2000年度国家最高科学技术奖获奖者:“矛盾”的数学家——中国数学机械化、拓扑学研究的奠基者吴文俊
人物简介
吴文俊,男,1919年5月出生于上海。世界著名数学家,中国科学院数学与系统科学研究院系统科学研究所研究员、名誉所长,中国数学会名誉理事长。中国数学机械化研究的创始人之一,中国科学院院士,第三世界科学院院士;曾任中国数学会理事长,中国科学院数理学部主任,全国政协委员、常委(1979—1998)。
贡献
吴文俊的研究工作涉及数学的诸多领域,其主要成就表现在拓扑学和数学机械化两个领域。他为拓扑学做了奠基性的工作,他的示性类和示嵌类研究被国际数学界称为“吴公式”“吴示性类”“吴示嵌类”,至今仍被国际同行广泛引用。
20世纪70年代后期,在计算机技术大发展的背景下,他继承和发展了中国古代数学的传统(即算法化思想),转而研究几何定理的机器证明,彻底改变了这个领域的面貌,是国际自动推理界先驱性的工作,被称为“吴特征列方法”,产生了巨大影响。吴文俊的研究取得了一系列国际领先成果,并已应用于国际上当前流行的符号计算软件方面。
他在拓扑学、自动推理、机器证明、代数几何、中国数学史、对策论等研究领域均有杰出的贡献,在国内外享有盛誉。他在拓扑学示性类、示嵌类的研究方面取得了一系列重要成果,皆是拓扑学中的奠基性工作,并有许多重要应用。他的“吴方法”在国际机器证明领域产生了巨大的影响,有广泛而重要的应用价值。当前国际流行的主要符号计算软件都实现了吴文俊的算法。
荣誉
1956年 国家自然科学奖一等奖
1978年 全国科学大会奖
1979年 中国科学院自然科学奖一等奖
1992年 第三世界科学院数学奖
1993年 陈嘉庚数理科学奖
1994年 香港求是科技基金会“杰出科学家奖”
1997年 自动推理的最高奖Herbrand奖
2000年 国家最高科学技术奖
2006年 第三届邵逸夫数学奖
2010年 国际永久编号为7683号的小行星被命名为“吴文俊星”
吴文俊大概是记者们见过的最爱笑的科学家,聊着聊着,脖子一缩,乐了。他家里电视柜上摆着和老伴正坐的合影,餐厅墙上挂着跟老伴坐游艇的照片,也都是一副缩脖子微笑的神情。
从事着在外人看来最枯燥无味的数学,却一辈子快乐;在拓扑学、数学机械化等领域攻克数个难题,从学生时代就被划为聪明人那一类,却总说数学是个笨人才能做的研究;那些奠定他在数学界地位的成果,如果不勤奋不可能获得,可他却喜欢光脚穿着皮鞋在屋里走动,说这是懒人的运动;他不记得和夫人结婚的日子,却张口就能背出那么多数字和公式……吴文俊的一生似乎是一个矛盾综合体。
这只是表象。当你走进这位95岁老人的世界去认真地一探究竟,会发现他的世界简单到只有数学。
聪明人的笨功夫
“我这个人很笨,数学就是笨人的学问。简单直观,尊重事实,不信灵感,讲究踏实、客观、事实。”吴文俊曾对记者自曝缺点。对电脑,他也只是会上网看看邮件。
他从来不认为自己属于聪明人之列,因而只能“笨鸟先飞”,要付出超出常人的努力,踏踏实实地去下苦功夫。正是这种“铁棒磨成针”的坚持和努力,练就了吴文俊在解决数学问题时所具有的强大攻坚能力,也是他取得让人望尘莫及学术成就的基础。
大学毕业后,吴文俊到中学任教。那时候,上海数学界盛行几何定理证明。众所周知,初等几何以其定理的简单直观而易懂,又以其证明的难以捉摸而具有无比的魅力,美妙的几何定理层出不穷。那一时期,吴文俊大量证明几何定理,他用解析几何的方法,简化冗长烦琐的定理证明。数十年后,当他完成初等几何定理的机器证明时,仍能如数家珍般讲述许多定理的来龙去脉、内容和意义。可见,对于几何定理证明,他下了很多“笨”功夫。
