吳文俊:數學的抽象與數學的應用

吳文俊:數學的抽象與數學的應用

吳文俊(1919年5月12日-2017年5月7日),1919年5月12日出生於上海,祖籍浙江嘉興,數學家,中國科學院院士,中國科學院數學與系統科學研究院研究員,系統科學研究所名譽所長。

吳文俊畢業於交通大學數學系,1949年,獲法國斯特拉斯堡大學博士學位;1957年,當選為中國科學院學部委員(院士);1991年,當選第三世界科學院院士;2001年2月,獲2000年度國家最高科學技術獎。

吳文俊的研究工作涉及數學的諸多領域,其主要成就表現在拓撲學和數學機械化兩個領域。他為拓撲學做了奠基性的工作;他的示性類和示嵌類研究被國際數學界稱為“吳公式”,“吳示性類”,“吳示嵌類”,至今仍被國際同行廣泛引用。

2017年5月7日7時21分,吳文俊在北京不幸去世,享年98歲。

數學,這一門可以稱之為基礎科學中的基礎學科,已經越來越滲透到各個領域,成為各種科學、生產建設以至日常生活所不可缺少的有力武器。另一面,近代的數學越來越抽象,往往使專家門也難免望而卻步。這種應用上的廣泛性與形式上的抽象性,使數學具有兩重性格。

表面上看來,這好象不相調和,實質上卻是相反相成的。正是應用上的需要,促成了數學的進一步抽象化,也正是數學的高度抽象,使數學的應用日見廣泛。

吳文俊:數學的抽象與數學的應用

先說數學的應用。恩格斯在《自然辯證法》中,曾經總結過當時數學的應用: “在固體力學中是絕對的,在氣體力學中是近似的,在液體力學中已經比較困難了;在物理學中多半是嘗試性的和相對的;在化學中是最簡單的一次方程式;在生物學中=○。”(《自然辯證法》第249頁)一百多年來,數學應用的面貌又起了很大的變化。不僅理論物理和數學各領域都有著互相推動的密切關係,在化學中也往往要用到數學中較深的部分。甚至在當時應用=○的生物學,也已迥異往昔,出現了數學生物學這樣的名稱,並有了幾種專門刊物。不少數學家認為,數學對生物科學將有意想不到的應用,反過來生命現象的研究也將對數學提出嶄新的課題。也有人認為,到下一世紀,生物學與數學間的密切關係,將與幾百年來物理學與數學的關係那樣,互相提攜,互相促進。同樣,數學也進入了社會科學。總之,科學已越來越依靠數學,科學技術的現代化也決離不開數學。這正如馬克思認為的,一種科學只有在成功地運用數學時,才算達到了真正完善的地步。

數學在應用上之所以具有這樣大的威力,決不僅僅因為它提供了計量與運算的有力工具。馬克思說過:“分析經濟形式,既不能用顯微鏡,也不能用化學試劑。二者都必須用抽象力來代替。”(《馬克思恩格斯選集》第2卷第206頁)數學就往往通過所謂數學模型提供這種抽象的力量。它排除事物中不必要的因素,直接反映事物的根本所在,揭示事物的主要矛盾與各種矛盾間的相互制約關係,因此節約了腦力勞動,並往往導致新理論、新概念與新原理的產生,也由此開闢了更廣闊的應用途徑。

數學歸根結底來源於生產實踐。數學,研究現實世界中的數量關係與空間形式。所謂數與形這兩個基本概念,就都是從現實世界中抽象得來的。人們在生活實踐中通過搬弄手指、結繩記事等多少世紀無數次的重複勞動,才能逐漸擺脫具體的事物而提煉出數目這樣的概念來,從具體計數抽象出數目概念,是認識上的一種飛躍。同樣,也要對各種形狀的物體,通過多少世代無數次的反覆觀察、比較與使用、改造,才能逐漸擺脫具體的物體而抽象出形的概念,出現認識上的飛躍。

生產的發展,促使了數目概念的進一步抽象與發展。例如我國從殷周以來奴隸的使用動輒成千上萬,這就提出瞭如何用一種簡單的辦法來記錄任意大整數的要求,由此產生了進位與位值一類概念與相應的記數方法。特別需要一提的是位值的概念,它使得只需用代表從一到九以及用空位(或用方塊、圓圈或一點)等很少幾個符號來表達任意大的整數,這種位值的原理與方法是數的概念繼整數以後進一步抽象的結果,也是認識上的又一次飛躍。位值原理的出現是世界文化史上的一件大事。

社會的發展與生產力的提高,不斷地對數學提出了更高的要求。由此,數的概念也隨著有不斷的抽象與演變。繼整數與大數表示法及其運算規律之後,又陸續出現了分數、小數、正負數、實數、未知數、文字數、變數、以及表示數量依存制約關係的函數等概念和它們之間的各種運算規律。現代已出現了專門從事帶有某些運算更廣意義下數的集體,象群、環等研究的學門,如抽象代數學及其有關分支。隨著計算工具的發展,現代化的電子計算機的出現,使大量數字計算變得越來越輕而易舉。數學正通過數量關係對現代生產發揮著無可估量的作用。

