冯康的计算数学人生

冯瑞 

宽广的专业基础

冯康的大学生涯一波三折,受到人们的关注。正如Lax教授所述“冯康的早年教育为电机工程、物理学与数学,这一背景微妙地形成他后来的兴趣。”点出了相当关键的问题。

作为应用数学家而言,工程和物理学的基础是至关重要的。冯康的经历可以说是培养应用数学家的最理想的方式,虽然这并不是有意识的选择与安排,而是在无意中碰上的。

冯康1938年秋他随家迁至福建,有半年在家中自学,读的是萨本栋的《普通物理学》。1939年春去僻处闽西北邵武的协和学院数理系就读。1939年夏又考上了中央大学电机系。这可能和当时的时代潮流有关。电机工程被认为是最有用的,又是出路最好的。当时学子趋之若鹜,成为竞争最激烈最难考的系科。

他也有青年好胜心,越是难考的,越想要试一试。另外,大哥冯焕(他是中央大学电机系毕业生)的影响也可能是一个因素。这样他就以第一名的成绩考入中大电机系。入学之后逐渐感觉到工科似乎还不够味,不能满足他在智力上的饥渴感。于是就想从工科转理科,目标定为物理系。由于提出的时间过迟,到二年级尚未转成,就造成并读两系的局面,同时修习电机系与物理系的主课。结果是负担奇重,对身体产生不利影响,此时脊柱结核已初见征兆。从有益方面来看,这样一来他的工科训练就比较齐备了。

在三、四年级,他几乎将物理系和数学系的全部主要课程读完。在此过程中,他的兴趣又从物理转到数学上去了。值得注意的是40年代正当数学抽象化的高潮(以Bouba ki学派为其代表),这股潮流也波及中国大学中有志数理科学的莘莘学子,他们存在不切实际的知识上的“势利眼”,理科高于工科,数学在理科中地位最高,而数学本身也是愈抽象愈好。冯康之由工转理,从物理转数学,而且在数学中倾向于纯粹数学,正是这种思潮的体现。他在学科上兜了一个圈子,对他以后向应用数学方向发展,确有极大的好处。试想当初如果直接进数学系,虽然也要必修一些物理课程,由于上述的心理障碍,必然收效甚微,物理如此,更何况工程了。当前拓宽大学专业的呼声又甚嚣尘上,冯康的事例对此可以给予一些启迪。

冯康在大学读完不久,以脊椎结核发病,由于无钱住院治疗,就卧病在家。1944年5月到 1945年9月,这是他一生中最困难的时期。在病床上他仍孜孜不倦地学习现代数学的经典著作,由我亲自经手向中大图书馆借阅Springer出版的黄皮书,数量不少,十几本,就我记忆所及,有Hausdorff的集合论,Artin的代数学等,此外还有市面买得到的影印书,如 Weyl的“经典群”,Pontryagin的“拓扑群”等。冯康昼夜沉溺其中,乐此而不疲,使他忘却了切身的病痛和周围险恶的环境。这种数学上的Liberaleducation,既进一步巩固基础,并和当代的新发展前沿衔接起来了,使他对现代数学的领悟又上了一个台阶。1946年夏,伤口居然奇迹般地愈合,能站起来了,随后他到复旦大学任教,他仍坚持不懈地自学。

一个数学家成长的道路

从1947—1957年这相当于一般人的研究生和博士后的阶段。1947年初,冯康到清华大学任教之后,就不再是一个人的自学了,参与了数学的讨论班,先后受到陈省身、华罗庚等名家的教诲。1951年到苏联Steklov研究所进修,他的导师是世界知名的数学家Pontryagin 。受到这么多数学大师的亲自指点,确实是极其难得的机会。这段时期内冯康也发表一些论文如“最小几乎周期拓扑群”等,表明他具备进行数学研究的能力。

留苏回来后,又将注意力集中在广义函数理论上,因为物理学家习用德耳塔函数,电机工程师习用运算微积分,虽然行之有效,但缺乏巩固的教学基础。Schwartz的分布论一出,就弥补了这一缺陷,广义函数论,应运而生。Schwartz的工作得到冯康的赞赏,随即写出长篇综述文章,并开始在这一领域工作。到1957年,冯康已经是一个成熟的数学家。研究工作已牛刀小试,更加突出的是他对数学具有非凡的taste,即眼光,或鉴赏能力。但应当承认,在纯粹数学中冯康尚未充分发挥其所长,成果尚不够丰富和突出,给人以厚积薄发的印象。

