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数学重要——两篇文摘

数学的重要性

 

北京大学数学科学学院 张筑生

 

数学在人类文明的发展中起着非常重要的作用,数学推动了重大的科学技术进步。但在历史上, 限于技术条件,依据数学推理和推算所作的预见,往往要多年之后才能实现。数学为人类生产和生活 带来的效益容易被忽视。进入二十世纪,尤其是到了二十世纪中叶以后,科学技术发展到这一步:数 学理论研究与实际应用之间的时间差已大大缩短,特别是当前,随着电脑应用的普及,信息的数字化 和信息通道的大规模联网,依据数学所作的创造设想已经达到可即时试验、即时实施的地步。数学技 术将是一种应用最广泛、最直接、最及时、最富创造力和重要的实用技术。

 

一、数学与科学技术进步

   二十世纪科学技术进步给人类生产和生活带来的巨大变化确实令人赞叹不已。从远古时代 起一直是人们幻想的“顺风耳”,“千里眼”,“空中飞行”和“飞向太空”都在这一世纪成为现实。回 顾二十世纪的重大科学技术进步,以下几个项目元疑是影响最大的,而数学的预见和推动作用是 非常关键。

 

1)先有了麦克斯韦方程人们从数学上论证了电磁波,其后赫兹才有可能做发射电磁波的实 验,接着才会有电磁波声光信息传递技术的发展。

 

2)爱因斯但相对论的质能公式首先从数学上论证了原子反应将释放出的巨大能量,预示了 原子能时代的来临.随后人们才在技术上实现了这一预见,到了今天,原子能已成为发达国家电 力能源的主要组成部分。

 

3)牛顿当年已经通过数学计算预见了发射人造天体的可能性,差不多过了将近三个世纪, 人们才实现了这一预见。

 

4)电子数字计算机的诞生和发展完全是在数学理论的指导下进行的。数学家图灵和冯诺依 曼的研究对这一重大科学技术进步起了关键性的推动作用。

 

5)遗传与变异现象虽然早就为人们所注意。生产和生活中也曾培养过动植物新品种。遗传 的机制却很长时间得不到合理解释,十九世纪60年代,孟德尔以组合数学模型来解释他通过长 8年的实验观察得到的遗传统计资料,从而预见了遗传基因的存在性。多年以后,人们才发现 了遗传基因的实际承载体,到了本世纪50年代沃森和克里发现了DNA分子的双螺旋结构。这以 后,数学更深刻地进入遗传密码的破译研究。

 

数学是人类理性思维的重要方式,数学模型,数学研究和数学推断往往能作出先于具体经验 的预见。这种预见并非出于幻想而是出于对以数学方式表现出来的自然规律和必然性的认识,随 着科学技术的发展,数学、预见的精确性和可检验性日益显示其重意义。

 

二、时代大潮的潮头

我们面临一个科学技术迅猛发展的时代。信息的数字化和信息的数学处理已经成为几乎所 有高科技项目共同的核心技术。从事先设计、制定方案,到试验探索、不断改进,到指挥控制、具体 操作,处处倚重于数学技术。众多新闻报道反映出这一时代大潮汹涌澎湃的势头。下面列举的仅 仅是其中一小部分。

 

1)数学技术已经成为工业新产品研制设计的重要关键技术。199449日,被称为“百 分之百数字化确定”的波音777型飞机举行盛大隆重的出厂典礼.在过去,进行新机型设计,必须 对模型构件和样机反复作强度试验和空气动力学性。:试验。稍有不妥,就必须改变设计再来一轮 试验。新机种的研制周期长达十余年,消耗大量原材料和能源,采用了数学技术以后,所有的试验 可以通过精确设定的数学模型在计算机中进行,探索和修改都可以通过数学指令去实现。新机种 的研制周期从十多年缩短到三年半,大幅度节约了原材料和能源。

 

  (2)许多国家认识到,发展高清晰度电视是未来经济技术竞争的主战场之一。日本和美国都 投入大量资金和人力进行有关研究,日本起步最早,但所研究的是模拟式的;美国虽然起步稍晚, 但所研究的是数字式的。经过多年的较量,数字式研究以其高度优越性取得关键性胜利。1994 224日《人民日报》报道:日本政府正式宣布,转向研究数字式高清晰度电视,承认数字式因其 优越性而得到世界多数国家赞同,很可能成为未来的国际标准。

应该指出,电视屏幕不仅是现代人们日常生活所不可缺少的,而且可能通过联网成为信息传 递处理的工作面。几乎所有重要的工作岗位都将与之有关。数学技术在如此重要项目的激烈较量 中起了决定作用。

 

