Кіріспе

Тарихта математиканың бірыңғай теориясын құруға бірнеше әрекет жасалған. Академиядағы ең беделді математиктердің кейбіреулері бүкіл ғылымды бір теорияға сыйыстыру қажеттігін айтты. Математикалық тақырыптарды біріктіру математикалық консолидация деп аталады: "Екі немесе одан көп ұғымдар немесе теориялардың консолидациясы арқылы біз барлық Ti элементтерін бір жүйеге біріктіретін және кез келген жеке Ti-ден алуға мүмкін болмайтын, одан да жалпы қорытындыларға жететін жаңа теорияны құруды түсінеміз".

Тарихи көзқарас

Біріктіру процесі математиканы ғылым ретінде қалай анықтауға көмектесетінін көрсетуге болады. Мысалы, 18 ғасырда механика мен математикалық талдау дифференциалдық теңдеулер тұжырымдамасымен біріктірілген, бір ғылым ретінде қарастырылса, алгебра мен геометрия көбінесе ерекше саналды. Қазір талдау, алгебра және геометрия математиканың бөліктері ретінде қарастырылады, бірақ механика емес, себебі олар негізінен дедуктивті формальды ғылымдар, ал физика сияқты механика бақылауларға негізделуі тиіс. Аналитикалық механиканың бұрынғы мағынасы енді симплектикалық топология арқылы, жаңа көптүрліліктер теориясына сүйене отырып толыққандықтан, мазмұнда үлкен шығын жоқ.

Математикалық теориялар

Теория термині математикада анықтамалар, аксиомалар, теоремалар, мысалдар және т.б. өзіне сәйкес келетін жиынтық ретінде бейресми түрде қолданылады. (Мысалы, топтар теориясы, Галуа теориясы, басқару теориясы және К-теориясы.) Мұнда ешқандай болжамдық мағынасы жоқ. Сондықтан, "біріктіру теориясы" термині математиктердің қызметін зерттеуге арналған әлеуметтанулық терминге көбірек ұқсайды. Ол жаңа ғылыми байланысқа тең келетін ешқандай болжамды қабылдамайды. Математикада тіл біліміндегі "протодүние" немесе "Гая" гипотезасы сияқты ұқсас ұғымдар жоқ. Дегенмен, математика тарихында жеке теоремалар жиынтығы бірыңғай біріктіруші нәтиженің ерекше жағдайлары болып табылып, математиканың бір саласын дамыту кезіндегі бір ғана көзқарас, пәннің бірнеше саласына жемісті қолданылған жағдайлар болған.

Геометриялық теориялар

Аналитикалық геометрияның дамуы белгілі бір мысал болды, онда Декарт және Ферма сияқты математиктердің еңбектерінде қисықтар мен ерекше типтегі беттерге қатысты көптеген теоремалар алгебралық тілде (сол кезде жаңа) тұжырымдалып, олардың әрқайсысы бірдей әдістермен дәлелденгенін көрсетті. Яғни, теоремалар алгебралық тұрғыдан өте ұқсас болды, тіпті геометриялық интерпретациялары әртүрлі болса да. 1859 жылы Артур Кейли Кейли-Клейн метрикасын қолдану арқылы метрикалық геометрияларды біріктіруді бастады. Кейіннен Феликс Клейн осындай метриканы Евклидтік емес геометрияның негізін қалау үшін пайдаланды. 1872 жылы Феликс Клейн 19-шы ғасырда дамыған геометрияның көптеген салаларын (аффиндік геометрия, проективтік геометрия, гиперболалық геометрия және т.б.) бірыңғай түрде қарастыруға болатынын атап өтті. Ол бұл жұмысты геометриялық объектілердің инвариантты болып табылатын топтарын қарастыру арқылы жасады. Геометрияның осы біріктірілуі Эрланген бағдарламасы деп аталады. Бұрыштардың жалпы теориясын ауданның инвариантты өлшемімен біріктіруге болады. Гиперболалық бұрыш аудан тұрғысынан анықталады, ол табиғи логарифммен байланысты ауданға өте жақын. Дөңгелек бұрыш та радиусы екінің квадрат түбіріне тең шеңберге қатысты аудандық интерпретацияға ие. Бұл аудандар гиперболалық және дөңгелек айналымдарға қатысты инвариантты болып табылады. Бұл аффиндік түрлендірулер арнайы сызықтық топ SL(2,R) элементтері арқылы жүзеге асырылады. Бұл топты зерттеу еңісті ұлғайтатын немесе азайтатын, бірақ еңіс айырмашылығын өзгерте алмайтын қисайтулардың бар екенін көрсетеді. Бұрыштардың үшінші түрі, сондай-ақ еңіс айырмашылықтарына тәуелді аудан ретінде қарастырылатын бұл түр, қисайтудың ауданын сақтауының арқасында инвариантты болып табылады.

