華羅庚與中國計算數學

2021-03-02 中國數學會


華羅庚(1910.11.12—1985.6.12)

自誕生之際,數學的主要任務之一就是計算。中國古代數學有著悠久的數值計算傳統,祖衝之圓周率的計算、李冶天元術的發明就是個中代表,以致於到 20 世紀初數學在我國還被稱為算學。西方數學以古希臘幾何為基礎,雖然在演繹體系上美輪美奐,但在具體計算上卻不甚有效。直到微積分的發明和分析學的形成,西方的數值計算才逐漸超過中國。

隨著電子計算機的問世,計算科學迎來了飛速發展。計算逐漸成為與理論、實驗並列的第三種研究方法。而在計算科學興起的過程中,計算數學起著核心的作用。新中國成立之前,中國的計算數學幾乎是一片空白。在華羅庚和其他科技人員的共同努力以及政府的支持下,到新中國成立10 周年之際,計算數學可以說是基本發展起來了。

早在抗日戰爭時期,華羅庚就意識到計算數學的重要性。華羅庚在中國可謂家喻戶曉,常被視為數學家的典型和代表。1931 年,他以初中學歷被熊慶來邀請到清華做助理員,旋即升為助教和教員,其後更是被推薦至劍橋哈代(G. H. Hardy)處學習數論,歸國後直接被西南聯大聘為教授。在西南聯大初期,華羅庚的主要研究領域是堆壘素數論和抽象代數。與此同時,華羅庚還對應用數學有所關注。

此時的華羅庚在科學界已經小有名氣,但他深知,欲發展中國科學,必須參與政治。1940 年 3 月 4 日,華羅庚大膽地給時任教育部長的陳立夫寫信,闡明了他對基礎科學和應用科學的看法。華羅庚認為對於國家建設,需標本兼治。治標所依賴的是應用科學,治本則需依賴純粹科學。因此他積極呼籲成立純粹科學(主要是指數學)的研究所。不久,陳立夫回信稱教育部對應用科學和純粹科學向來主張兼籌並顧1 。


陳立夫(1900年8月21日-2001年2月8日)

陳立夫是 20 世紀中國一位重要的政治人物。他 1924 年畢業於美國匹茲堡大學,獲採礦學碩士學位。由於陳家與蔣家的淵源(陳立夫的叔父陳其美與蔣介石是結拜兄弟),在大哥陳果夫的勸說下,陳立夫棄工從政,出任蔣介石的機要秘書。在蔣介石控制國民黨的過程中,陳氏兄弟居功至偉,為蔣介石完全掌握黨權立下了汗馬功勞。陳立夫也因此擔任國民黨中央黨部秘書長,「蔣家天下陳家黨」的說法就源於此。

1937 年抗日戰爭全面爆發,中國高等教育面臨著滅頂之災。在這種特殊情況下,國民政府任命陳立夫為教育部長。這位有著留美經歷的教育部長,在抗戰期間對中國教育事業的發展做出了卓越的貢獻2 。例如,他建立起貸金制度來資助那些來自戰區沒有經濟來源的學生。像楊振寧、李政道這些後來的諾獎得主,當年能順利地念完西南聯大,皆得益於此項制度。

1944 年 1 月 15 日,華羅庚給陳立夫寫了第二封信3 。這封信主要是華羅庚論述自己這幾年的研究成果和暫不出國的原因。大約從 40 年代開始,通過與普林斯頓高等研究院(IAS)的數學家外爾(H. Weyl)的頻繁通信,華羅庚的研究領域逐漸擴展到自守函數與矩陣幾何,並做出了相當的成績。華羅庚的這項工作與西格爾(C. L. Siegel)多有交集,西格爾當時正在普林斯頓工作,外爾決定邀請華羅庚到高等研究院訪問4 。1943 年 4 月,高等研究院向華羅庚發出邀請,但出於「率爾前往可能犧牲獨立發明之譽」的愛國精神以及辦理護照、安置家庭的客觀困難,華羅庚拒絕了邀請。

信中華羅庚還提到他解決俞大維數學難題的事情(據說是密電碼5 )。1943 年華羅庚加入「中央訓練團」,在重慶受訓了一個月6 。在一次實彈射擊演習科目上,時任兵工署長擁有陸軍中將軍銜的俞大維交給華羅庚一個極難解答的數學題目。經過一夜的思考,華羅庚於翌日清晨解決,深得俞大維的賞識,二人日後成為好友。


俞大維(1897—1993)

俞大維出生於浙江紹興的名門,家族中人才俊傑輩出,現中央政治局常委俞正聲就是其中代表。俞大維早年獲哈佛大學哲學博士學位,畢業後曾兩度到德國柏林大學深造。1926 年,他在德國《數學年刊》(Mathematische Annalen)上發表了數理邏輯的論文,成為首位在這本著名刊物上發表論文的中國人(華羅庚是第二位)。俞大維第二次留德學習軍事與彈道學,回國後出任軍政部兵工署長7 。

