهد التعاوني، الذي استغرق أكثر من 10000 صفحة في المجلات ونُشر معظمه بين عامي 1960 و2004، والذي تُوِّج بتصنيف كامل للزمر البسيطة المنتهية . [ 68 ]

نظرية الحلقات ونظرية المجال

الحلقة هي بنية جبرية تتكون من عمليتين جبريتين تعملان بشكل مشابه لعمليتي جمع وضرب الأعداد، وتُسمى وتُرمز بشكل عام بنفس الطريقة. الحلقة هي زمرة تبديلية تحت عملية الجمع: فعملية الجمع في الحلقة تجميعية وتبديلية، ولها عنصر محايد وعناصر معكوسة. أما عملية الضرب فهي تجميعية وتوزيعية بالنسبة لعملية الجمع؛ أيأ(ب+ج)=أب+أج{\displaystyle a(b+c)=ab+ac}و(ب+ج)أ=بأ+جأ.{\displaystyle (b+c)a=ba+ca.}علاوة على ذلك، فإن عملية الضرب تجميعية ولها عنصر محايد يُرمز إليه عادةً بالرقم 1. [ 69 ] [ 1 ] لا يشترط أن تكون عملية الضرب تبديلية؛ فإذا كانت تبديلية، نحصل على حلقة تبديلية . [ 71 ] حلقة الأعداد الصحيحة ( Z{\displaystyle \mathbb {Z} } ) ​​هي واحدة من أبسط الحلقات التبديلية. [ 72 ]

الحقل هو حلقة تبديلية بحيث10{\displaystyle 1\neq 0}[ م ] ولكل عنصر غير صفري معكوس ضربي . [ 74 ] لا تُشكّل حلقة الأعداد الصحيحة حقلاً لأنها تفتقر إلى المعكوسات الضربية. على سبيل المثال، المعكوس الضربي لـ7{\displaystyle 7}هو17{\displaystyle {\tfrac {1}{7}}}وهو ليس عددًا صحيحًا. تشكل الأعداد النسبية والأعداد الحقيقية والأعداد المركبة حقلًا يتضمن عمليتي الجمع والضرب. [ 75 ]

تُعنى نظرية الحلقات بدراسة الحلقات، وتستكشف مفاهيم مثل الحلقات الجزئية ، وحلقات القسمة ، وحلقات كثيرات الحدود ، والمثاليّات ، بالإضافة إلى نظريات مثل نظرية هيلبرت الأساسية . [ 76 ] أما نظرية الحقول فتهتم بالحقول، وتدرس امتدادات الحقول ، والإغلاقات الجبرية ، والحقول المنتهية . [ 77 ] بينما تستكشف نظرية غالوا العلاقة بين نظرية الحقول ونظرية الزمر، معتمدةً على النظرية الأساسية لنظرية غالوا . [ 78 ]

نظريات العلاقات المتبادلة بين الهياكل

Diagram of relations between some algebraic structures
مخطط العلاقات بين بعض البنى الجبرية. على سبيل المثال، يُظهر الجزء العلوي الأيمن منه أن الصهارة تصبح شبه زمرة إذا كانت عمليتها تجميعية.

إلى جانب الزمر والحلقات والحقول، توجد العديد من البنى الجبرية الأخرى التي يدرسها علم الجبر. تشمل هذه البنى: الصهارة ، وأنصاف الزمر ، والمونيدات ، والزمر الأبيلية ، والحلقات التبادلية ، والوحدات ، والشبكات ، والفضاءات المتجهة ، والجبر على حقل ، والجبر الترابطي وغير الترابطي . وتختلف هذه البنى فيما بينها من حيث أنواع الكائنات التي تصفها والشروط التي تستوفيها عملياتها. ويرتبط العديد منها ببعضها البعض، إذ يمكن تحويل البنية الأساسية إلى بنية أكثر تخصصًا بإضافة قيود. [ 55 ] على سبيل المثال، تصبح الصهارة نصف زمرة إذا كانت عمليتها ترابطية. [ 79 ]

التشاكلات هي أدوات لدراسة الخصائص البنيوية من خلال مقارنة بنيتين جبريتين. [ 80 ] التشاكل هو دالة من المجموعة الأساسية لبنية جبرية إلى المجموعة الأساسية لبنية جبرية أخرى، تحافظ على خصائص بنيوية معينة. إذا كانت البنيتان الجبريتان تستخدمان عمليات ثنائية ولهما الشكل التالي:أ،{\displaystyle \langle A,\circ \rangle }وب،{\displaystyle \langle B,\star \rangle }ثم الدالةح:أب{\displaystyle h:A\to B}يكون التطبيق متماثلاً إذا استوفى الشرط التالي :ح(xy)=ح(x)ح(y){\displaystyle h(x\circ y)=h(x)\star h(y)}إن وجود التماثل يكشف أن العملية{\displaystyle \star }في البنية الجبرية الثانية، يلعب نفس دور العملية{\displaystyle \circ }[ 81 ] التشاكلات هي نوع خاص من التشاكل يشير إلى درجة عالية من التشابه بين بنيتين جبريتين. التشاكل هو تشاكل تقابلي ، أي أنه يُنشئ علاقة تقابل بين عناصر البنيتين الجبريتين. وهذا يعني أن كل عنصر من البنية الجبرية الأولى يُقابله عنصر واحد فريد في البنية الثانية ، دون وجود أي عناصر غير مُقابلة في البنية الثانية. [ 82 ]

