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鞠躬尽瘁,死而不已——纪念冯康先生诞辰100周年

数学经纬网 146

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冯康(1920年9月9日——1993年8月17日),数学家、中国有限元法创始人、计算数学研究的奠基人和开拓者,中国科学院院士、中国科学院计算中心创始人。

艰苦而不懈的求学之路

重庆沙坪坝的中央大学学生宿舍,冯康学习地

冯康先生于1920年生于江苏南京,并在这里度过了他的小学和中学时代。1939年春,考入福建协和学院数理系;同年考入中央大学电机系,后转入物理系学习;1945年至1951年,先后在复旦大学物理系、清华大学物理系和数学系任助教。电机工程、物理学和数学的教育背景微妙地塑造了他将来的科研之路。1951年至1953年在苏联斯捷克洛夫数学研究所工作,从事拓扑群和李群方面的研究;1957年调至中国科学院计算技术研究所,将方向转向应用数学领域。20世纪80年代,他首次提出基于哈密尔顿体系的辛几何算法,在天体力学、粒子加速器中的轨道计算以及分子动力学模拟等领域中得到广泛应用,该成果于1997年底被授予国家自然科学奖一等奖。1993年8月17日,先生逝世。先生一家兄弟姐妹四人,长兄冯焕、二姐冯慧、弟冯端,包括姐夫叶笃正在内都投身到了科学事业,在科学界传颂着“一门三院士”的美谈。

冯门四杰:(从左至右)大哥冯焕博士,冯康院士,小弟冯端院士,大姐冯慧教授,姐夫叶笃正院士

先生在学生时代就酷爱科学,学习极其刻苦。中学时期,他不仅课堂学习成绩优异,还自学阅读原版《范氏大代数》、解析几何、实验物理学等课程,为今后扎实的数理功底奠定了基础。1938年秋,随家迁至福建,半年时间都在家中自学萨本栋的《普通物理学》。后考入中央大学,不幸的是,大学二年级的他却患上了脊椎结核病,在脊椎已经弯曲的困境下,不到两年时间提前完成物理系和数学系全部主要课程的学习,两倍于常人的学习量使得身体上的病痛更加严重。后来便病重卧床不起了,但他更加珍惜时间,分秒必争,在病床上的一年时间又自学了许多经典数学书籍,昼夜沉溺其中,乐此不疲,使他甚至忘记了身体的病痛和周围险恶的环境。哪怕是在他最感到前途渺茫的时候,他也可以从《哈姆雷特》的诗句与独白中得到精神的慰藉和无穷的力量。在顽强的斗争和刻苦的学习中,他的伤口竟然奇迹般地愈合了,慢慢可以开始正常地学习生活。在他的书房里,陈列着克朗恩、彭加莱、希尔伯特、库朗、冯·诺依曼等众多数学大师的本文集,这是他的科学知识和精神动力的源泉。后来,先生从师于陈省身、华罗庚、旁德雅琴等数学大家,开始逐渐展露他的数学才华。在数学的王国里,一颗闪耀于东方的学术之星正冉冉升起。

新中国的科研战士

在数学研究上,冯康先生最早从殆周期拓扑群理论开始。在留苏期间,因结核病复发而提前回国。后得到华罗庚的启发指导,开展了当时国际上刚刚兴起的广义函数研究,同期,在华罗庚的筹划下,国家建立了中国科学院计算技术研究所,先生所在的第三室正是要利用电子计算机为国家研究并解决国防与经济建设中亟待解决重大计算任务。从此,先生一直肩负着计算所三室的工作,他一生中大多重大学术成就出现在此间。

1953年访问苏联,左二冯康,左三华罗庚

1950年,先生率先对线性李群及其覆盖群证明了极小群没有非平凡酉阵表示的充要条件是本质上不可交换与非紧。这一成果在后来酉表现论和物理应用中愈显出其重要性。1954年起,开展广义函数理论研究,发表了《广义函数论》长篇综述论文,包含一些自己的新成果,推动了这项理论在我国的发展。他建立了广义函数中离散型函数(δ函数及其导数)与连续型函数之间的对偶定理。他应华罗庚教授的建议,建立了广义梅林变换理论,而国外至60年代才出现类似工作。除此,先生对传统的椭圆方程归化为边界积分方程的理论作出了重要发展,提出了自然边界元方法,成为国际边界元方法的三大流派之一。

