馮康的計算數學人生

      馮瑞 

      寬廣的專業基礎

      馮康的大學生涯一波三折,受到人們的關注。正如Lax教授所述“馮康的早年教育為電機工程、物理學與數學,這一背景微妙地形成他后來的興趣。”點出了相當關鍵的問題。

      作為應用數學家而言,工程和物理學的基礎是至關重要的。馮康的經歷可以說是培養應用數學家的最理想的方式,雖然這并不是有意識的選擇與安排,而是在無意中碰上的。

      馮康1938年秋他隨家遷至福建,有半年在家中自學,讀的是薩本棟的《普通物理學》。1939年春去僻處閩西北邵武的協和學院數理系就讀。1939年夏又考上了中央大學電機系。這可能和當時的時代潮流有關。電機工程被認為是最有用的,又是出路最好的。當時學子趨之若鶩,成為競爭最激烈最難考的系科。

      他也有青年好勝心,越是難考的,越想要試一試。另外,大哥馮煥(他是中央大學電機系畢業生)的影響也可能是一個因素。這樣他就以第一名的成績考入中大電機系。入學之后逐漸感覺到工科似乎還不夠味,不能滿足他在智力上的饑渴感。于是就想從工科轉理科,目標定為物理系。由于提出的時間過遲,到二年級尚未轉成,就造成并讀兩系的局面,同時修習電機系與物理系的主課。結果是負擔奇重,對身體產生不利影響,此時脊柱結核已初見征兆。從有益方面來看,這樣一來他的工科訓練就比較齊備了。

      在三、四年級,他幾乎將物理系和數學系的全部主要課程讀完。在此過程中,他的興趣又從物理轉到數學上去了。值得注意的是40年代正當數學抽象化的高潮(以Bouba ki學派為其代表),這股潮流也波及中國大學中有志數理科學的莘莘學子,他們存在不切實際的知識上的“勢利眼”,理科高于工科,數學在理科中地位最高,而數學本身也是愈抽象愈好。馮康之由工轉理,從物理轉數學,而且在數學中傾向于純粹數學,正是這種思潮的體現。他在學科上兜了一個圈子,對他以后向應用數學方向發展,確有極大的好處。試想當初如果直接進數學系,雖然也要必修一些物理課程,由于上述的心理障礙,必然收效甚微,物理如此,更何況工程了。當前拓寬大學專業的呼聲又甚囂塵上,馮康的事例對此可以給予一些啟迪。

      馮康在大學讀完不久,以脊椎結核發病,由于無錢住院治療,就臥病在家。1944年5月到 1945年9月,這是他一生中最困難的時期。在病床上他仍孜孜不倦地學習現代數學的經典著作,由我親自經手向中大圖書館借閱Springer出版的黃皮書,數量不少,十幾本,就我記憶所及,有Hausdorff的集合論,Artin的代數學等,此外還有市面買得到的影印書,如 Weyl的“經典群”,Pontryagin的“拓撲群”等。馮康晝夜沉溺其中,樂此而不疲,使他忘卻了切身的病痛和周圍險惡的環境。這種數學上的Liberaleducation,既進一步鞏固基礎,并和當代的新發展前沿銜接起來了,使他對現代數學的領悟又上了一個臺階。1946年夏,傷口居然奇跡般地愈合,能站起來了,隨后他到復旦大學任教,他仍堅持不懈地自學。

      一個數學家成長的道路

      從1947—1957年這相當于一般人的研究生和博士后的階段。1947年初,馮康到清華大學任教之后,就不再是一個人的自學了,參與了數學的討論班,先后受到陳省身、華羅庚等名家的教誨。1951年到蘇聯Steklov研究所進修,他的導師是世界知名的數學家Pontryagin 。受到這么多數學大師的親自指點,確實是極其難得的機會。這段時期內馮康也發表一些論文如“最小幾乎周期拓撲群”等,表明他具備進行數學研究的能力。

      留蘇回來后,又將注意力集中在廣義函數理論上,因為物理學家習用德耳塔函數,電機工程師習用運算微積分,雖然行之有效,但缺乏鞏固的教學基礎。Schwartz的分布論一出,就彌補了這一缺陷,廣義函數論,應運而生。Schwartz的工作得到馮康的贊賞,隨即寫出長篇綜述文章,并開始在這一領域工作。到1957年,馮康已經是一個成熟的數學家。研究工作已牛刀小試,更加突出的是他對數學具有非凡的taste,即眼光,或鑒賞能力。但應當承認,在純粹數學中馮康尚未充分發揮其所長,成果尚不夠豐富和突出,給人以厚積薄發的印象。