مخطط فين لمجموعة ومجموعتها الجزئية
تقتصر الجبريات الفرعية على مجموعة فرعية من المجموعة الأساسية للبنية الجبرية الأصلية.

أداة مقارنة أخرى هي العلاقة بين البنية الجبرية وجبرها الجزئي . [ 83 ] تستخدم البنية الجبرية وجبرها الجزئي العمليات نفسها، [ ن ] التي تتبع البديهيات نفسها. الفرق الوحيد هو أن المجموعة الأساسية للجبر الجزئي هي مجموعة جزئية من المجموعة الأساسية للبنية الجبرية. [ o ] يجب أن تكون جميع العمليات في الجبر الجزئي مغلقة في مجموعتها الأساسية، أي أنها تُنتج فقط عناصر تنتمي إلى هذه المجموعة. [ 83 ] على سبيل المثال، مجموعة الأعداد الزوجية مع الجمع هي جبر جزئي من مجموعة الأعداد الصحيحة الكاملة مع الجمع. هذا لأن مجموع عددين زوجيين هو عدد زوجي أيضًا. لكن مجموعة الأعداد الفردية مع الجمع ليست جبرًا جزئيًا لأنها غير مغلقة: فجمع عددين فرديين ينتج عددًا زوجيًا، وهو ليس جزءًا من المجموعة الجزئية المختارة. [ 84 ]

الجبر الشامل هو دراسة البنى الجبرية بشكل عام. وكجزء من منظوره العام، لا يهتم بالعناصر المحددة التي تُكوّن المجموعات الأساسية، بل يُعنى بالعمليات التي تتضمن أكثر من مُدخلين، مثل العمليات الثلاثية . وهو يُوفر إطارًا لدراسة السمات البنيوية المشتركة بين مختلف البنى الجبرية. [ 86 ] [ ص ] إحدى هذه السمات البنيوية تتعلق بالمتطابقات الصحيحة في مختلف البنى الجبرية. في هذا السياق، المتطابقة هي معادلة شاملة ، أي معادلة صحيحة لجميع عناصر المجموعة الأساسية. على سبيل المثال، خاصية التبديل هي معادلة شاملة تنص على أنأب{\displaystyle a\circ b}هو نفسهبأ{\displaystyle b\circ a}لجميع العناصر. [ 88 ] التنوع هو فئة من جميع البنى الجبرية التي تحقق متطابقات معينة. على سبيل المثال، إذا حققت بنيتان جبريتان خاصية التبديل ، فإنهما كلتاهما جزء من التنوع المقابل. [ 89 ] [ q ] [ r ]

تدرس نظرية الفئات كيفية ارتباط الكائنات الرياضية ببعضها البعض باستخدام مفهوم الفئات . الفئة هي مجموعة من الكائنات بالإضافة إلى مجموعة من التشاكلات أو "الأسهم" بين تلك الكائنات. يجب أن تستوفي هاتان المجموعتان شروطًا معينة. على سبيل المثال، يمكن ضم التشاكلات أو تركيبها : إذا وُجد تشاكل من كائن إلى آخر.أ{\displaystyle a}للاعتراضب{\displaystyle b}، وتشكل آخر من الكائنب{\displaystyle b}للاعتراضج{\displaystyle c}إذن ، يجب أن يكون هناك واحد من الكائن أيضًاأ{\displaystyle a}للاعتراضج{\displaystyle c}يشترط أن يكون تركيب التشكلات تجميعيًا، ويجب أن يكون لكل عنصر تشكلٌ مطابق. [ 93 ] تُستخدم التصنيفات على نطاق واسع في الرياضيات المعاصرة لأنها توفر إطارًا موحدًا لوصف وتحليل العديد من المفاهيم الرياضية الأساسية. على سبيل المثال، يمكن وصف المجموعات باستخدام تصنيف المجموعات ، ويمكن اعتبار أي زمرة تشكلات لتصنيف يحتوي على عنصر واحد فقط. [ 94 ]

تاريخ

بردية رايند
تُعد بردية ريند الرياضية من مصر القديمة ، والتي يعود تاريخها إلى حوالي 1650 قبل الميلاد ، واحدة من أقدم الوثائق التي تناقش المسائل الجبرية.