(31991年的海湾战争是一场现代高科技战争,其核心技术竟然也是数学技术。这一事实引 起人们不小的惊讶。美国总结海湾战争经验得出结论是:“未来的战场是数字化的战争”。干扰和失真是电磁波通信的一大难题。早在六十年代太空开发竞争的初期,美国施行。‘阿波罗登登月计划时,就已经意识到:由于太空中过强的干扰,无论依靠怎样精密的电子硬件设备 ,也 无法收到任何有用的信息,更不用说操纵控制了,采用了信息数字化、纠错编码、数字滤波等一整套数学通讯技术和数学控制技术之后,送人登月的计划才得以顺利完成,二十年后,在海湾战争 中,多国部队方面使用这一套技术把对方干扰得既聋又瞎,却能让自己方面的信息畅通无阻。采 用精密酌数学技术,可以在短短数十秒的时间内准确拦截对方发射的导弹,又可以引导对方发射 导弹准确击中对方的目标。也正是这一套信息数字化的数学技术,在开发高清晰度电视的竞争中 取得压倒性的胜利。开发一种数学技术可以在,。此众多方面施展效用,足见数学的广泛适用性。

 

 (419951月,在贩神大地震之后,美国利用数学模型进行地震预测,预告本世纪末加州南部可能发生大地震。

 

 (519953月,我国中央人民广播电台宣布启用数字式转播方式,指出以前的模拟式转播 方式效果差,所以改用新的转播方式。

 

 (619956月,欧州联盟开会研讨未来数字化通信的统一制式。

 

 (719962月,我国电子工业部宣布“九五计划”开发重点:数字化信息技术。所订的两个重 点研制项目是:数字式高清晰度电视接受机样机和数字式激光盘。

 

819964月,我国国家科委发布招标公告,正式宣布数字式高清晰度电视开发项目。

 

三、当代与未来的发展倚重数学

 

仅以几件事为例就能清楚地看到数学对当代人们的生产和生活所起的重要作用。当代的生 产和生活离不开石油,石油勘探和生产需要了解地层结构。多年以来已经发展了一整套数学模型 和数学程序。人们发射地震波,然后将各个层面反射回来的信息收集起来力。以数学处理,就能将 地层各个剖面的图像和地层结构的全貌展现出来。这已是目前石油勘探与生产普遍采用的数学 技术。无独有偶,涉及到人的生命也有类似的情况,医生需要了解病人躯体内部和器官内部的状 况与变异,以前的调光片将骨骼和各种器官全都重叠在一起,往往难以辨认)现在也有了一整套 数学方案。借助了精密设备收集射线穿透人体或核磁共振带出的信息力。以数学处理就能将人体各个削面的状况清晰地层现出来,需要了解哪个层面就可以调出哪个层面的图片来,关系到人们 的生产与生活,这样的例证很多很多。

 

在涉及生存与发展的关键时刻,特别是在涉及人类命运的紧要关头,数学也起着非常重要的 作用。在进入本世纪最后十年的时候,美国国家研究委员会公布了两份重要报告《人人关心数学 教育的未来》和《振兴美国数学—— 90 年代的计划》.两份报告都提到:近半个世纪以来,有三个时 期数学的应用受到特别重视,促进了数学的爆炸性发展,“第二次世界大战促成了许多新的强有 力数学方法的发展……“由于苏联人造卫星发射的刺激,美国政府增加投入促进了数学研究与数 学教育的发展”,“计算机的使用扩大了对数学的需求”.在二次世界大战太平洋战场的关键时刻, 由于采用数学方法破译日军密码,美国海军才能在舰只力量对比绝对劣势的情况下,赢得中途岛 海战的胜利,歼灭日本联合舰队的主力,扭转整个太平洋战局。在关系人类命运的二次世界大战 中,美国几乎是整个反法西斯战线的后勤补给基地。到了反攻阶段,要组织跨越两个大洋的大规 模行动,物资调运和后勤支援成了非常关键的问题,这刺激了有关数学方法的迅速发展。这期间 发展起来并且在战后迅速普及到各个方面的线性规划实用数学技术,为人类带来了数以千亿计 的巨大效益。到了1957年,苏联将第一颗人造卫星迭人太空,震撼了美国朝野。意识到有关数学 应用方面的差距,美国政府加大投入,促进了数学研究与数学教育的迅速发展,随着计算机的发 展,对数学有了空前的需求,刺激数学进入了第三个大发展的时期。

 

已经有了很多很多极有说服力的例证,说明无论在日常的生产和生活中,还是在涉及生存和 发展的关键时刻,数学都起着非常重要的作用,在新世纪即将到来之前科学技术和生产的发展对 数学提出了空前的需求,我们必须把握时机增大投入,加强数学研究与数学教育,提高全民族的 数学素质,才能更好地迎接未来的挑战。