      1957年由于工作需要,將他調去搞計算數學,進入這一全新的領域,對他來說,既是挑戰又是機遇。這樣一來,他的優勢,深通物理和工程就能夠充分發揮出來了,而純粹數學的素養又使他有別于其他應用數學家。還有,這是一門全新的交叉科學,完全向能力開放,沒有任何礙事的“權威”,像一張白紙,可以不受任何限制地畫出最新最美的圖畫。顯然開拓新的領域,既需要過硬的工作能力,又需要具有高度的識別能力,這兩者馮康都具備,終于使他成為“眼高手亦高”的大師。當然這需要艱辛的工作,不但自己要學習,還要練兵和帶兵,訓練出一支過硬的研究工作的隊伍。

      兩次重大的科學突破 

      在科學上做出重大突破,往往是可遇而不可求的。眼光、能力和機遇,三者缺一不可。馮康在一生中實現了科學上的兩次重大突破,是非常難能可貴的,值得大書一筆。一是1964—1965年間獨立地開創有限元方法并奠定其數學基礎;二是在1984年以后創建的哈密爾頓系統的辛幾何算法及其發展。當前科學上創新的問題成為議論的焦點,不妨以馮康這兩次突破作為科學上創新的案例,特別值得強調的是,這兩次突破都是在中國土地上由中國科學家發現的。對之進行認真的案例分析,尚有待于行家來進行。我只能圍繞這一課題,談些外行話。 

      值得注意,這兩次突破之所以能實現,不僅是得力于馮康的數學造詣,還和他精通經典物理學和通曉工程技術密切相關。科學上的突破常具有跨學科的特征。另一點需要強調的是在突破之前存在有長達數年的孕育期。需要厚積而發,急功近利的做法并不可取。開創有限元方法的契機來自國家的一項攻關任務,即劉家峽大壩設計中包括的計算問題。面對這樣一個具體實際問題,馮康以敏銳的眼光發現了一個基礎問題。他考慮到按常規來做,處理數學物理離散計算方法要分四步來進行:即(1)明確物理機制,(2)寫出數學表述,(3)采用離散模型,(4)設計算法。但對幾何和物理條件復雜的問題,常規的方法不一定奏效。因而他考慮是否可以越出常規,并不先寫下描述物理現象的微分方程,而是從物理上的守恒定律或變分原理出發,直接和恰當的離散模型聯系起來。

      在過去Euler、Rayl eigh、Ritz、Polya等大師曾經考慮過這種做法,但這些都是在電子計算機出現之前。結合電子計算機計算特點,將變分原理和差分格式直接聯系起來,就形成了有限元方法,它具有廣泛的適應性,特別適合于處理幾何物理條件復雜的工程計算問題。這一方法的實施始于1964年,解決了具體的實際問題。1965年馮康發表了論文“基于變分原理的差分格式 ”,這篇論文是國際學術界承認我國獨立發展有限元方法的主要依據。但是十分遺憾的是,對馮康這項重大貢獻的評價姍姍來遲,而且不夠充分。

      在70年代有限元方法重新從國外移植進來,有人公開在會議上大肆譏笑地說“居然有這樣的奇談怪論,說有限元方法是中國人發明的。”會上馮康只得噤口無語,這個事實是馮康親口告訴我的。后來國際交往逐漸多起來了,來訪的法國數學家Lions和美國數學家Lax都異口同聲地承認馮康獨立于國外發展有限元方法的功績,堅冰總算打破了。但這項工作僅獲得1982年國家自然科學二等獎。馮康得悉這一消息后非常難過,這是可以理解的,因為他對科學成果的估價具敏銳的眼光,曾打算將申請撤回,由于種種原因而未果。

      文革以后,他雖然繼續在和有限元有關的領域進行工作,也不乏出色的成果,例如間斷有限元與邊界歸化方法等,但他也就開始在搜尋探索下一次突破的關口。他關注并進行了解處在數學與物理邊界區域中的新動向,閱讀了大量文獻資料。有兩篇介紹性的綜述文章可以作為這一搜索過程的見證:“現代數理科學中的一些非線性問題”與“數學物理中的反問題”。文革后期一直到80年代中他經常和我談論這方面的問題:諸如Thom的突變論,P rigogine的耗散結構,孤立子,Radon變換等。這種搜索過程,有點像老鷹在天空中盤旋,搜索目標,也可以比擬為“獨上高樓,望盡天涯路”。