在兵工署工作期間,俞大維注意國外科技動態,專門成立了研究部門,開發中國軍械,為中國軍工的發展做出了重要貢獻。抗戰期間中國軍隊的主要裝備——中正式步槍就是在他的主持下完成仿製的。總體而言,國軍的輕武器要優於日軍。更為重要的是,兵工署培養和資送了很多人才,這些人在後來新中國兩彈一星的研發過程中發揮了重要作用。

華羅庚解決了俞大維的數學難題,使他認識到純粹科學如數學者對國防也能有具體的貢獻,對他自己的觸動可以說是非常大的。僅僅過了兩個月,華羅庚於 3 月 17 日又給陳立夫寫了第三封信。信中華羅庚從國防的觀點出發,直言數值計算的重要性 :「蓋就國防觀點而言,數值計算、機器計算實為現代立國不可或缺之一項學問。而我國現尚無認識之因而研究者。而我大學之數學課程內容,大致仍抽象而忽視具體 ;數值計算往往為不了解者以「容易」二字抹之。因之,畢業之學生,座談幾無一不知,實算則茫無一策。」8

為了解釋機器計算及數值計算的重要性,華羅庚還專門附表加以介紹。

華羅庚給陳立夫寫的三封信,一封比一封深入。其中第一封與其他兩封間隔時間較長,有近 4 年。而第二封與第三封信僅間隔兩個月,特別是在第二封信中,華羅庚提及數學可以對國防有所貢獻後,緊接著就寫了第三封信直言機器計算與數值計算的重要性。可以推測,這與他解決俞大維的數學難題有一定的關係。

在第三封信的附錄中,華羅庚就國外情況、有關科目和機器種類做了簡單介紹。國外情況方面,華羅庚提及敵人(即日本)海軍中有正弦積分表,英國方面有比克利(W.G. Bickley)等人組成的數學實驗室9 ,美國方面有布希(V. Bush)教授與國防打成一片,德國普通大學有「調和分析器」10 之設置。當時比克利只是一名副教授,而布希則是國防研究委員會主席。可見無論人物大小,華羅庚都有所關注。

有關科目方面,華羅庚提到彈道、投彈、測向、統計、氣象等都需要機器計算與數值計算。機器種類方面,華羅庚列出的機器有 :National Accounting Machine,Bush Integrater,Mallock Equation-Solver,Hollerith Machine,Punch Machine,Sinima Integraph,Harmonic Analyser,Differential Analyser 等。當時電子計算機尚未問世,計算數學也沒有真正發展起來,華羅庚對數值計算的敏感和重視可以說是很有前瞻性的。

從華羅庚列出的機器種類來看,他對國外機器計算的發展是非常熟悉的。比如他提到的打孔機(Punch Machine)和何樂禮機(Hollerith Machine),是專門用於統計的。打孔機專門用來打孔,通過在紙板上預知的位置打洞或者不打洞來表示數字。基於此技術,德裔美籍統計學家、工程師何樂禮(H. Hollerith)於 1880 年代發明了制表機。這種機器在 1890 年美國人口普查中發揮了重要作用,極大地縮短了工作時間。何樂禮後來創立了制表機器公司,該公司是 IBM 的前身之一,而他本人則被譽為現代機械數據處理之父11 。


何樂禮制表機

諧波分析儀(Harmonic Analyser)是德國數學家亨裡奇(O. Henrici)於 1894 年在倫敦發明的12 。亨裡奇最初是弗倫斯堡(Flensburg)的工程學徒,後來在克萊布希(A.Clebsch)的鼓勵下學習數學。他幾乎受到過當時德國所有重要數學家的影響,如海塞(O.Hesse)、魏爾斯特拉斯(K. Weierstrass)與克羅內克 (L. Kronecker) 等。由於經濟原因,他於 1865 年到英國工作。1880 年之後,他轉向了應用數學,主持了一個製作計算器的實驗室。


諧波分析儀

由傅立葉級數可知,任意周期函數 f(x) = f(x+T) 都可以展成三角級數


因此,複雜的波動必然可分解為與原波動頻率相等的基波(即a1 sin(2πx/T+ ϕ1)),以及頻率等於原波動頻率整數倍的諧波(即∑ an sin( 2nπx/T+ϕn ))。亨裡奇發明的諧波分析儀最初就是用來測定複合聲波中的基波和諧波的,後來被廣泛應用於電路中。

微分分析儀(Differential Analyser)是由美國工程師布希發明專門用來求解微分方程的計算機。微分方程一般來源於實際問題,在天文、電路等工程中大量出現。由於絕大部分的微分方程沒有解析解,其研究逐漸分為定性理論和近似求解。馬洛克解方程機(Mallock Equation-Solver)、國家計算機(National Accouting Machine)與微分分析儀一樣,都是專門用來求解微分方程數值解的。