 

          谈谈数学模型的重要性

 

           吴军,Google 研究员

 

[注:一直关注数学之美系列的读者可能已经发现,我们对任何问题总是在找相应的准确的数学模型。为了说明模型的重要性,今年七月份我在 Google 中国内部讲课时用了整整一堂课来讲这个问题,下面的内容是我讲座的摘要。]

 

在包括哥白尼、伽利略和牛顿在内的所有天文学家中,我最佩服的是地心说的提出者托勒密。虽然天文学起源于古埃及,并且在古巴比伦时,人们就观测到了五大行星(金、木、水、火、土)运行的轨迹,以及行星在近日点运动比远日点快。(下图是在地球上看到的金星的轨迹,看过达芬奇密码的读者知道金星大约每四年在天上画一个五角星。)

 

 但是真正创立了天文学,并且计算出诸多天体运行轨迹的是两千年前古罗马时代的托勒密。虽然今天我们可能会嘲笑托勒密犯的简单的错误,但是真正了解托勒密贡献的人都会对他肃然起敬。托勒密发明了球坐标,定义了包括赤道和零度经线在内的经纬线,他提出了黄道,还发明了弧度制。

 

当然,他最大也是最有争议的发明是地心说。虽然我们知道地球是围绕太阳运动的,但是在当时,从人们的观测出发,很容易得到地球是宇宙中心的结论。从地球上看,行星的运动轨迹是不规则的,托勒密的伟大之处是用四十个小圆套大圆的方法,精确地计算出了所有行星运动的轨迹。(托勒密继承了毕达格拉斯的一些思想,他也认为圆是最完美的几何图形。)托勒密模型的精度之高,让以后所有的科学家惊叹不已。即使今天,我们在计算机的帮助下,也很难解出四十个套在一起的圆的方程。每每想到这里,我都由衷地佩服托勒密。一千五百年来,人们根据他的计算决定农时。但是,经过了一千五百年,托勒密对太阳运动的累积误差,还是差出了一星期。

 

地心说的示意图,我国天文学家张衡的浑天地动说其实就是地心说。

 

纠正地心说错误不是靠在托勒密四十个圆的模型上再多套上几个圆,而是进一步探索真理。哥白尼发现,如果以太阳为中心来描述星体的运行,只需要 8-10 个圆,就能计算出一个行星的运动轨迹,他提出了日心说。很遗憾的事,哥白尼正确的假设并没有得到比托勒密更好的结果,哥白尼的模型的误差比托勒密地要大不少。这是教会和当时人们认为哥白尼的学说是邪说的一个原因,所以日心说要想让人心服口服地接受,就得更准确地描述行星运动。

 

完成这一使命的是开普勒。开普勒在所有一流的天文学家中,资质较差,一生中犯了无数低级的错误。但是他有两条别人没有的东西,从他的老师第谷手中继承的大量的、在当时最精确的观测数据,以及运气。开普勒很幸运地发现了行星围绕太阳运转的轨道实际是椭圆形的,这样不需要用多个小圆套大圆,而只要用一个椭圆就能将星体运动规律描述清楚了。只是开普勒的知识和水平不足以解释为什么行星的轨道是椭圆形的。最后是伟大的科学家牛顿用万有引力解释了这个问题。

 

故事到这里似乎可以结束了。但是,许多年后,又有了个小的波澜。天文学家们发现,天王星的实际轨迹和用椭圆模型算出来的不太符合。当然,偷懒的办法是接着用小圆套大圆的方法修正,但是一些严肃的科学家在努力寻找真正的原因。英国的亚当斯和法国的维内尔(Verrier)独立地发现了吸引天王星偏离轨道的海王星。

 

讲座结束前,我和 Google 中国的工程师们一同总结了这么几个结论:

 

. 一个正确的数学模型应当在形式上是简单的。(托勒密的模型显然太复杂。)

 

. 一个正确的模型在它开始的时候可能还不如一个精雕细琢过的错误的模型来的准确,但是,如果我们认定大方向是对的,就应该坚持下去。(日心说开始并没有地心说准确。)

 

. 大量准确的数据对研发很重要。

 

. 正确的模型也可能受噪音干扰,而显得不准确;这时我们不应该用一种凑合的修正方法来弥补它,而是要找到噪音的根源,这也许能通往重大发现。

 

在网络搜索的研发中,我们在前面提到的单文本词频/逆文本频率指数(TF/IDF) 和网页排名(page rank都相当于是网络搜索中的“椭圆模型”,它们都很简单易懂。

 

 

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  • 朱白庚
    朱白庚 : 拜访学习,

    2010-08-10 14:09

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