يعود أصل علم الجبر إلى محاولات حل المسائل الرياضية التي تتضمن حسابات حسابية وكميات مجهولة. وقد شهدت هذه التطورات تطورات في العصور القديمة في بابل ومصر واليونان والصين والهند . ومن أقدم الوثائق التي تناولت المسائل الجبرية بردية ريند الرياضية من مصر القديمة، والتي كُتبت حوالي عام 1650 قبل الميلاد . [ ] وتناقش هذه البردية حلول المعادلات الخطية ، كما هو مُبين في مسائل مثل : "كمية؛ أُضيف إليها ربعها. فأصبحت خمسة عشر. ما هي الكمية؟". وتشرح ألواح الطين البابلية ، التي تعود إلى الفترة نفسها تقريبًا، طرقًا لحل المعادلات الخطية ومعادلات كثيرات الحدود من الدرجة الثانية ، مثل طريقة إكمال المربع . [ 96 ] 

وصلت العديد من هذه الأفكار إلى الإغريق القدماء. فابتداءً من القرن السادس قبل الميلاد، انصبّ اهتمامهم الرئيسي على الهندسة لا الجبر، لكنهم استخدموا الأساليب الجبرية لحلّ المسائل الهندسية. فعلى سبيل المثال، درسوا الأشكال الهندسية مع اعتبار أطوالها ومساحاتها كميات مجهولة يجب تحديدها، كما يتضح في صياغة فيثاغورس لطريقة الفرق بين مربعين، ولاحقًا في كتاب الأصول لإقليدس . [ 97 ] وفي القرن الثالث الميلادي، قدّم ديوفانتوس شرحًا مفصلاً لكيفية حلّ المعادلات الجبرية في سلسلة كتب بعنوان "الحساب" . وكان أول من جرّب استخدام الرموز للتعبير عن كثيرات الحدود. [ 98 ] وقد أثّر عمل ديوفانتوس في تطوّر الجبر عند العرب، حيث انعكست العديد من أساليبه في المفاهيم والتقنيات المستخدمة في الجبر العربي في العصور الوسطى. [ 99 ] في الصين القديمة، استكشف كتاب " الفصول التسعة في الفن الرياضي" ، الذي أُلِّف على مدى الفترة الممتدة من القرن العاشر قبل الميلاد إلى القرن الثاني الميلادي، [ 100 ] تقنيات متنوعة لحل المعادلات الجبرية، بما في ذلك استخدام بنى شبيهة بالمصفوفات. [ 101 ]

صورة خيالية للخوارزمي ، مستوحاة من طابع بريدي سوفيتي.

يُثار جدلٌ حول ما إذا كانت هذه التطورات المبكرة جزءًا من علم الجبر أم مجرد مقدمات. فقد قدمت حلولًا لمسائل جبرية، لكنها لم تتناولها بطريقة مجردة وعامة، بل ركزت على حالات وتطبيقات محددة. [ 102 ] تغير هذا الوضع مع عالم الرياضيات الفارسي الخوارزمي ، [ t ] الذي نشر كتابه "الكتاب المختصر في الحساب بالإكمال والموازنة" عام 825 ميلادي. قدم الخوارزمي أول نظرية تحليلية لحل المعادلات بتصنيفها إلى ستة أشكال قياسية [ u ] ، وقدم إجراءات منهجية خطوة بخطوة لحلها. ومن خلال استخلاص هذه الأساليب من أشكال هندسية محددة، ومعاملة الكميات المجهولة ككائنات جبرية عامة، أسس إطارًا عمليًا رسميًا. هذا الانتقال من حل مسائل معزولة إلى تطوير منهجية شاملة حوّل الجبر إلى علم قائم بذاته. [ 105 ] ومن بين المساهمات المؤثرة الأخرى في علم الجبر، مساهمات عالم الرياضيات العربي ثابت بن قرة في القرن التاسع، وعالم الرياضيات الفارسي عمر الخيام في القرنين الحادي عشر والثاني عشر. [ 106 ]

في الهند، بحث براهمغوبتا في كيفية حل المعادلات التربيعية وأنظمة المعادلات ذات المتغيرات المتعددة في القرن السابع الميلادي. ومن بين ابتكاراته استخدام الصفر والأعداد السالبة في المعادلات الجبرية. [ 107 ] قام عالما الرياضيات الهنديان ماهافيرا في القرن التاسع وبهاسكارا الثاني في القرن الثاني عشر بتطوير أساليب ومفاهيم براهمغوبتا. [ 108 ] في عام 1247، كتب عالم الرياضيات الصيني تشين جيوشاو كتاب "الرسالة الرياضية في تسعة أقسام" ، والذي يتضمن خوارزمية للتقييم العددي لكثيرات الحدود ، بما في ذلك كثيرات الحدود ذات الدرجات الأعلى. [ 109 ]

رسم لفرانسوا فييت
لوحة رينيه ديكارت
ابتكر فرانسوا فييت (يسار) ورينيه ديكارت تدوينًا رمزيًا للتعبير عن المعادلات بطريقة مجردة وموجزة.

نقل عالم الرياضيات الإيطالي فيبوناتشي أفكار وتقنيات الخوارزمي إلى أوروبا من خلال كتبٍ من بينها كتابه "ليبر أباتشي" . [ 110 ] وفي عام 1545، نشر العالم الإيطالي الموسوعي جيرولامو كاردانو كتابه "آرس ماجنا" ، الذي تناول العديد من المواضيع في الجبر، وناقش الأعداد التخيلية ، وكان أول من قدم طرقًا عامة لحل المعادلات التكعيبية والرباعية . [ 111 ] وفي القرنين السادس عشر والسابع عشر، أدخل عالما الرياضيات الفرنسيان فرانسوا فييت ورينيه ديكارت الحروف والرموز للدلالة على المتغيرات والعمليات، مما أتاح التعبير عن المعادلات بطريقة موجزة ومجردة. وكان أسلافهم يعتمدون على الأوصاف اللفظية للمسائل والحلول. [ 112 ] ويرى بعض المؤرخين أن هذا التطور يمثل نقطة تحول رئيسية في تاريخ الجبر، ويعتبرون ما سبقه بمثابة ما قبل تاريخ الجبر، لأنه كان يفتقر إلى الطبيعة المجردة القائمة على التلاعب الرمزي. [ 113 ]

في القرنين السابع عشر والثامن عشر، بُذلت محاولات عديدة لإيجاد حلول عامة لكثيرات الحدود من الدرجة الخامسة فما فوق، لكنها باءت جميعها بالفشل. [ 37 ] في نهاية القرن الثامن عشر، أثبت عالم الرياضيات الألماني كارل فريدريش غاوس النظرية الأساسية في الجبر ، التي تُبين وجود أصفار لكثيرات الحدود من أي درجة دون تقديم حل عام. [ 19 ] في بداية القرن التاسع عشر، تمكن عالم الرياضيات الإيطالي باولو روفيني وعالم الرياضيات النرويجي نيلز هنريك أبيل من إثبات عدم وجود حل عام لكثيرات الحدود من الدرجة الخامسة فما فوق. [ 37 ] استجابةً لهذه النتائج وبعدها بفترة وجيزة، طور عالم الرياضيات الفرنسي إيفاريست غالوا ما عُرف لاحقًا بنظرية غالوا ، التي قدمت تحليلًا أكثر تعمقًا لحلول كثيرات الحدود، ووضعت في الوقت نفسه أسس نظرية الزمر . [ 20 ] سرعان ما أدرك علماء الرياضيات أهمية نظرية الزمر في مجالات أخرى، وطبقوها على تخصصات مثل الهندسة ونظرية الأعداد. [ 114 ]

صورة غاريت بيركوف
قام غاريت بيركوف بتطوير العديد من المفاهيم الأساسية للجبر الشامل.

ابتداءً من منتصف القرن التاسع عشر، تحوّل الاهتمام بعلم الجبر من دراسة كثيرات الحدود المرتبطة بالجبر الابتدائي إلى بحثٍ أعمّ في البنى الجبرية، مما شكّل بداية الجبر المجرد . استكشف هذا النهج الأسس البديهية للعمليات الجبرية المختلفة. [ 115 ] ورافق هذا التطور ابتكار أنظمة جبرية جديدة قائمة على عمليات وعناصر مختلفة، مثل الجبر البولياني ، وجبر المتجهات ، وجبر المصفوفات . [ 116 ] وقد أسهم علماء الرياضيات الألمان ديفيد هيلبرت ، وإرنست شتاينيتز ، وإيمي نوثر، بالإضافة إلى عالم الرياضيات النمساوي إميل آرتين ، في التطورات المبكرة المؤثرة في الجبر المجرد. بحثوا في أشكال مختلفة من البنى الجبرية وصنفوها بناءً على بديهياتها الأساسية إلى أنواع، مثل الزمر، والحلقات، والحقول. [ 117 ]

طُورت فكرة المنهج الأكثر عمومية المرتبط بالجبر الشامل على يد عالم الرياضيات الإنجليزي ألفريد نورث وايتهيد في كتابه "رسالة في الجبر الشامل" الصادر عام ١٨٩٨. وابتداءً من ثلاثينيات القرن العشرين، وسّع عالم الرياضيات الأمريكي غاريت بيركوف هذه الأفكار وطوّر العديد من المفاهيم الأساسية لهذا المجال. [ ١١٨ ] أدى ابتكار الجبر الشامل إلى ظهور مجالات جديدة متنوعة تركز على جبرنة الرياضيات ، أي تطبيق الأساليب الجبرية على فروع أخرى من الرياضيات. ظهر الجبر الطوبولوجي في أوائل القرن العشرين، حيث درس البنى الجبرية مثل الزمر الطوبولوجية وزمر لي . [ ١١٩ ] وفي أربعينيات وخمسينيات القرن العشرين، ظهر الجبر الهومولوجي ، الذي وظّف التقنيات الجبرية لدراسة الهومولوجيا . [ ١٢٠ ] وفي نفس الفترة تقريبًا، طُوّرت نظرية الفئات ، والتي لعبت منذ ذلك الحين دورًا محوريًا في أسس الرياضيات . [ 121 ] ومن التطورات الأخرى صياغة نظرية النموذج ودراسة الجبر الحر . [ 122 ]