布希與他的微分分析儀

布希 1890 年出生於麻薩諸塞州,1909 年進入塔夫茨學院(Tufts College)讀本科,數學和物理成績都很棒。19 世紀末 20 世紀初,美國的科學還很落後,但在技術發明和專利申請上卻十分領先,以愛迪生、貝爾為代表的發明家和工程師是很多人豔羨的職業。與亨裡奇、何樂禮類似,布希也是先做了幾年工程師,然後才去讀的博士。

1916 年,布希獲得了麻省理工學院(MIT)電機工程系的博士學位。1919 年,他到麻省理工學院電機工程系任教。為了解決電路中經常遇到的微分方程問題,從 1928年開始,他帶領一群工程師製造了微分分析儀。這臺機器重達 100 噸,由幾百根平行的鋼軸組成,靠電機驅動。僅機器的電線,首尾排列起來就達 200 英裡。微分分析儀被仿造了多臺,在二戰中曾立下赫赫戰功。

布希可不是一位一般的工程師,他還是一名傑出的科學管理專家。二戰時,他革新了戰爭的觀念,即科技研究將決定戰爭的勝負,深得羅斯福總統的賞識。他被任命為國防研究委員會主席、科學研究發展辦公室主任、曼哈頓工程的負責人。戰後,布希積極思考科學,為美國科學基金的設立做出了卓越貢獻,他也因此被譽為美國的大科學之父13 。

布希和微分分析儀與中國也有淵源。1935 年,維納(N. Wiener)受李鬱榮的邀請到清華大學擔任研究教授,主要在數學系和電機工程系工作。李鬱榮是布希在麻省理工學院培養的博士,在攻讀博士期間,布希將其推薦至數學系維納處,二人合作發明了現在被稱為「李 - 維納網絡」(Lee-Wiener network)的專利14 。李鬱榮在給維納的邀請信中還提及曾遠榮與趙訪熊15 ,巧合的是,此二人日後都成為中國計算數學發展過程中的重要人物。

在數學系,維納開了調和分析的課程,指導華羅庚與徐賢修合作完成了《關於傅立葉變換》的論文。事實上,正是維納推薦華羅庚去英倫留學的。與此同時,維納與李鬱榮、顧毓琇在電機系還進行了計算機的研究工作16 。顧毓琇,1928 年畢業於麻省理工學院,獲電機博士學位。他學貫中西、博古通今,集科學家、教育家、詩人、音樂家、劇作家、禪學家等多種身份於一身,是一位十分傳奇的人物17 。特別值得一提的是,前中共中央總書記江澤民是顧毓琇在上海交通大學教微積分時的學生(1946 年),前國務院總理朱鎔基是他在清華大學時的學生。


維納與清華大學電機系人員合影,前排左二李鬱榮,左三顧毓秀,左四維納

早在維納訪華之前,顧毓琇就委託維納與布希聯繫,託其幫忙購買一臺微分分析儀,但布希教授坦言微分分析儀的造價十分昂貴。經過多番通信,布希表示他願意提供設計方案,甚至將造價和運營費用也如實告訴了維納,並告訴維納可以讓中方知道,前提是中方要保密。由於維納離華以及資金、人力等多方面的原因,研製計算機的嘗試未獲成功,但維納、布希等科學家的國際主義精神以及中國科學家李鬱榮、顧毓琇早期對製造計算機的嘗試卻是十分值得紀念的。

華羅庚給陳立夫寫信最核心的思想是籌建數學研究所。研究所的優勢在於沒有教學任務,可以就感興趣的課題聘請專門或訪問人員進行研究。當時的數學強國,幾乎都設立了數學研究所。如瑞典 1916 年成立了米塔 - 列夫勒研究所,法國 1928 年成立了龐加萊研究所,德國哥廷根大學 1929 年成立了哥廷根數學研究所,美國 1930 年成立了普林斯頓高等研究院,蘇聯科學院 1934 年成立了斯捷克洛夫數學研究所。

1928 年中央研究院成立,極大地促進了中國科學的發展。中研院設有天文、氣象、物理、化學、工程、地質甚至歷史、語言等研究所,但卻沒有專門研究數學的機構。當時中研院沒有院士制度,評議會是最高學術評議機關。評議會中的數學代表僅有姜立夫一人,而且被列在物理學科名下18 。這種情況,對中國數學的發展是非常不利的。


王元院士接受採訪,談華羅庚早年對數學所的設想

經過十幾年的發展,中國數學取得了很大的進步,華羅庚、陳省身、許寶騄等已能做出世界級的學術成果。在 1941 年 3 月,中研院評議會終於決定成立數學研究所籌備處,主任為姜立夫。籌備處暫設立在昆明西南聯大數學系,第一批兼職研究員為蘇步青、陳建功、江澤涵、陳省身與華羅庚。由於抗戰,籌備處缺少圖書資料,也沒有專門的研究員,以致於數學所正式成立則是 1947 年的事情了19 。