冯康与意大利著名有限元专家合影

上世纪50年代末至60年代初,在解决大型水坝计算问题的集体研究实践的基础上,先生独立于西方创造了一套求解偏微分方程问题的系统化、现代化计算方法,即现时国际通称的有限元方法。该方法基于两个基础:变分原理和剖分插值。他将其要点归纳为“化整为零,截弯取直,以简驭繁,化难于易”。有限元方法在科学与工程计算中得到极为广泛的应用,是当代计算方法进展的里程碑。上世纪70年代,先生建立了间断有限元函数空间的嵌入理论,并将椭圆方程的经典理论推广到具有不同维数的组合流形,为弹性组合结构提供了严密的数学基础,在国际上为首创。牛津大学特列菲森院士在《数学指南》里列出了人类千年史上的29项重大算法,第9项有限元方法发明人是柯朗、冯康、阿吉里斯、克劳夫,足见冯康先生在国际数学发展进程中的重要地位。基于辛几何计算哈密顿体系的方法,开创了哈密顿体系计算方法新领域。新的算法解决了动力学长期预测计算方法问题,促进了天体轨道、高能加速器、分子动力学等领域计算的革新。

冯康近照——晚年在做研究工作的冯康

先生一生钟爱科学事业,鞠躬尽瘁。即便到了晚年,他仍战斗在科研的第一线上,他经常在夜里挑灯工作,不辞辛劳,并且在晚年完成了“辛算法”这又一杰出的科研巨作。不过,有些遗憾的是辛算法在申报国家自然科学奖时,当时只被评为二等奖。直到他逝世四周年后,他的学生为他再次申报,最终获得了当时国内授予科学家最高荣誉——国家自然科学一等奖。先生的辛算法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了极其广泛的应用,他对世界科学进程起到了巨大的推动作用。

病床上的冯康

一个大写的人

在科学研究中,冯康先生敢于坚持真理,敢于思考和创新,他既有着缜密严谨的思维,又有着独特而敏锐的眼光。也正因如此,他总是能够在看似平常的问题中发现不一样的解决办法。比如,冯康开创有限元方法的契机就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,他敢于突破常规,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,再后来,他又结合电子计算机计算的特点,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。此外,他敏锐的觉察力也体现在辛算法的发明上,冯康发现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。

冯康——独立思考,旨在求实

一身正气、嫉恶如仇,这是先生作为一个大写的人的人生写照。他很崇敬自己的在苏联求学时的全盲导师Pontryagin,两人也建立了深厚的师生情谊。但是,80 年代初 Pontryagin 曾卷入苏联数学界反犹太人的风波,冯康对此表达了自己的强烈愤懑。此外,80 年代中期,在关于我国电子计算机事业如何发展的讨论中,先生始终不惜得罪人,不怕得罪人,始终坚持以一种旗帜鲜明的态度提出自己的观点——即微机问世之后,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。后来的历史发展证明了他的先见之明是相当正确的。

老年冯康:70岁讲课图

自闭桃园称太古,欲栽大木倚长天。先生终生都在关注着我们国家的数学发展之路,他深刻意识到国内数学人才的稀缺,始终致力于对年轻一代的培养。在他刚六十岁出头之际,他就把计算数学所所长的位子让给了年轻的科学家。在他的一生中,他培养了一大批的杰出数学家,比如著名的袁亚湘、王烈衡、余德浩等。实际上,也有人说他是为扶植青年才俊而累死的。作为院士,他在承担繁重科研工作的同时,还亲自命题判卷,指导研究生,直到晚年仍在教育岗位上继续发光发热。1993年,因为连夜审阅“海内外华人青年计算科学工作者会议”青年同行们的论文以及准备会议文稿,冯康劳累过度,摔倒后不幸逝世。这是世界数学史上的一个噩耗,是中国学术界的巨大损失。在冯康逝世后不久,为了表彰和纪念他在计算数学领域做出的诸多开创性成果,在“海内外华人青年计算科学工作者会议”的闭幕式上,大会主席袁亚湘和其他青年朋友们一起发起设立了“冯康科学计算奖”,也就是著名的“冯奖”。一位科学巨星陨落了,但是他的光辉成就和深远影响将万古长存!

和蔼可亲的老者

冯康先生一生兢兢业业,为中国的计算数学事业鞠躬尽瘁。数学的纯粹、数学的真和美与他坚持真理、刚正不阿、坚韧顽强的人格形成了完美的映衬。他是一个数学家,更是一个坚持正义、特立独行,为了真理而奋斗的战士。先生已逝,但他的遗产还在为一代又一代的人继承和发展,他的思想和人格仍在影响着无数的科研工作者,那个瘦矍、不知疲倦的身影永远活在我们心中。

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