التطبيقات

يمتد تأثير الجبر على نطاق واسع، سواء داخل الرياضيات نفسها أو في تطبيقاته في مجالات أخرى. [ 123 ] وتُعرف عملية تطبيق الجبر على الرياضيات بأنها تطبيق الأساليب والمبادئ الجبرية على فروع أخرى من الرياضيات ، مثل الهندسة والطوبولوجيا ونظرية الأعداد والتفاضل والتكامل . ويتم ذلك باستخدام رموز في صورة متغيرات للتعبير عن المفاهيم الرياضية على مستوى أكثر عمومية، مما يسمح للرياضيين بتطوير نماذج رسمية تصف كيفية تفاعل الأشياء وعلاقاتها ببعضها البعض. [ 124 ]

صورة مُجسّمة لكرة
المعادلة الجبريةx2+y2+z2=1{\displaystyle x^{2}+y^{2}+z^{2}=1}يصف كرة عند نقطة الأصل بنصف قطر يساوي 1.

أحد التطبيقات، الموجودة في الهندسة، هو استخدام العبارات الجبرية لوصف الأشكال الهندسية. على سبيل المثال، المعادلةy=3x-7{\displaystyle y=3x-7}يصف الخط في الفضاء ثنائي الأبعاد بينما المعادلةx2+y2+z2=1{\displaystyle x^{2}+y^{2}+z^{2}=1}يتوافق مع كرة في الفضاء ثلاثي الأبعاد. ومن الأمور ذات الأهمية الخاصة في الهندسة الجبرية ، التنوعات الجبرية ، [ v ] وهي حلول لأنظمة المعادلات متعددة الحدود التي يمكن استخدامها لوصف أشكال هندسية أكثر تعقيدًا. [ 126 ] كما يمكن للاستدلال الجبري حل المسائل الهندسية. على سبيل المثال، يمكن تحديد ما إذا كان الخط الموصوف بـy=x+1{\displaystyle y=x+1}يتقاطع مع الدائرة الموصوفة بواسطةx2+y2=25{\displaystyle x^{2}+y^{2}=25}بحلّ نظام المعادلات المكوّن من هاتين المعادلتين. [ 127 ] يدرس علم الطوبولوجيا خصائص الأشكال الهندسية أو الفضاءات الطوبولوجية التي تبقى محفوظةً تحت عمليات التشوه المستمر . يعتمد علم الطوبولوجيا الجبرية على نظريات جبرية، مثل نظرية الزمر، لتصنيف الفضاءات الطوبولوجية. على سبيل المثال، تصنف زمر التماثل الفضاءات الطوبولوجية بناءً على وجود حلقات أو ثقوب فيها. [ 128 ]

يهتم علم الأعداد بخصائص الأعداد الصحيحة والعلاقات بينها. ويُطبّق علم الأعداد الجبري الأساليب والمبادئ الجبرية على هذا المجال البحثي. ومن الأمثلة على ذلك استخدام التعبيرات الجبرية لوصف القوانين العامة، مثل نظرية فيرما الأخيرة ، واستخدام البنى الجبرية لتحليل سلوك الأعداد، مثل حلقة الأعداد الصحيحة . [ 129 ] أما علم التوافيق، وهو مجال ذو صلة ، فيستخدم التقنيات الجبرية لحل المسائل المتعلقة بعدّ وترتيب ودمج العناصر المنفصلة. ومن الأمثلة على ذلك تطبيق نظرية الزمر لتحليل الرسوم البيانية والتناظرات. [ 130 ] كما أن رؤى الجبر ذات صلة بعلم التفاضل والتكامل، الذي يستخدم التعبيرات الرياضية لدراسة معدلات التغير والتراكم . ويعتمد هذا العلم على الجبر، على سبيل المثال، لفهم كيفية تحويل هذه التعبيرات ودور المتغيرات فيها. [ 131 ] يستخدم المنطق الجبري أساليب الجبر لوصف وتحليل البنى والأنماط التي يقوم عليها الاستدلال المنطقي ، [ 132 ] مستكشفًا كلًا من البنى الرياضية ذات الصلة وتطبيقها على مسائل منطقية ملموسة. [ 133 ] ويشمل دراسة الجبر البولياني لوصف منطق القضايا، [ 134 ] بالإضافة إلى صياغة وتحليل البنى الجبرية المقابلة لأنظمة منطقية أكثر تعقيدًا . [ 135 ]