華羅庚起初呼籲設立數學研究所的理由是國家建設需要數學(即數學可以治本),後來意識到數學可以對國防有所貢獻後(數學也可以治標),即大力強調發展應用數學和計算數學。他認為數學應以數理哲學為基礎,以代數、解析20與幾何為支柱,在此基礎上發展應用數學,才能做到不偏不倚。因此,他建議將研究所分為三個部門 :純粹數學部門、應用數學部門和計算部門,只有這樣,才能達到聯絡之妙。

數學所主要科目純粹數學之部數理邏輯、解析學、代數學、幾何學應用數學之部彈道學、統計學、測量學、數理經濟及數理遺傳學、空氣動力學、彈性力學、理論物理及化學計算之部

算機之運用,經常襄助國防計算重要表格 ;

製造算尺算機以備統計等方面之用

華羅庚關於中研院數學所的設想

1945 年 11 月,軍政部長陳誠、次長兼兵工署長俞大維受到原子彈的震撼,召吳大猷、曾昭掄與華羅庚赴渝商談。鑑於國家科技基礎薄弱,吳大猷、華羅庚等建議從培養人才著手。陳誠雖然失望,後來仍決定選派他們三人各帶助手出國研習。在赴美前夕,1946 年 2 月至 5 月,華羅庚還應蘇聯科學院的邀請訪問了蘇聯。

在參觀完莫斯科大學數學系後,華羅庚對應用數學的認識更加深刻了 :

「中國有一班人,認為數學無用,也有一些數學家,自己對數學研究得很好,但總覺得數學無用武之地。其實,是因為沒有中間這一道橋梁,把數學和應用連接起來。我們中國科學要想進步,除去必須注意到理論的研究之外,還需要注意到理論和應用的配合,理論如果不和應用配合,則兩廂脫節,而欲求科學發達,實在是不可能的。」21

同一年,中研院數學所籌備處遷到上海,準備正式成立數學研究所。由於姜立夫要赴美進修,而華羅庚也要出國訪問,數學所的籌備工作逐漸落到了陳省身的肩上。1947 年 7 月 1 日,中研院數學研究所正式成立,姜立夫為所長,陳省身為代理所長。與華羅庚相同,陳省身也以代數、分析與幾何等學科為基礎。特別地,他以代數拓撲作為主要方向,培養從全國招來的青年才俊,吳文俊就是在這一時期脫穎而出的。

從陳省身制定的 1948 年數學所的工作計劃中可以得知,他還計劃購置一臺計算機 22 。可見,兩位同時代的數學大師,主持數學所的基本思路也是大體相同的。

抗戰勝利後,國共兩黨先後籤署了多項協定,和平一度出現曙光。不僅很多國人這樣認為,甚至不少外國人也對此持積極樂觀的態度。在訪問蘇聯的路上,曾有同行的印度人向華羅庚表示祝賀23 。但華羅庚深知,這只是一個表象。果然,在結束訪問蘇聯後不久,國民黨軍隊即向中原解放區發動了進攻,內戰全面爆發了。可以想見,華羅庚是帶著複雜的心情赴美訪問的。

第二次世界大戰期間,美國的應用數學取得了空前發展。第一次到普林斯頓訪問的華羅庚,除了繼續在數論、自守函數與矩陣幾何等領域做研究外,還抓緊利用這次機會觀察美國的數學發展。當時馮 • 諾依曼(J. von Neumann)不僅參與設計存儲程序通用電子計算機 EDVAC 和 IAS,還給出了適合它們的算法,將計算方法提升到與計算機同等重要的地位,開創了現代計算數學這一重要分支。

1949 年 1 月,人民解放軍在淮海戰役中大獲全勝,整個長江以北再無戰事。10 月1 日,中華人民共和國正式成立。在國家統一、民主建國的大背景下,廣大科學工作者開始積極投身於科學事業的恢復和發展當中。帶著發展中國數學這種強烈的愛國情懷,華羅庚毅然於 1950 年 3 月回國。據華羅庚的二兒子華陵回憶,當年他與父親一起從香港通過羅湖橋24回大陸,當時那段路很難走,而華羅庚一瘸一拐地提著大箱子走得很辛苦,華陵就問箱子裡是什麼,華羅庚答曰計算機資料25 。


今日的羅湖口岸

歸國後,華羅庚回到清華大學任教。在清華,他開了廣義矩陣論(典型群)等課程,初步培養了萬哲先等學生。但是,欲實現發展中國數學的偉大抱負,非得擔任一定的行政職務不可。抗戰勝利後清華大學從昆明遷回北平,由於部分人員未歸,數學系的師資出現了嚴重短缺。清華大學曾有意延攬華羅庚回國,並聘請他為數學系主任26 ,但華羅庚那時已到伊利諾伊大學任教而無法到任。