Аксиоматизация арқылы

20 ғасырдың басында математиканың көптеген салалары пайдалы аксиомалар жиынтығын анықтап, олардың салдарынан зерттеу арқылы қарастырыла бастады. Мысалы, Кватернион қоғамы зерттегендей, "гиперкешенді сандар" зерттеулері сақиналар теориясының салалары ретінде аксиоматикалық негізде орналастырылды (бұл жағдайда, күрделі сандар өрісіндегі ассоциативтік алгебраның нақты мағынасы бар). Осы орайда, бөлу сақинасы тұжырымы ең қуатты біріктірушілердің бірі болып табылады. Бұл әдістемедегі жалпы өзгеріс болды, себебі қолданбалардың қажеттіліктері бұрын математиканың көп бөлігі алгоритмдер (немесе алгоритмге жақын процестер) арқылы оқытылатындығын көрсетті. Арифметика әлі де солай оқытылады. Бұл математикалық логиканың математиканың жекелеген саласы ретінде дамуымен қатар жүрді. 1930 жылдарға қарай, символдық логиканың өзі математиканың құрамына толыққандай енді. Көп жағдайда зерттелетін математикалық объектілер жиын ретінде немесе, көбінесе, қосымша құрылыммен, мысалы, қосу операциясымен жиын ретінде анықталуы мүмкін (қанондық емес болса да). Қазіргі кезде жиын теориясы математикалық тақырыптарды дамыту үшін жалпы тіл ретінде қызмет етеді.

Бурбаки

Аксиомалық дамудың себебін математиктердің Бурбаки тобы мұқият зерттеді. Бұл көзқарас математиканың ең жалпы түрін дамытуды талап етеді деп есептелді. Бастапқыда ең жалпы аксиомалар алынып, содан кейін, мысалы, коммутативті сақиналар үстіндегі модульдерді енгізу арқылы мамандандырылатын, ал нақты сандар үстіндегі векторлық кеңістіктерге тек қана қажет болған жағдайларда ғана көшілетін. Осылайша даму жалғасты, тіпті ең қызығушылық тудыратын теоремалар маманданудың нәтижесі болған кезде де. Атап айтқанда, зерттеу нысандары көбінесе ерекше болатын немесе математиканың аксиоматикалық салаларымен тек сырттай ғана байланысы бар жағдайларда кездесетін математика салаларына (мысалы, комбинаторика) бұл көзқарас аз мән берді.

Категория теориясы бәсекелес ретінде

Категория теориясы – математиканы біріктіретін теория, ол 20 ғасырдың екінші жартысында дамыған. Осы тұрғыдан алғанда, ол жиын теориясының баламасы және толықтыруы болып табылады. «Категориялық» тұрғыдан қарағандағы басты мәселе – математикаға белгілі бір нысандар ғана емес (Ли тобы, Банах кеңістігі сияқты), сонымен қатар олардың құрылымын сақтайтын байланыстар да қажет екендігі. Атап айтқанда, бұл математикалық нысандардың бірдей саналатынының мәнін нақтылайды. (Мысалы, барлық теңқабырлы үшбұрыштар бірдей ме, әлде мөлшері маңызды ма?) Саундерс Мак Лейн математиканың түрлі салаларында жиі кездесетін, жеткілікті «таралуға» ие кез келген ұғымды бөліп алып, жеке зерттеуге лайық деп ұсынды. Категория теориясы осы мақсатқа басқа қазіргі тәсілдерге қарағанда жақсырақ бейімделген. «Абстрактілі әуесқойлық» деп аталатын нәрсеге сүйенудің кемшіліктері – нақты проблемалардың бастауларынан үзіліп, бірқалыпты және абстрактілі болуы. Дегенмен, категория теориясының әдістері көптеген салаларда (D модульдерінен категориялық логикаға дейін) қабылдануда.