      70年代Arnold的“經典力學的數學問題”問世,闡述了哈密頓方程的辛幾何結構,給他很大的啟發,使他找到了突破口。他在計算數學中長期實踐,使他深深領悟到同一物理定律的不同的數學表述,盡管在物理上是等價的;但在計算上是不等價的(他的學生稱之為馮氏大定理),這樣經典力學的牛頓方程、拉格朗日方程和哈密頓方程,在計算上表現出不同的格局,由于哈密爾頓方程具有辛幾何結構,他敏銳地察覺到如果在算法中能夠保持辛幾何的對稱性,將可避免人為耗散性這類算法的缺陷,成為具有高保真性的算法。這樣他就開拓了處理哈密爾頓系統計算問題的康莊大道,他戲稱為哈密爾頓大道(TheHamiltonianway),在天體力學的軌道計算,粒子加速器中的軌道計算和分子動力學計算中得到廣泛的應用。這項成果在1991年國家自然科學獎評議中評為二等獎。馮康獲悉后撤回申請。直到1997年底,在馮康去世四年之后,終于授予了國家自然科學一等獎。 

      一個大寫的人 

      最后,我想將主題從科學轉到人。馮康是一位杰出的科學家,也是一個大寫的人。他的科學事業和他的人品密切相關。一個人的品格可以從不同側面來呈現:在他的學生眼里,他是循循善誘,不畏艱辛帶領他們攀登科學高峰的好導師;在他同事眼中,他是具有戰略眼光同時能夠實戰的優秀學科帶頭人。熟悉他的人都知道,他工作起來廢寢忘食,他臥室的燈光經常通宵不熄,是一心撲在科學研究上的人。在Lax教授眼中,他是“悍然獨立,毫無畏怯,剛正不阿”的人。這個評語深獲吾心,談到了馮康人品中最本質的問題。我想引申為“獨立之精神,自由之思想”(這是陳寅恪對王國維的評語)。和他近七十年的相處中,正是這一點給我印象最深。他不是唯唯諾諾,人云亦云,隨波逐流之輩。對許多事情他都有自己的看法和見解,有許多是不同于流俗的。在關鍵的問題上,凜然有“三軍可以奪帥,匹夫不可奪志”的氣概。從科學工作到做人,都貫徹了這種精神。下面隨便舉幾個例子來闡述這一點。 

      馮康親身受教于三位世界級的數學大師:陳省身、華羅庚和Pontryagin。他們的風格和領域迥然不同。三人都有極其寬廣的研究領域,只要從中選擇一個角落從事研究的話,就能做出很出色的工作,成為優秀的數學家。馮康除了早期拓撲群的工作顯示了Pontryagin的影響外,在他成熟時期的重要工作都是獨來獨往,完全是他自己獨立發展起來的,真正體現了“獨立之精神,自由之思想”。

        疾惡如仇是馮康一貫的基本品格。他很早就接觸到Pontryagin的工作,后來知道此人是全盲之人,更是充滿景仰之情。到蘇聯之后拜之為師,體現了一種英雄崇拜的心情。關系一直不錯,回國后馮康還譯其著作為中文。在80年代初Pontryagin曾卷入蘇聯數學界反猶太人的風波,為人詬病,也導致馮康的不滿。這充分體現了“我愛我師,更愛真理”這種大公無私的高貴品格。

        在80年代中關于我國電子計算機事業如何發展引起了科學界的關注,曾經就此展開了多次討論。馮康總是旗幟鮮明地提出自己的觀點。他認為微機問世之后,計算機發展的形勢大變,未來肯定是微機的天下。我國應該看到這一發展趨勢,及時采取適當的措施,集中力量重點來發展微機。這種得風氣之先的觀點,經過歷史的檢驗,被證明是正確無誤的了,也已成為大家共識。但當時他為此得罪了很多人。這類事例還很多,但無需一一列舉了。

        值此紀念馮康逝世五周年,誕生78周年之際,我認為特別值得宣揚和表彰的就在于馮康一生所體現的“獨立之精神,自由之思想”。現在大家都在談論科學創新的問題。科學創新需要人才來實現,是唯唯諾諾,人云亦云之人呢?還是具有“獨立之精神,自由之思想” 之人呢?結論是肯定的。科學創新要有濃厚的學術氣氛,是“一言堂”,還是“群言堂” ,能否容許“獨立之精神,自由之思想”發揮光大又成為關鍵的問題。馮康離開人間已五年了,他的科學遺產為青年一代科學家所繼承和發展,他的精神和思想仍然引起人們關注、思考和共鳴。他還活在人們的心中!

       

       
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