中國科學院數學研究所(以下簡稱數學所)的成立使得華羅庚終於有了實現自己抱負的機會。由於中研院數學所搬到臺灣,故中科院決定新建數學所。1950 年 6 月,政務院批准成立數學所籌備處,1952 年正式建所,華羅庚被任命為所長27 。他在數學所全面工作方針的報告中,特別指出了計算數學的任務 :

「計算數學是一門在中國被忽視了的科學,但它在整個科學中的地位是不可少的,它是為其他各部門需要冗長計算的科學盡服務功能的一門學問。為了幫助科學中其他部門的發展,我們必須想盡方法來培養和發展它。我們希望在三五年內能有計算數學所需要配備的各種機器,能有善於操縱了解其結構的人才。」  28

因此,為了開展計算數學的研究,就必須首先研製電子計算機。數學所在建所伊始就成立了電子計算機科研組,這是華羅庚特意組建的,也是我國第一個研製電子計算機的科研單位29 ,最初的三位成員為閔乃大、夏培肅與王傳英。在極為困難的情況下,數學所電子計算機科研組搜集和研讀了不少資料,寫出了關於開展電子計算機研究的初步設想和規劃。


華羅庚(右四)與王傳英(左一)在數學所

閔乃大,1936 年畢業於清華大學電機系,後在德國留學和工作十餘年,他電信專業造詣深厚,數學分析也有專長,還有實驗室經驗30 。回國後閔乃大出任清華大學電機系電訊網絡研究室的主任,夏培肅和王傳英是該研究室的科研人員。夏培肅 1945 年畢業於中央大學電機系,1950 年獲英國愛丁堡大學博士學位,次年回國。王傳英 1950 年畢業於清華大學電機系。

時值 1952 年全國高等院校大調整,電訊網絡研究室屬於撤銷的行列。抓住這個機會,華羅庚開始邀請閔乃大等人到新成立的數學研究所研究電子計算機。對於華羅庚的邀請,閔乃大由於要撰寫一本專著,起初是有些猶豫的。經與夏培肅、王傳英商量,後兩人均表示願意參與電子計算機的研製工作。1952 年夏天的一個晚上31 ,閔乃大、夏培肅與王傳英到清華園拜會華羅庚。據夏培肅回憶 :

「華先生客廳裡的沙發、茶几和桌子上全是翻開的書和期刊,我覺得華先生是個做學問的人。後來就坐下來聊,他問我們的學歷和經歷,願不願意搞計算機?我當然很願意,因為我在英國的時候,已經對計算機有所了解了,知道是一門很有前景的學科。我們國家要搞的話,我特別願意搞。所以我當時就表示願意到華先生手下研製電子計算機,工作就是這麼開始的。」 32


夏培肅院士(1923-2014)學位證件照

新中國成立後,國家實行了「一邊倒」的外交政策,進而開始決定全面學習蘇聯。1953 年 3 月,中國科學院向蘇聯派出了由錢三強任團長,成員包括華羅庚、趙九章等人在內的 26 人訪蘇代表團,代表團的主要任務是考察學習蘇聯的科學發展。回國後,在代表團召開的專科座談會上,華羅庚在數學組提出要重點發展微分方程、數理統計與計算數學等學科的主張,引起了科學院和有關領導的注意33 。

與此同時,華羅庚完成《對蘇聯數學研究工作的認識》一文,其中詳細介紹了蘇聯計算數學的發展34 。計算數學是蘇聯數學發展的生長點,這門學科的顯著特點是不僅在理論上意義重大,對國家工業的發展也有很大的促進作用。1953 年 10 月,在中科院召開的所長會議上,華羅庚認為發展計算數學已經十分迫切,他提出了成立 8 個小組,其中第八組研究計算數學的建議。


《溯源中國計算機》

華羅庚的建議得到了錢三強和吳有訓的重視和支持。錢三強認為,電子計算機過去的計劃不小,需要很多器材和人力,現應從最簡單的開始,結合各部門的需要逐步發展。副院長吳有訓最後總結道 :「計算數學要結合計算機的研究,發展計算數學,培養計算數學人才。電子計算機的實驗部分在物理所電子學組進行,搞成後仍歸數學所。」鑑於實際情況,鄧稼先 1955 年在科學院物理學數學化學部第四次常務委員會上,建議將原先提出建立的計算技術研究室改為計算數學研究室。

基於這種設想,數學所的電子計算機科研組集中到物理所,夏培肅與王傳英也調到近代物理所工作,閔乃大則繼續留在數學所搞計算數學,一直到1958年他到德國定居。王傳英後來改行去蘇聯學習原子能,最初的三人小組只有夏培肅堅持了下來。夏培肅後來設計試製成功中國第一臺通用電子數字計算機——107 機,被譽為中國的電子計算機之母。1991 年,夏培肅當選為中科院院士。