Теорияларды біріктіру

Математиканың екі саласындағы нәтижелер жиынтықтарының ұқсастығы, осы параллельді түсіндіре алатын біріктіруші құрылым бар ма деген сұрақ тудырады. Біз аналитикалық геометрия мысалын атап өттік, ал жалпы алғанда алгебралық геометрия геометриялық объектілер (алгебралық сорттар немесе одан да жалпы схемалар) мен алгебралық объектілер (идеалдар) арасындағы байланыстарды жан-жақты дамытады; мұндағы шешуші нәтиже – Гилберттің Nullstellensatz, ол екі түрлі объектінің арасында табиғи бір-бірге сәйкестік бар екенін шамамен көрсетеді. Басқа теоремаларды да осы тұрғыдан қарастыруға болады. Мысалы, Галуа теориясының негізгі теоремасы өрістің кеңейтімдері мен өрістің Галуа тобының кіші топтары арасында бір-бірге сәйкестік бар екенін көрсетеді. Эллиптік қисықтар үшін Танияма-Шимура болжамы (қазір дәлелденген) модульдік формалар түрінде берілген қисықтар мен рационал сандар үстінде берілген эллиптік қисықтар арасында бір-бірге сәйкестік орнатады. Кейде "Monstrous Moonshine" деп аталатын зерттеу саласы модульдік формалар мен "Monster" деп белгілі шекті қарапайым топ арасындағы байланыстарды дамытты, бастапқыда олардың әрқайсысында 196884 деген ерекше санның өте табиғи түрде пайда болатыны туралы күтпеген байқаудан өрбиді. Лэнглендс бағдарламасы деп аталатын тағы бір сала да сырттай кездейсоқ сияқты ұқсастықтардан басталады (бұл жағдайда сандық теориялық нәтижелер мен белгілі бір топтардың өкілдіктері арасында) және екі нәтиже жиынтығының да салдары болатын құрылымдарды іздейді.

Модульдік теорияға қатысты соңғы жетістіктер

Белгілі бір мысал – Танияма-Шимура болжамы, қазір модульділік теоремасы, ол рационал сандардағы әрбір эллиптік қисықты модульдік формаға айналдыруға болатынын ұсынды (әрине, байланысты L-функцияны сақтап). Бұл сөздің қатаң мағынасында изоморфизммен сәйкестендіруде қиындықтар тудырады. Кейбір қисықтар болжам жасалмас бұрын (шамамен 1955 жыл) эллиптік қисықтар (1-гениусты) және модульдік қисықтар екені белгілі болды. Болжамның ең таңқаларлық бөлігі – 1-ден жоғары гениусты модульдік қисықтардың Якобиан факторларына қатысты кеңеюі. Болжам айтылғанға дейін мұндай рационал факторлардың «жеткілікті» саны болатыны күмәнді көрінген еді; шындығында, 1970 жылға дейін сандық деректер аз болды, содан кейін кестелер оны растай бастады. Эллиптік қисықтардың күрделі көбейту жағдайы 1964 жылы Шимурамен дәлелденді. Бұл болжам ондаған жылдар бойы жалпы түрде дәлелденбей тұрды. Шын мәнінде, Лэнглендс бағдарламасы (немесе философиясы) – біріктіруші болжамдардың торына ұқсайды; ол автоморфтық формалардың жалпы теориясы Роберт Лэнглендс енгізген L-топтарымен реттеледі деп тұжырымдайды. Оның L-тобына қатысты функторлық принципі автоморфтық формалардың көтерілуінің белгілі түрлерін түсіндіруде үлкен мәнге ие (қазір автоморфтық өкілдіктер ретінде кеңінен зерттеледі). Бұл теория бір жағынан Танияма-Шимура болжамымен тығыз байланысты болғанымен, болжамның кері бағытта жұмыс істейтінін түсіну қажет. Ол автоморфтық форманың болуын талап етеді, ол (өте абстрактты түрде) мотивтер санатындағы объектіден басталады. Тағы бір маңызды байланысты мәселе – Лэнглендс тәсілі айдың жарқырауынан (Фурье қатарлары сияқты эллиптік модульдік функциялар мен Монстр тобының және басқа спорадикалық топтардың топтық өкілдіктері арасындағы байланыстар) туындаған дамудан ерекшеленеді. Лэнглендс философиясы осы зерттеу бағытын болжамаған және оған кіре алмаған.

K-теориясындағы изоморфизмдік болжамдар

Тағы бір жағдай, әзірге толыққанды дамымаған, бірақ математиканың кең саласын қамтитын, K теориясының кейбір бөліктеріне қатысты болжамды негіздер. Баум-Конн болжамы, қазірге дейін шешілмеген маңызды мәселе, K теориясындағы изоморфизм болжамдары деп аталатын топқа Фаррелл-Джонс және Бост болжамдары сияқты басқа да болжамдар қосылды.