1957年由于工作需要,将他调去搞计算数学,进入这一全新的领域,对他来说,既是挑战又是机遇。这样一来,他的优势,深通物理和工程就能够充分发挥出来了,而纯粹数学的素养又使他有别于其他应用数学家。还有,这是一门全新的交叉科学,完全向能力开放,没有任何碍事的“权威”,像一张白纸,可以不受任何限制地画出最新最美的图画。显然开拓新的领域,既需要过硬的工作能力,又需要具有高度的识别能力,这两者冯康都具备,终于使他成为“眼高手亦高”的大师。当然这需要艰辛的工作,不但自己要学习,还要练兵和带兵,训练出一支过硬的研究工作的队伍。

两次重大的科学突破 

在科学上做出重大突破,往往是可遇而不可求的。眼光、能力和机遇,三者缺一不可。冯康在一生中实现了科学上的两次重大突破,是非常难能可贵的,值得大书一笔。一是1964—1965年间独立地开创有限元方法并奠定其数学基础;二是在1984年以后创建的哈密尔顿系统的辛几何算法及其发展。当前科学上创新的问题成为议论的焦点,不妨以冯康这两次突破作为科学上创新的案例,特别值得强调的是,这两次突破都是在中国土地上由中国科学家发现的。对之进行认真的案例分析,尚有待于行家来进行。我只能围绕这一课题,谈些外行话。 

值得注意,这两次突破之所以能实现,不仅是得力于冯康的数学造诣,还和他精通经典物理学和通晓工程技术密切相关。科学上的突破常具有跨学科的特征。另一点需要强调的是在突破之前存在有长达数年的孕育期。需要厚积而发,急功近利的做法并不可取。开创有限元方法的契机来自国家的一项攻关任务,即刘家峡大坝设计中包括的计算问题。面对这样一个具体实际问题,冯康以敏锐的眼光发现了一个基础问题。他考虑到按常规来做,处理数学物理离散计算方法要分四步来进行:即(1)明确物理机制,(2)写出数学表述,(3)采用离散模型,(4)设计算法。但对几何和物理条件复杂的问题,常规的方法不一定奏效。因而他考虑是否可以越出常规,并不先写下描述物理现象的微分方程,而是从物理上的守恒定律或变分原理出发,直接和恰当的离散模型联系起来。

在过去Euler、Rayl eigh、Ritz、Polya等大师曾经考虑过这种做法,但这些都是在电子计算机出现之前。结合电子计算机计算特点,将变分原理和差分格式直接联系起来,就形成了有限元方法,它具有广泛的适应性,特别适合于处理几何物理条件复杂的工程计算问题。这一方法的实施始于1964年,解决了具体的实际问题。1965年冯康发表了论文“基于变分原理的差分格式 ”,这篇论文是国际学术界承认我国独立发展有限元方法的主要依据。但是十分遗憾的是,对冯康这项重大贡献的评价姗姗来迟,而且不够充分。

在70年代有限元方法重新从国外移植进来,有人公开在会议上大肆讥笑地说“居然有这样的奇谈怪论,说有限元方法是中国人发明的。”会上冯康只得噤口无语,这个事实是冯康亲口告诉我的。后来国际交往逐渐多起来了,来访的法国数学家Lions和美国数学家Lax都异口同声地承认冯康独立于国外发展有限元方法的功绩,坚冰总算打破了。但这项工作仅获得1982年国家自然科学二等奖。冯康得悉这一消息后非常难过,这是可以理解的,因为他对科学成果的估价具敏锐的眼光,曾打算将申请撤回,由于种种原因而未果。

文革以后,他虽然继续在和有限元有关的领域进行工作,也不乏出色的成果,例如间断有限元与边界归化方法等,但他也就开始在搜寻探索下一次突破的关口。他关注并进行了解处在数学与物理边界区域中的新动向,阅读了大量文献资料。有两篇介绍性的综述文章可以作为这一搜索过程的见证:“现代数理科学中的一些非线性问题”与“数学物理中的反问题”。文革后期一直到80年代中他经常和我谈论这方面的问题:诸如Thom的突变论,P rigogine的耗散结构,孤立子,Radon变换等。这种搜索过程,有点像老鹰在天空中盘旋,搜索目标,也可以比拟为“独上高楼,望尽天涯路”。