經過華羅庚的努力,計算數學被納入到中科院物理學數學化學部第二個五年計劃中。為了發展計算數學, 華羅庚親自在數學所組織計算數學討論班,石鐘慈就是當時跟隨華羅庚學習的成員之一35 。除中科院數學所外,高等院校數學系發展計算數學的願望同樣十分強烈。1955 或 1956 年36 ,北京大學數學力學系率先組建了計算數學教研室,徐獻瑜任主任。清華大學則有趙訪熊,他也於這一時期轉向了計算數學。

總體而言,這一時期計算機和計算數學的發展,主要是在局部範圍內由電機學家、數學家等在科學院或高校內部開展的自發和自覺行動。由於當時底子薄、基礎差,並沒有製造出電子計算機。我國的計算數學仍處於經典計算數學的範疇,即主要偏重於近似方法,而對於使用電子計算機來解決數學問題的技術,還沒有人掌握過。程序設計與自動化翻譯等課題也毫無基礎37 。

1956 年,我國計算數學迎來了快速發展的時期。經過科學家和相關部門的推動38 ,中國政府逐漸意識到計算技術的重要性,決定大力發展計算技術(包括計算機和計算數學)。1956 年 1 月,中共中央召開知識分子會議,決定大力發展科學技術,毛澤東號召全黨努力學習科學知識,為迅速趕上世界科學先進水平而奮鬥,周恩來代表中央提出了「向科學進軍」的口號。這個口號絕非空號,廣大研究人員的工資都有大幅提高,向科學進軍的熱情十分高漲。


《人民日報》關於知識分子問題會議的報導

當時科學研究的模式是以任務帶動科學,由國家下達研究任務,各部門負責完成。與計劃經濟一樣,科學研究也是定製式的,這種模式雖有弊端,但在當時卻是比較契合國情的。1956 年 2 月,國務院開始制定共計 57 項重大科學技術任務的計劃綱要——《1956-1967 年科學技術發展遠景規劃綱要》(以下簡稱《十二年科技規劃》),這項工作由周恩來總理親自掛帥,陳毅與李富春具體負責,中央政府的重視程度可見一斑。

為了制定《十二年科技規劃》,國務院成立了規劃委員會,下設若干個規劃小組,其中計算技術與數學一個組,成員主要由數學家、計算機專家和電子工業部門的專家組成,他們是:華羅庚、陳建功、蘇步青、段學復、江澤涵、王湘浩、關肇直、吳新謀、李國平、徐獻瑜、曾遠榮、胡世華、張鈺哲、鄭曾通、孫克定、閔乃大、吳幾康、範新弼、蔣士騛、周壽憲、張孝祥、劉錫剛、黃緯祿、嚴養田、溫啟祥、夏培肅。在規劃組成員中,華羅庚為組長,數學家約佔了一半。


1956 年 6 月 14 日,毛澤東等領導人接見科技規劃的科學家們

在規划過程中,蘇聯專家提出了很多有益的建議,但規劃組成員的意見分歧仍然很大。最終,規劃組採用了華羅庚組長提出的「先集中,後分散」,立足自身發展計算技術的指導原則。這個原則是符合我國的實際情況的,一方面保證了初期能夠聚集起足夠的研究力量,另一方面則強調保證自身的獨立性。1956 年 6 月,計算技術規劃完成了制定工作,並被納入到「四項緊急措施」中39 。

計算技術規劃將研究任務分解為 5 個中心問題,其中第四個問題近似方法主要是針對計算數學的,所涉及的學科主要是微分方程和函數逼近。針對我國計算數學基礎薄弱、研究人員不足的情況,計算技術規劃提出了切實可行的解決方案。計算技術規劃中關於計算數學部分的內容,完全可以看作是新中國發展計算數學的綱領性文件。在機構建設方面,規劃擬成立專門研究計算技術的機構,下設計算數學研究室,同時在部分高校中設立計算數學專業。在人才培養方面,擬通過開展計算數學訓練班、向蘇聯選派學生以及邀請蘇聯專家來華三種方式培養學生。

按照計算技術規劃的要求,中國科學院於 1956 年 8 月 25 日成立了計算技術研究所籌備委員處(以下簡稱計算所籌備處),主任仍由華羅庚擔任,成員由中科院、總參三部、二機部、高等院校的相關人員組成,其中的數學家有徐獻瑜和趙訪熊,原數學所計算機科研組的閔乃大與夏培肅也位列其中。計算所籌備處下設三個研究室, 一室為計算機研究室,二室為元件室,三室為計算數學研究室。三室的成立,標誌著中國計算數學有了專門的研究機構。這個機構後來發展為中國科學院計算中心,最後演變為今天的中國科學院計算數學與科學工程計算研究所。