拓扑学主要研究几何形体的连续性,是许多数学分支的重要基础,被认为是现代数学的两个支柱之一。示性类是拓扑学专业的一个术语,是刻画流形与纤维丛的基本不变量。20世纪40年代,示性类研究尚处在起步阶段,瑞士的斯蒂费、美国的怀特奈、苏联的庞特里亚金和中国的陈省身等著名科学家,先后从不同的角度引入示性类的概念。著名数学家、美国普林斯顿大学教授惠特尼的乘积公式是“示性类”最基本的理论,需要一部专著才能证明表述清楚,而吴文俊仅用了一年时间就弄清楚了其计算方法,并掌握了建立这种公式的途径。他的这项成果成为经典,在现代示性类研究中被看成公理,是整个理论的基石。
拓扑学号称“难学”,不到一年的时间能获得这么重大的成绩,令人称奇。确实,外人会惊叹并羡慕杰出人士所取得的成绩,但对于吴文俊而言,弄清楚惠特尼的乘积公式并非轻而易举。只有他自己知道这一年背后的艰辛和付出。
1947年,陈省身先生到清华大学任教,吴文俊与当时中央研究院的另一名学生曹锡华同行并住一间宿舍。曹锡华日后回忆,吴文俊每天攻关至夜深,
感觉证明成功后才睡觉。早晨一觉醒来,对曹锡华说“证出来了”;到了晚饭时发现证明有错,于是又继续埋头于书桌;早晨起来,又对曹锡华说“证好了”;结果到了下午发现证明还是有漏洞。如此反复了不知多少遍,终获成功。这时他进研究院数学所还不到一年。
吴文俊年轻时完成的这项工作,意义非同一般。论文发表在数学领域最权威的学术刊物——普林斯顿大学编辑的《数学年刊》上,后来被众多的著名数学家所使用,被学术界视为经典。
这一年的经历打下了吴文俊在数学研究,特别是代数拓扑学研究的基础,正是因为这至关重要的一年,他到法国后才能与国际接轨,走到数学研究的最前沿。
在吴文俊完成惠特尼乘积公式证明的同一年,他考上了中法交换生,于1947年秋到达法国,进入美丽的斯特拉斯堡城,潜心跟随两位导师开展研究工作,一位是艾利斯曼,另一位是H·嘉当。在巴黎期间,他在示性类研究方面又上了一个新台阶。
到1950年春,吴文俊与另一位数学家托姆的合作取得了突破性进展。托姆证明了STWh示性类的拓扑不变性,而吴文俊引进了新的示性类,后来被称为“吴示性类”,并证明了公式W=SqV,也就是后来的“吴公式”。公式给出了各种示性类之间的关系与计算方法,并导出一系列重要的应用,使有关示性类理论成为拓扑学中完美的一章。他们的合作成果,在拓扑学领域研究中引起轰动,数学家们形象地称之为“拓扑地震”。
此后,他继续进行代数拓扑学示嵌类方面的研究,独创性地发现了新的拓扑不变量,其中关于多面体的嵌入和浸入方面的成果,至今仍居世界领先地位,被国际数学界称为“吴示嵌类”。
吴文俊分别为这些重要的示性类命名,首次使用施替费尔-惠特尼示性类、庞特里亚金示性类、陈省身示性类等名称,并明确指出它们不同的数学内涵,理清彼此之间的关系,论证了其他的示性类可由陈省身示性类推导出,反之则不能,从而推导出陈省身示性类的重要性。他还建立了施替费尔-惠特尼示性类之间的关系式,被称为吴(第二)公式。
吴文俊在法国期间取得的系列成果,不仅影响了以后拓扑学及有关领域的发展,而且开辟了新方向,也让他成为当时中国内地最有国际声望的数学家之一。