70年代Arnold的“经典力学的数学问题”问世,阐述了哈密顿方程的辛几何结构,给他很大的启发,使他找到了突破口。他在计算数学中长期实践,使他深深领悟到同一物理定律的不同的数学表述,尽管在物理上是等价的;但在计算上是不等价的(他的学生称之为冯氏大定理),这样经典力学的牛顿方程、拉格朗日方程和哈密顿方程,在计算上表现出不同的格局,由于哈密尔顿方程具有辛几何结构,他敏锐地察觉到如果在算法中能够保持辛几何的对称性,将可避免人为耗散性这类算法的缺陷,成为具有高保真性的算法。这样他就开拓了处理哈密尔顿系统计算问题的康庄大道,他戏称为哈密尔顿大道(TheHamiltonianway),在天体力学的轨道计算,粒子加速器中的轨道计算和分子动力学计算中得到广泛的应用。这项成果在1991年国家自然科学奖评议中评为二等奖。冯康获悉后撤回申请。直到1997年底,在冯康去世四年之后,终于授予了国家自然科学一等奖。 

一个大写的人 

最后,我想将主题从科学转到人。冯康是一位杰出的科学家,也是一个大写的人。他的科学事业和他的人品密切相关。一个人的品格可以从不同侧面来呈现:在他的学生眼里,他是循循善诱,不畏艰辛带领他们攀登科学高峰的好导师;在他同事眼中,他是具有战略眼光同时能够实战的优秀学科带头人。熟悉他的人都知道,他工作起来废寝忘食,他卧室的灯光经常通宵不熄,是一心扑在科学研究上的人。在Lax教授眼中,他是“悍然独立,毫无畏怯,刚正不阿”的人。这个评语深获吾心,谈到了冯康人品中最本质的问题。我想引申为“独立之精神,自由之思想”(这是陈寅恪对王国维的评语)。和他近七十年的相处中,正是这一点给我印象最深。他不是唯唯诺诺,人云亦云,随波逐流之辈。对许多事情他都有自己的看法和见解,有许多是不同于流俗的。在关键的问题上,凛然有“三军可以夺帅,匹夫不可夺志”的气概。从科学工作到做人,都贯彻了这种精神。下面随便举几个例子来阐述这一点。 

冯康亲身受教于三位世界级的数学大师:陈省身、华罗庚和Pontryagin。他们的风格和领域迥然不同。三人都有极其宽广的研究领域,只要从中选择一个角落从事研究的话,就能做出很出色的工作,成为优秀的数学家。冯康除了早期拓扑群的工作显示了Pontryagin的影响外,在他成熟时期的重要工作都是独来独往,完全是他自己独立发展起来的,真正体现了“独立之精神,自由之思想”。

  疾恶如仇是冯康一贯的基本品格。他很早就接触到Pontryagin的工作,后来知道此人是全盲之人,更是充满景仰之情。到苏联之后拜之为师,体现了一种英雄崇拜的心情。关系一直不错,回国后冯康还译其著作为中文。在80年代初Pontryagin曾卷入苏联数学界反犹太人的风波,为人诟病,也导致冯康的不满。这充分体现了“我爱我师,更爱真理”这种大公无私的高贵品格。

  在80年代中关于我国电子计算机事业如何发展引起了科学界的关注,曾经就此展开了多次讨论。冯康总是旗帜鲜明地提出自己的观点。他认为微机问世之后,计算机发展的形势大变,未来肯定是微机的天下。我国应该看到这一发展趋势,及时采取适当的措施,集中力量重点来发展微机。这种得风气之先的观点,经过历史的检验,被证明是正确无误的了,也已成为大家共识。但当时他为此得罪了很多人。这类事例还很多,但无需一一列举了。

  值此纪念冯康逝世五周年,诞生78周年之际,我认为特别值得宣扬和表彰的就在于冯康一生所体现的“独立之精神,自由之思想”。现在大家都在谈论科学创新的问题。科学创新需要人才来实现,是唯唯诺诺,人云亦云之人呢?还是具有“独立之精神,自由之思想” 之人呢?结论是肯定的。科学创新要有浓厚的学术气氛,是“一言堂”,还是“群言堂” ,能否容许“独立之精神,自由之思想”发挥光大又成为关键的问题。冯康离开人间已五年了,他的科学遗产为青年一代科学家所继承和发展,他的精神和思想仍然引起人们关注、思考和共鸣。他还活在人们的心中!