1957 年初,在華羅庚的鼓勵下,馮康由數學所調入計算技術研究所籌備處三室。馮康後來在有限元方法、哈密頓方程與辛幾何等方面做出了突出貢獻,培養了幾代中國計算數學家,他是中國計算數學事業的主要奠基人和開拓者40 。許孔時、魏道政也於同一時期到計算所籌備處三室工作。石鐘慈則到蘇聯科學院計算中心留學,學成後也回到三室工作。


中國計算數學的主要奠基人和開拓者——馮康院士(1920-1993)

為了儘快培養計算數學人才,從 1956 年夏季開始,三室與北京大學、中國科學技術大學合辦了 3 屆計算數學訓練班。第一屆計算數學訓練班學員大約有 71 人,其中 31人是從全國各地抽調來的三年級本科生,他們在訓練班學習一年後,由北京大學發畢業證書41 。與此同時,地處長春的東北人民大學(吉林大學的前身)也創辦了計算數學專業,與北京大學一同成為我國最早創辦計算數學專業的高校42 。之後,清華大學、復旦大學、南京大學、哈爾濱工業大學、武漢大學相繼成立了計算數學專業,中國計算數學開始了艱難的起步!

1959 年,為了向新中國十周年獻禮,中國科學院編輯出版了《十年來的中國科學》,總結了建國以來中國科學的發展,其中數學分冊專門用了一章來論述計算數學的發展。僅僅用了 10 年,中國就完成了計算數學的初步布局,成立了專門研究計算數學的科室,一批高校相繼設置了計算數學專業。除了教學,計算數學的科研也逐漸開展起來,這一期間在國內發表的計算數學論文有 16 篇,而 1952 年的數據僅為 1 篇43 。計算數學能取得如此大的發展,與華羅庚的努力是分不開的。

本來,華羅庚可以對計算數學的發展做出更大的貢獻。然而好景不長,1957 年國家開始反右運動,華羅庚因為參與向國務院提出關於科學體制改革的意見,險些被打成右派。雖然華羅庚積極認錯,但仍被許多人認為是漏網之魚,他的政治身份就此定型。在其後到來的大躍進中,華羅庚又被冠以保守派的帽子,最後更是被視為數學所的大白旗。即使在數學所,身為所長的華羅庚都要靠邊站,至於到計算所發揮作用,更是不可能的事情了。

華羅庚對計算數學的貢獻主要是組織和行政上的,他以遠見卓識和實際行動,為中國計算機和計算數學的發展創造了良好的開端。華羅庚對計算數學的研究也有涉獵,20 世紀 60 年代,他與王元應用數論方法,解決了高維多重積分的近似計算問題,這個方法在國際上被稱為「華 - 王方法」。歷史不會忘記華羅庚的貢獻,計算機界一直都將華羅庚視為中國計算機事業的首位奠基人44 。毫無疑問,華羅庚也是中國計算數學當之無愧的首位奠基人!

1 孫安全 . 華羅庚關於重視純粹科學研究問題與陳立夫來往函 . 民國檔案 , 1987, 3(3): 44.

2 張珊珍 . 陳立夫與抗戰時期的中國教育 . 抗日戰爭研究 , 2006 (3): 90-110.

3 袁向東 . 華羅庚致陳立夫的三封信 . 中國科技史料 , 1995, 16(1): 60-67.

4  Richard J W, Serme A. The Intellectual Journey of Hua Loo-keng from China to the Institute for Advanced Study: His Correspondence with Hermann Weyl. Studies in Mathematical Sciences, 2013,6(2): 71-8

5 王元 . 華羅庚 . 北京 : 開明出版社 , 1994, 118-121. 本文多次引用了王元先生的著作《華羅庚》,不再一一標註,在此做一說明。

6 華羅庚參加中央訓練團的原因,一方面是踐行黨員職責(1942 年,華羅庚經朱家驊介紹加入國民黨),另一方面,則是為了出國之方便。當時國民黨中央有規定,凡戰時出國人員,都必須到中央訓練團受訓,特殊情況者需要教育部申報批准。可見華羅庚雖然拒絕了外爾的邀請,但仍有出國的計劃。值得注意的是,陳省身於 1943 年出國,他是否也到中央訓練團受訓?如果沒有受訓,是否受到了朱家驊的特別批准?朱家驊曾表示華羅庚身有腿疾,可特殊處理。

7 關於俞大維的更多資料,可見俞大維網上紀念館 http://jn.huaien.com/g1001962.

8 袁向東 . 華羅庚致陳立夫的三封信 . 中國科技史料 , 1995, 16(1): 64.

9 此實驗室是 1937 年劍橋大學成立的專門研製計算機和發展算法的實驗室,後來發展成為劍橋大學的計算機系。

10 華羅庚的用語,一般稱為諧波分析儀。

11  https://en.wikipedia.org/wiki/Tabulating\_machine.