صورة مكعب روبيك
يمكن تدوير أوجه مكعب روبيك لتغيير ترتيب الرقع الملونة. وتشكل التباديل الناتجة مجموعة تسمى مجموعة مكعب روبيك . [ 136 ]

تُستخدم الأساليب الجبرية على نطاق واسع في مجالات أخرى ، مثل العلوم الطبيعية. فعلى سبيل المثال، تُستخدم للتعبير عن القوانين العلمية وحل المعادلات في الفيزياء والكيمياء والأحياء . [ 137 ] وتوجد تطبيقات مماثلة في مجالات مثل الاقتصاد والجغرافيا والهندسة (بما في ذلك الإلكترونيات والروبوتات ) وعلوم الحاسوب للتعبير عن العلاقات وحل المشكلات ونمذجة الأنظمة. [ 138 ] ويلعب الجبر الخطي دورًا محوريًا في الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي ، على سبيل المثال، من خلال تمكين المعالجة والتحليل الفعالين لمجموعات البيانات الضخمة . [ 139 ] وتعتمد مجالات متنوعة على البنى الجبرية التي يُدرسها الجبر المجرد. فعلى سبيل المثال، تستخدم العلوم الفيزيائية، مثل علم البلورات وميكانيكا الكم، نظرية الزمر على نطاق واسع، [ 140 ] والتي تُستخدم أيضًا لدراسة الألغاز مثل سودوكو ومكعبات روبيك ، [ 141 ] وفن الأوريغامي . [ 142 ] تعتمد كل من نظرية الترميز وعلم التشفير على الجبر المجرد لحل المشكلات المرتبطة بنقل البيانات ، مثل تجنب آثار التشويش وضمان أمن البيانات . [ 143 ]

تعليم

رسم تخطيطي لميزان ذي كفتين
تُستخدم الموازين في تعليم الجبر لمساعدة الطلاب على فهم كيفية تحويل المعادلات لتحديد القيم المجهولة. [ 144 ]

يركز تعليم الجبر في الغالب على الجبر الابتدائي، وهذا أحد أسباب تسميته أيضًا بالجبر المدرسي. ولا يُدرَّس عادةً إلا في المرحلة الثانوية، إذ يتطلب إتقان أساسيات الحساب، ويطرح في الوقت نفسه تحديات معرفية جديدة مرتبطة بالتفكير المجرد والتعميم. [ 145 ] ويهدف إلى تعريف الطلاب بالجانب الرسمي للرياضيات من خلال مساعدتهم على فهم الرموز الرياضية، مثل كيفية استخدام المتغيرات لتمثيل الكميات المجهولة. وتكمن صعوبة إضافية للطلاب في أن التعبيرات الجبرية، على عكس العمليات الحسابية، غالبًا ما يصعب حلها مباشرةً. بدلًا من ذلك، يحتاج الطلاب إلى تعلم كيفية تحويلها وفقًا لقوانين معينة، غالبًا لتحديد كمية مجهولة. [ 146 ]

تعتمد بعض الأدوات المستخدمة لتعريف الطلاب بالجانب المجرد من الجبر على نماذج ملموسة وتصورات للمعادلات، بما في ذلك التشبيهات الهندسية، والوسائل التعليمية كالعصي أو الأكواب، و"آلات الدوال" التي تمثل المعادلات كمخططات انسيابية . تستخدم إحدى الطرق الموازين كأسلوب تصويري لمساعدة الطلاب على فهم المسائل الأساسية في الجبر. كتلة بعض الأجسام على الميزان غير معروفة وتمثل متغيرات. حل المعادلة يعني إضافة وإزالة أجسام من كلا الجانبين بحيث يبقى الجانبان متوازنين حتى يتبقى الجسم الوحيد على أحد الجانبين وهو الجسم ذو الكتلة المجهولة. [ 147 ] تُعد المسائل الكلامية أداة أخرى لإظهار كيفية تطبيق الجبر على مواقف الحياة الواقعية. على سبيل المثال، قد يُعرض على الطلاب موقف يمتلك فيه شقيق نعومي ضعف عدد التفاحات التي تمتلكها نعومي. وبما أن لديهما معًا اثنتي عشرة تفاحة، يُطلب من الطلاب إيجاد معادلة جبرية تصف هذا الموقف .2x+x=12{\displaystyle 2x+x=12}) ولتحديد عدد التفاحات التي تملكها نعومي ( x=4{\displaystyle x=4}) . [ 148 ]