声名背后还是“苦功夫”。正如前文所说,20世纪40年代,关于示性类的研究短期内集中出现了许多重大进展,陆续发表了许多学术成果。要进入研究前沿,必须了解已有的研究,读懂这些论文。英文对吴文俊来说不算难事,可苏联数学家庞特里亚金的文章是用俄文发表的,而吴文俊没有学过俄文,面对像天书一般的俄文,他没有退缩。吴文俊找来俄语语法书籍,粗读一遍后,开始利用俄文字典逐字查找字义,逐句翻译,逐段理解数学内容,然后全文融会贯通。就这样一字一句地啃,他硬是读懂了庞氏的文章,掌握了庞氏建立示性类的想法、途径和数学内涵。
吴文俊就是这样孜孜不倦地攻克了一个又一个难题。那几年,他的研究没有时间表,没有白天黑夜,只要有想法,有一线攻克难点的希望,他就会立即投入其中,付出常人难以想象的努力。
这种劲头没有随年龄增长而消减。中国科学院数学与系统科学研究院年龄略长的一些人都记得这样的情形:在数学机械化研究过程中,吴文俊日夜演算推导,演算中出现的多项式,经常有数百项甚至上千项,需要几页纸才能抄下,稍有疏漏,演算则难以继续。60岁的吴文俊像年轻时一样,数月如一日,下“笨”功夫、“苦功夫”。
在理论和纸上的演算得出结果后,数学机械化必须在计算机上验证,才能真正证明其可行性和正确性。从没有接触过编程、只会用电脑发邮件的吴文俊开始从头学习编写计算机程序。
计算机语言更新换代迅速。当他基本上能用Basic语言一次编写4000~5000行的证明定理程序时,这种语言却被换成了Algol语言。他只好又从头学起,等他好不容易熟悉之后,Algol又被淘汰,他又要开始学习Fortran语言。但他始终没有放弃,硬是拼了下来。
在那些日子里,他的工作日程通常是这样的:清晨,他来到机房外等候开门,进入机房后是八九个小时的不间断工作。下午5点左右,他步行回家吃饭,抓紧时间整理分析计算结果。晚上7点左右,他又出现在机房工作至第二天凌晨。有时深夜离开机房,回家稍稍休息四五个小时,又在清晨来机房等候开门。若干年内,他的上机时间遥居全所之冠。年轻的机房管理员心疼老爷子:“吴先生您这么干下去,我们都要顶不住了。”
“为了证明定理,我用最笨的办法——把自己当作机器,一步步手算,不记得算了多少行,最后算成了。先证特殊情形,再证一般情形,说明计算机可以证明定理。”吴文俊日后回忆。
吴文俊就这样靠“笨功夫”取得了骄人成就。但事实上,幼年时的吴文俊就表现出天资聪颖。吴文俊4岁就被送到附近的小学上学。由于弟弟夭折,家人对他的看护十分仔细,很少让他独自在外停留,因此,大多数时间他只能待在家里。父亲的藏书对他很有吸引力,因而养成了他爱买书、爱读书的习惯。童年吴文俊已酷爱读书,整天泡在书架前,手不释卷。
高中毕业时,他成了班里少有的高才生。学校为了鼓励他和另两名学生,特设立了3个奖学金,资助他们上大学,但要求他们必须报考指定的学校和专业。吴文俊按要求考进了上海交通大学数学系。
学校这个决定让吴文俊与数学结缘。日后他笑称这是“阴差阳错”。
在上海正始中学读高中时,吴文俊最爱好的其实是物理。当时,为了给学生们奠定良好的数理化基础,中学常常聘请上海交通大学的老师兼任高中数理化教师。教物理课的交大老师赵贻经为了让学生们多学到一些知识,经常会布置一些比较难的物理题目,并且提出,要解这些物理题目,光有高中的数学基础是不够的。
爱好物理的吴文俊回家后,常常一边自学数学,一边思考物理题。由于他的刻苦好学,在一次物理考试时得了满分。赵老师在点评时说:“这次物理考试有两道题非常难,吴文俊之所以能得满分,说明他的数学基础已经非常扎实,这个学生在数学上的潜能是无穷的。”
事实证明,赵老师没有看错。天资聪颖的吴文俊用超出常人的勤奋,取得了在数学界举足轻重的成果。