12  http://www.phys.cwru.edu/ccpi/Harmonic\_analyzer.html.

13 王大明 . 二十世紀美國科學大廈的建築工程師——萬尼瓦爾 • 布希 . 自然辯證法通訊 , 2002,24(6): 60-69.

14 李旭輝 . 李鬱榮博士傳略 . 中國科技史料 , 1996, 17(1): 63-70.

15 李旭輝 . 30 年代 N. 維納訪問清華大學函電始末 . 中國科技史料 , 1998, 19(1): 42-51.

16 魏宏森 . N. 維納在清華大學與中國最早計算機研究 . 中國科技史料 , 2001, 22(3): 225-233.

17 關於顧毓琇的更多資料,可到無錫顧毓琇紀念館參觀,亦可見顧毓琇網上紀念館http://www.guyuxiu.cn.

18 郭金海 . 1940 年中央研究院第二屆評議員的選舉 . 自然科學史研究 , 2009, 28(4): 399-421.

19 張奠宙 , 王善平 . 陳省身傳 . 天津 : 南開大學出版社 , 2004: 116-127.

20 這裡的解析應該是指分析學。

21 王元 , 楊德莊 . 華羅庚的數學生涯 . 北京 : 科學出版社 , 2005, 361.

22 郭金海 . 陳省身在中央研究院數學研究所 . 自然科學史研究 , 2006, 25(4): 398-409.

23 王元 , 楊德莊 . 華羅庚的數學生涯 . 北京 : 科學出版社 , 2005, 354.

24 即現在的深圳羅湖口岸,當年的大部分海外精英都是從羅湖橋回到祖國的。

25 見央視科教頻道探索·發現欄目 2011 年播出的 8 集人物傳記片《華羅庚》第三集對華陵的採訪。

26 郭金海 . 清華大學聘華羅庚為數學系主任始末 . 中國科技史料 , 2001, 22(4): 368-375.

27 袁向東 . 功崇惟志 , 業廣惟勤——記中國科學院數學研究所的成立 . 數學的實踐與認識 , 1992, 4:75-79.

28 徐祖哲 . 溯源中國計算機 . 北京 : 生活·讀書·新知 三聯書店 , 2015: 16.

29 夏培肅 . 我國第一個電子計算機科研組 . 中國科技史料 , 1985, 6(1): 13-18.

30 徐祖哲 . 溯源中國計算機 . 北京 : 生活·讀書·新知 三聯書店 , 2015, 27-31.

31 夏培肅回憶是秋天,但據《溯源中國計算機》作者徐祖哲考證和推測為6月末或7月初,見徐祖哲《溯源中國計算機》第16頁。

32 劉瑞挺 . 中國計算機奠基人之一 : 夏培肅院士 . 計算機教育 , 2003, 12: 18-20.

33 張久春 , 張柏春 . 20 世紀 50 年代中國計算技術的規劃措施與蘇聯援助 . 2003, 24(3): 189-215.

34 華羅庚 . 對蘇聯數學研究工作的認識 . 數學通報 , 1952, 3(2): 4-9.

35 汪曉勤 , 石鐘慈院士採訪記 . 中國科技史料 , 2001, 22(1): 45-52.

36 丁石孫和徐獻瑜的回憶是 1955 年,《溯源中國計算機》作者徐祖哲考證檔案認為是 1956 年,見徐祖哲《溯源中國計算機》第 147 頁。

37 中國科學院數學物理化學部 . 十年來的中國科學:數學 . 北京 : 科學出版社 , 1959: 330.

38 據說是錢學森和華羅庚向毛主席上書。

39 「四項緊急措施」是指《發展計算技術、半導體技術、無線電電子學、自動學和遠距離操縱技術的緊急措施方案》。這是為了突出重點,發展現代科學技術中具有關鍵作用的新學科領域,使其在短時期內改變現狀,接近國際水平,科學規劃委員會特別提出的。「四項緊急措施」實施方案報到國務院後,周恩來總理親自過問審議,立即批准。

40 關於馮康與中國計算數學,可見《數學文化》2010 年創刊號湯濤與姚楠的連載文章《馮康——一位傑出數學家的故事》。

41 夏培肅. 計算所建所初期科技人員的培養情況. 中國科學院計算技術研究所三十年(1956-1986),1986. 又見徐祖哲《溯源中國計算機》第 107 頁,兩者數據略有出入,考慮到夏培肅院士是回憶而徐祖哲是考查檔案,筆者採用了後者的數據。

42 吉林大學計算數學專業的創辦在中國計算數學的發展中意義重大,作者將另文論述。

43 張奠宙 . 中國近現代數學的發展 . 河北科學技術出版社 , 2000: 237.

44 陳樹楷 . 華羅庚——中國計算機科研的第一人 . 百科知識 , 1996 (5): 63-64.

來源:《數學文化》第7卷第2期

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