في المرحلة الجامعية، يواجه طلاب الرياضيات مواضيع متقدمة في الجبر، تشمل الجبر الخطي والجبر المجرد. وتركز المقررات التمهيدية في الجبر الخطي على المصفوفات، والفضاءات المتجهة، والتحويلات الخطية. وبعد إتمامها، يتعرف الطلاب عادةً على الجبر المجرد، حيث يتعلمون البنى الجبرية كالمجموعات والحلقات والحقول، بالإضافة إلى العلاقات بينها. كما يغطي المنهج الدراسي عادةً حالات محددة من البنى الجبرية، مثل أنظمة الأعداد النسبية، والأعداد الحقيقية، ومتعددات الحدود. [ 149 ]

انظر أيضاً

مراجع

ملحوظات

  1. عند فهمها بأوسع معانيها، فإن العملية الجبرية هي دالة من قوة ديكارتية لمجموعة ما إلى تلك المجموعة ، ويتم التعبير عنها رسميًا على النحو التالي :ω:أنأ{\displaystyle \omega :A^{n}\to A}تُعدّ عملية جمع الأعداد الحقيقية مثالاً على العمليات الجبرية: فهي تأخذ عددين كمدخلات وتُنتج عددًا واحدًا كمخرجات. ولها الشكل التالي:+:R2R{\displaystyle +:\mathbb {R} ^{2}\to \mathbb {R} }[ 3 ]
  2. يُغطى علم الجبر بالقسم 512 في تصنيف ديوي العشري [ 5 ] والفئة الفرعية QA 150 - 272.5 في تصنيف مكتبة الكونغرس . [ 6 ] ويشمل عدة مجالات في تصنيف موضوعات الرياضيات . [ 7 ]
  3. يُختلف على المعنى الدقيق لمصطلح "الجبر" في كتابات الخوارزمي. ففي بعض المواضع، يُشير المصطلح إلى أن الكمية التي نقصت بالطرح تُعاد إلى قيمتها الأصلية، على غرار كيفية قيام مُجبّر العظام بتقويم العظام المكسورة وإعادتها إلى وضعها الصحيح. [ 17 ]
  4. وقد نتجت هذه التغييرات جزئياً عن اكتشافات حلت العديد من المشكلات القديمة في الجبر. فعلى سبيل المثال، أثبت برهان النظرية الأساسية للجبر وجود حلول معقدة لكثيرات الحدود [ 19 ] ، كما أن تقديم نظرية غالوا حدد كثيرات الحدود التي لها حلول عامة . [ 20 ]
  5. تمثل الثوابت أعدادًا ثابتة لا تتغير أثناء دراسة مشكلة معينة. [ 24 ]
  6. على سبيل المثال، المعادلاتx1-3x2=0{\displaystyle x_{1}-3x_{2}=0}وx1-3x2=7{\displaystyle x_{1}-3x_{2}=7}تتعارض هذه القيم مع بعضها البعض، حيث لا توجد قيم لـx1{\displaystyle x_{1}}وx2{\displaystyle x_{2}}توجد حلول للمعادلتين في نفس الوقت. [ 47 ]
  7. يعتمد وجود حل وحيد لنظام معادلات متسق على عدد المتغيرات والمعادلات المستقلة . تكون المعادلات مستقلة إذا لم تُقدّم المعلومات نفسها، ولا يُمكن استنتاجها من بعضها البعض. يوجد حل وحيد إذا كان عدد المتغيرات مساويًا لعدد المعادلات المستقلة. في المقابل ، تحتوي الأنظمة غير المحددة على عدد متغيرات أكبر من عدد المعادلات المستقلة، ولها عدد لا نهائي من الحلول إذا كانت متسقة. [ 48 ]
  8. المجموعة هي تجمع غير مرتب لعناصر متميزة، مثل الأعداد أو المتجهات أو المجموعات الأخرى. تصف نظرية المجموعات قوانين وخصائص المجموعات. [ 57 ]
  9. وفقًا لبعض التعريفات، تتضمن البنى الجبرية عنصرًا مميزًا كمكون إضافي، مثل عنصر الوحدة في حالة الضرب. [ 58 ]
  10. تتضمن بعض البنى الجبرية التي يدرسها الجبر المجرد عمليات أحادية بالإضافة إلى العمليات الثنائية. على سبيل المثال،تحتوي فضاءات المتجهات المعيارية على معيار ، وهو عملية أحادية تُستخدم غالبًا لربط متجه بطوله. [ 59 ]
  11. الرموز{\displaystyle \circ }و{\displaystyle \star }تُستخدم في هذه المقالة لتمثيل أي عملية قد تشبه أو لا تشبه العمليات الحسابية. [ 63 ]
  12. لا يشترط بعض المؤلفين وجود عناصر محايدة ضربية. وتُسمى الحلقة التي لا تحتوي على عنصر محايد ضربي أحيانًا حلقة عشوائية . [ 70 ]
  13. هذا يعني أن الضرب والجمع يستخدمان عناصر محايدة مختلفة. [ 73 ]
  14. وفقًا لبعض التعريفات، من الممكن أيضًا أن تحتوي الجبر الفرعي على عدد أقل من العمليات. [ 84 ]
  15. هذا يعني أن جميع عناصر المجموعة الأولى هي أيضاً عناصر في المجموعة الثانية، ولكن قد تحتوي المجموعة الثانية على عناصر غير موجودة في المجموعة الأولى. [ 85 ]
  16. يُفهم الجبر الشامل، من منظور مختلف قليلاً، على أنه دراسة نوع واحد من البنى الجبرية المعروفة بالجبر الشامل. يُعرَّف الجبر الشامل تعريفاً عاماً ليشمل معظم البنى الجبرية الأخرى. على سبيل المثال، تُعدّ الزمر والحلقات أنواعاً خاصة من الجبر الشامل. [ 87 ]
  17. لا تُشكّل كل أنواع البنية الجبرية تنوعًا. على سبيل المثال، تُشكّل كل من المجموعات والحلقات تنوعات، لكن الحقول لا تُشكّلها. [ 90 ]
  18. إلى جانب الهويات، يهتم الجبر الشامل أيضًا بالخصائص البنيوية المرتبطة بشبه الهويات . شبه الهوية هي هوية لا يلزم وجودها إلا في ظل شروط معينة (تأخذ شكل شرط هورن [ 91 ] ). وهي تعميم للهوية بمعنى أن كل هوية هي شبه هوية، ولكن ليس كل شبه هوية هوية. أما شبه التنوع فهو فئة من جميع البنى الجبرية التي تحقق بعض شبه الهويات. [ 92 ]
  19. التاريخ الدقيق محل خلاف، ويقترح بعض المؤرخين تاريخًا لاحقًا حوالي عام 1550 قبل الميلاد. [ 95 ]
  20. يعتبره بعض المؤرخين "أبو الجبر" بينما ينسب آخرون هذا اللقب إلى ديوفانتوس. [ 103 ]
  21. هذه النماذج هيبx=ج{\displaystyle bx=c}،أx2=بx{\displaystyle ax^{2}=bx}،أx2=ج{\displaystyle ax^{2}=c}،أx2+بx=ج{\displaystyle ax^{2}+bx=c}،أx2+ج=بx{\displaystyle ax^{2}+c=bx}، وأx2=بx+ج{\displaystyle ax^{2}=bx+c}[ 104 ]
  22. تختلف الأصناف الجبرية التي تُدرس في الهندسة عن الأصناف الأكثر عمومية التي تُدرس في الجبر الشامل. [ 125 ]

الاقتباسات

  1. بارانوفيتش 2023 ، القسم الرئيسي
    • برات 2022 ، القسم الرئيسي، § 1. الجبر الابتدائي، § 2. الجبر المجرد، § 3. الجبر الشامل
    • Merzlyakov & Shirshov 2020 , § موضوع الجبر وفروعه الرئيسية وعلاقته بفروع الرياضيات الأخرى.
  2. هايام 2019 ، ص 296 
  3. مكتبة الكونغرس ، ص 3
  4. مسابقة zbMATH المفتوحة 2024
  5. 1 2
  6. فريق عمل EoM 2017
  7. 1 2
  8. 1 2
  9. 1 2
  10. سوبوليف 2015
  11. جيديس، تشابور ولاباهن 2007 ، ص 46 
  12. 1 2 3
  13. ^ إيجاراشي وآخرون. 2014 ، ص. 103 
  14. 1 2
  15. 1 2
  16. 1 2
  17. هاوسبرغر 2020 ، تدريس وتعلم الجبر المجرد
  18. 1 2 أوفشينيكوف 2015 ، ص 27 
  19. جريليه 2007 ، ص 247 
  20. جيلبرت ونيكلسون 2004 ، ص 4 
  21. سيلفرمان 2022 ، ص 64 
  22. جيديس، تشابور ولاباهن 2007 ، ص 24 
  23. سميث 2015 ، ص 161 
  24. موه 1992 ، الصفحات 102-103 
  25. كوبر 2011 ، ص 60 
  26. 1 2
  27. 1 2 إندورخيا 2013 ، ص 217-218 
  28. إيفيموف 2014
  29. كوهن 1995 ، ص 8 
  30. مالسيف 1973 ، ص 211
  31. بورجين 2022 ، ص 10 
  32. هيغينز 2015 ، ص 89 
  33. برادلي 2006 ، ص 95 . 
  34. فينس 2007 ، ص 133 
  35. ^ أندريكا، نيميتي وسين 2001 ، ص 133-134 
  36. جوينر 2008 ، ص 92 
  37. ^ تيراس 2019 ، ص 63-64 ، 142 
  38. هول 2021 ، ص 180 
  39. ^ هاوسبرجر، زانديه وفليشمان 2021 ، ص 147-148 

مصادر