天才数学家、现代计算机科学之父--冯·诺依曼

人物概述

冯·诺依曼(John von Neumann,1903~1957),美国数学家,原匈牙利籍。毫无疑问,冯·诺依曼是20世纪最重要的数学家之一,他是基础数学(包括算子理论测度论集合论代数几何遍历论等)、量子力学、计算机科学与工程、博弈论等领域内的科学全才之一,由于他在相关领域内的开创性贡献,被誉为“现代计算机科学之父”和”博弈论之父“。

冯诺依曼.jpg

成长背景

冯·诺依曼出生于奥匈奴帝国时期的布达佩斯,父亲是勤奋机智的犹太银行家,母亲也受过良好教育。冯·诺依曼名字里的”冯(von)“表示的是他的贵族身份,而这样的身份是在他父亲1913年获得的。

冯诺依曼小.jpg

冯·诺依曼的天才十分惊人,甚至于超越了天才的范畴。他六岁时就能心算八位数的除法,八岁时就通过自学熟练的掌握了微积分的相关知识,在十岁时仅仅花费数月时间就读完了一部四十八卷的世界史著作,并且可以井井有条地讨论相关的军事理论和政治策略,在十二岁时就读懂并领会了波莱尔的大作《函数论》的要义,这样看来,还应该当小学生的时候,冯·诺依曼实际上已经具备或者甚至超越了一名大学本科生的水平。

个人成就

冯·诺依曼在1940年以前主要从事纯粹的数学研究:在数理逻辑方面提出简单而明确的序数理论,并对集合论进行新的公理化,其中明确区别集合与类;其后他研究希尔伯特空间上线性自伴算子谱理论,从而为量子力学打下数学基础。

  • 1930年起,他证明平均遍历定理开拓了遍历理论的新领域;
  • 1933年,他运用紧致群解决了希尔伯特第五问题,此外,他还在测度论,格伦和连续几何学方面也有开创性的贡献;
  • 1936~1943年,他和默里合作,创造了算子环理论,即所谓的冯·诺依曼代数

1940年以后,冯·诺依曼转向应用数学。如果说他的纯粹数学成就属于数学界,那么他在力学、经济学、数值分析和电子计算机方面的工作则属于全人类。第二次世界大战开始,冯·诺依曼因战事的需要研究可压缩气体运动,建立冲击波理论和湍流理论,发展了流体力学;从1942年起,他同莫根施特恩合作,写作《博弈论和经济行为》一书,这是博弈论中的经典著作,是他成为数理经济学的奠基人之一。
1946年,冯·诺依曼开始研究程序编制问题,他是现代数值分析----计算数学的缔造者之一,他首先研究线性代数和算术数值计算,后来着重研究非线性微分方程的离散化已经稳定问题,并给出误差的估计。他协助发展了一些算法,特别似乎蒙特罗卡方法。
40年代末,他开始研究自动机理论,研究一般逻辑理论以及自复制系统。在生命的最后时刻他深入比较天然自动机与人工自动机。他逝世后其未完成的手稿在1958年以《计算机与人脑》为名出版。

冯·诺依曼(右)等在世界上第一台计算机前
众所周知,1946年发明的电子计算机,大大促进了科学技术的进步,大大促进了社会生活的进步。鉴于冯·诺依曼在发明电子计算机中所起到关键性作用,他被西方人誉为“计算机之父”。而在经济学方面,他也有突破性成就,被誉为“博弈论之父”。在物理领域,冯·诺依曼在30年代撰写的《量子力学的数学基础》已经被证明对原子物理学的发展有极其重要的价值。在化学方面也有相当的造诣,曾获苏黎世高等技术学院化学系大学学位。与同为犹太人哈耶克一样,他无愧是上世纪最伟大的全才之一。
EDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成,包括:运算器、控制器、存储器、输入和输出设备,并描述了这五部分的职能和相互关系。报告中,诺伊曼对EDVAC中的两大设计思想作了进一步的论证,为计算机的设计树立了一座里程碑。
设计思想之一是二进制,他根据电子元件双稳工作的特点,建议在电子计算机中采用二进制。报告提到了二进制的优点,并预言,二进制的采用将大大简化机器的逻辑线路。
计算机基本工作原理是存储程序和程序控制,它是由世界著名数学家冯·诺依曼提出的。美籍匈牙利数学家冯·诺依曼被称为“计算机之父”。
实践证明了诺伊曼预言的正确性。如今,逻辑代数的应用已成为设计电子计算机的重要手段,在EDVAC中采用的主要逻辑线路也一直沿用着,只是对实现逻辑线路的工程方法和逻辑电路的分析方法作了改进。
客观地说,在量子力学发展史上,冯·诺依曼至少作出过两个重要贡献:狄拉克对量子理论的数学处理在某种意义下是不够严格的,冯·诺依曼通过对无界算子的研究,发展了希尔伯特算子理论,弥补了这个不足;此外,冯·诺依曼明确指出,量子理论的统计特征并非由于从事测量的观察者之状态未知所致。借助于希尔伯特空间算子理论,他证明凡包括一般物理量缔合性的量子理论之假设,都必然引起这种结果。

社会评价

  • 对于冯·诺依曼的贡献,诺贝尔物理学奖获得者威格纳曾作过如下评价:“在量子力学方面的贡献,就是以确保他在当代物理学领域中的特殊地位。”
  • Herman Goldstine:他的一个非凡的能力就是绝对精准的记忆力,据我所知,冯诺依曼有能力看过一本书或者一篇文章后一字不错地背诵出来,更甚,他同样能够在多年以后不带丝毫犹豫地做到。他还可以将其实时翻译成英文背诵出来,而且速度丝毫不减。有一次我为了测试他的能力,问他《双城记》是怎么开头的,片刻,他开始背诵第一章节,直到可能10或者15分钟后我让他停下来。
  • Miklós Rédei:如果论谁是在科学领域之间因为数学工作而辗转,而每做一份工作都能在其领域应用数学并产生长远的影响的,冯诺依曼可以说是有史以来最具有影响力的数学家。

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