吳文俊:數學的抽象與數學的應用

不僅如此,甚至一些表面上不明確的概念也可以給以一定的數量估計而進入數學的範圍。例如,某些事物出現與否的可能性,是一個籠統的經驗性概念。由於現代對於可能的程度作出了數值估計,給以科學處理,因而發展成了概率論這樣一個學門,成為應用極其廣泛的統計學的理論基礎。同樣,量度是產生數學的一種最基本的生產活動,而量度總是無法十分精確的,甚至可以是模糊不清的。但模糊也有不同程度之分,其程度也可以用數量來刻劃。因此,除了很早就有涉及誤差估計的計算數學外,這幾年又出現了模糊數學這一嶄新的學科。這種原來非數值的區域,由於數值化、定量化而通過數量關係成為數學新的分支,還可以舉出其它例子,且正在方興未艾之中。

與數的概念相仿,形的概念也有一個漫長而複雜的抽象演變過程。人類最早就注意到的,是形的大小方圓,由此,出現了所謂度量幾何學或初等幾何學。此後,又繼續注意到形的平直、光滑、連續、斷裂,從而形成了各種幾何學的分支:畫法幾何,投影幾何,微分幾何,拓撲學等等。數與形這兩個基本概念的不斷抽象化與深化,不僅使數學這一科學蔚為大成,而且使數學的應用越來越廣泛和深入了。

吳文俊:數學的抽象與數學的應用

特別應該一提的是形數這兩個基本概念通過形的量度而達到的統一。這裡所說的量度是廣義的,意指圖形大小、形狀等的數值化,由此得以系統運用數量關係方面較成熟也容易得多的數學工具。這種方法可以稱之為幾何學的代數化。它使幾何學的研究得以擺脫古希臘那種天才式的艱難推理,化神奇為平淡,變得平易近人而“省功數倍”。它為解析幾何的產生鋪平了道路。而且,與幾何代數化相伴而生的未知數,以文字代替具體數字這一類抽象概念的引入,以及多項式概念及其運算規律的發明,乃是近代代數學的最早起源。有些數學史家稱這種幾何代數化方法為“代數幾何學”。而具有近代名稱的代數幾何學,則是當代數學中最活躍的分支之一,雖然與前者內容已大相逕庭,但其來源多少可追溯到當時。

在現代,工農業生產水平的空前提高,計算機與自動化的出現,使科學的發展一日千里,數學作為一種抽象的力量,重要性也更為顯著了。有些科學家認為,

數學在物理學與生物學上的應用,主要不在於作為計算的工具,而在於它獨具的抽象能力。一些向來被認為較抽象、與實際距離較遠的數學分支,如抽象代數、拓撲學、泛函分析等,也不僅在科學,而且在工程技術、通訊控制、統籌規劃等大量社會主義建設的問題中日益起著直接而有效的作用。

正因為我們應十分重視抽象的作用,也就不能不指出,我們所說的抽象,必須是正確的,鄭重的,必要的,有著現實根據的抽象,也就是列寧所說的科學的抽象。數學中的數與形以及上面提到的種種抽象,就象物理學中質量與能量概念的抽象,經濟學中價值概念的抽象,就都屬於這種科學的抽象。這些概念儘管以極度抽象的形式出現,其起源卻都來自生產實踐,它們的原始材料都是非常現實的。抽象往往來自應用的需要,抽象的合理得當與否,通過後來的大量新的應用,在實踐中可以獲得印證。

吳文俊:數學的抽象與數學的應用

總結過去,分析現在,可以展望將來。在歷史上,我國的古代數學一直遵循著抽象與應用辯證統一的道路不斷髮展,在世界上一直佔有領先的地位,發明創造,世代有之。舉例來說,位值的原理與方法就是我國的獨特創造,而且是世界古代任一其它民族所沒有的。又如在西漢初年成書的九章算術中即有從農業生產與商業買賣抽象提高出來的正負數概念及其在解線性聯立方程組上的應用。在漢代正負數還被用之於曆法的修訂。作為近世代數學先驅的未知數、文字數、多項式等概念也都首先為我國宋、元時代所明確引入。當時發展起來的所謂天元術等,曾具體應用於治河的工程計算等生產實踐。

吳文俊:數學的抽象與數學的應用

不僅如此,我國古代在幾何學上的成就也極為輝煌,既有豐碩的成果,又有系統的理論。從地畝丈量出發,抽象出出入相補這一簡單易明的一般原理,並進而應用之於面積、體積、勾股測望,以至開平立方、解方程,甚至數論等形形色色意想不到的問題。從球體積的計算,又抽象提高到所謂祖日恆原理。這一原理在相隔一千多年後,在歐洲以卡瓦利裡原理的形式重新出現,成為微積分得以創立的重要關鍵之一。最早在宋元時期出現的幾何代數化,更使幾何學從此面目一新。這些實例說明,我們中華民族不僅重視實際,重視應用,而且有著高度的抽象概括能力,是一個善於在深入廣泛的實踐基礎上往高裡提,善於抽象思維的民族。


分享到:


相關文章: