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約翰·馮·諾依曼的生平

馮·諾依曼,著名匈牙利裔美籍數學家 計算機科學家 物理學家 化學家 。1903年12月28日生於匈牙利布達佩斯的壹個猶太人家庭。

馮·諾依曼的父親麥克斯年輕有為、風度翩翩,憑著勤奮、機智和善於經營,年輕時就已躋身於布達佩斯的銀行家行列。馮·諾依曼的母親是壹位善良的婦女,賢慧溫順,受過良好教育。

馮·諾依曼從小就顯示出數學和記憶方面的天才,從孩提時代起,馮諾依曼就有過目不忘的天賦,六歲時他就能用希臘語同父親互相開玩笑。六歲時他能心算做八位數除法,八歲時掌握微積分,在十歲時他花費了數月讀完了壹部四十八卷的世界史,並可以對當前發生的時間和歷史上某個時間做出對比,並討論兩者的軍事理論和政治策略 ,十二歲就讀懂領會了波萊爾的大作《函數論》要義。

微積分的實質是對無窮小量進行數學分析。人類探索有限、無限以及它們之間的關系由來已久,l7世紀由牛頓萊布尼茨發現的微積分,是人類探索無限方面取得的壹項激動人心的偉大成果。三百年來,它壹直是高等學府的教學內容,隨著時代的發展,微積分在不斷地改變它的形式,概念變得精確了,基礎理論紮實了,甚至有不少簡明恰當的陳述。但不管怎麽說,八歲的兒童要弄懂微積分,仍然是罕見的。上述種種傳聞雖然不盡可信,但馮·諾伊曼的才智過人,則是與他相識的人們的壹致看法。

1914年夏天,約翰進入了大學預科班學習,是年7月28日,奧匈帝國借故向塞爾維亞宣戰,揭開了第壹次世界大戰的序幕。由於戰爭動亂連年不斷,馮·諾依曼全家離開過匈牙利,以後再重返布達佩斯。當然他的學業也會受到影響。但是在畢業考試時,馮·諾依曼的成績仍名列前茅(除體育和書寫外,都是A )。

1921年,馮·諾依曼通過“成熟”考試時,已被大家當作數學家了。他的第壹篇論文是和菲克特合寫的,那時他還不到18歲。麥克斯由於考慮到經濟上原因,請人勸阻年方17的馮·諾依曼不要專攻數學,後來父子倆達成協議,馮·諾依曼便去攻讀化學。

其後的四年間,馮·諾依曼在布達佩斯大學註冊為數學方面的學生,但並不聽課,只是每年按時參加考試,考試都得A 。與此同時,馮·諾依曼進入柏林大學(1921年),1923年又進入瑞士蘇黎世聯邦工業大學學習化學。1926年他在蘇黎世聯邦工業大學獲得化學方面的大學畢業學位,通過在每學期期末回到布達佩斯大學通過課程考試,他也獲得了布達佩斯大學數學博士學位。

馮·諾依曼的這種不參加聽課只參加考試的求學方式,當時是非常特殊的,就整個歐洲來說也是完全不合規則的。但是這不合規則的學習方法,卻又非常適合馮·諾依曼。

逗留在蘇黎世期間,馮·諾依曼常常利用空余時間研讀數學、寫文章和數學家通信。在此期間馮·諾依曼受到了希爾伯特和他的學生施密特和外爾的思想影響,開始研究數理邏輯。當時外爾和波伊亞兩位也在蘇黎世,他和他們有過交往。壹次外爾短期離開蘇黎世,馮·諾依曼還代他上過課。聰慧加上得天獨厚的栽培,馮·諾依曼在茁壯地成長,當他結束學生時代的時候,他已經漫步在數學、物理、化學三個領域的某些前沿。

1926年春,馮·諾依曼到哥廷根大學任希爾伯特的助手。1927~1929年,馮·諾依曼在柏林大學任兼職講師,期間他發表了集合論、代數和量子理論方面的文章。1927年馮·諾依曼到波蘭裏沃夫出席數學家會議,那時他在數學基礎和集合論方面的工作已經很有名氣。

1929年,馮·諾依曼轉任漢堡大學兼職講師。1930年他首次赴美,成為普林斯頓大學的客座講師。善於匯集人才的美國不久就聘馮·諾依曼為客座教授。

馮·諾依曼曾經算過,德國大學裏現有的和可以期待的空缺很少,照他典型的推理得出,在三年內可以得到的教授任命數是三,而參加競爭的講師則有40名之多。在普林斯頓,馮·諾依曼每到夏季就回歐洲,壹直到1933年擔任普林斯頓高級研究院教授為止。當時高級研究院聘有六名教授,其中就包括愛因斯坦,而年僅30歲的馮·諾依曼是他們當中最年輕的壹位。

在高等研究院初創時間,歐洲來訪者會發現,那裏充滿著壹種極好的不拘禮節的、濃厚的研究風氣。教授們的辦公室設置在大學的“優美大廈”裏,生活安定,思想活躍,高質量的研究成果層出不窮。可以這樣說,那裏集中了有史以來最多的有數學和物理頭腦的人才。

1930年馮·諾依曼和瑪麗達·柯維斯結婚。1935年他們的女兒瑪麗娜出生在普林斯頓。馮·諾依曼家裏常常舉辦時間持續很長的社交聚會,這是遠近皆知的。1937年馮·諾依曼與妻子離婚,1938年又與克拉拉·丹結婚,並壹起回到普林斯頓。丹隨馮·諾依曼學數學,後來成為優秀的程序編制家。與克拉拉婚後,馮·諾依曼的家仍是科學家聚會的場所,還是那樣殷勤好客,在那裏人人都會感到壹種聰慧的氣氛。

二次大戰歐洲戰事爆發後,馮·諾依曼的活動超越了普林斯頓,參與了同反法西斯戰爭有關的多項科學研究計劃。1943年起他成了制造原子彈的顧問,戰後仍在政府諸多部門和委員會中任職。1954年又成為美國原子能委員會成員。

馮·諾依曼的多年老友,原子能委員會主席斯特勞斯曾對他作過這樣的評價:從他被任命到1955年深秋,馮·諾依曼幹得很漂亮。他有壹種使人望塵莫及的能力,最困難的問題到他手裏。都會被分解成壹件件看起來十分簡單的事情,用這種辦法,他大大地促進了原子能委員會的工作。 馮·諾伊曼是二十世紀最重要的數學家之壹,在純粹數學和應用數學方面都有傑出的貢獻。他的工作大致可以分為兩個時期:1940年以前,主要是純粹數學的研究:在數理邏輯方面提出簡單而明確的序數理論,並對集合論進行新的公理化,其中明確區別集合與類;其後,他研究希爾伯特空間上線性自伴算子譜理論,從而為量子力學打下數學基礎;1930年起,他證明平均遍歷定理開拓了遍歷理論的新領域;1933年,他運用緊致群解決了希爾伯特第五問題;此外,他還在測度論、格論和連續幾何學方面也有開創性的貢獻;從1936~1943年,他和默裏合作,創造了算子環理論,即所謂的馮·諾伊曼代數。

1940年以後,馮·諾伊曼轉向應用數學。如果說他的純粹數學成就屬於數學界,那麽他在力學、經濟學、數值分析和電子計算機方面的工作則屬於全人類。第二次世界大戰開始,馮·諾伊曼因戰事的需要研究可壓縮氣體運動,建立沖擊波理論和湍流理論,發展了流體力學;從1942年起,他同莫根施特恩合作,寫作《博弈論和經濟行為》壹書,這是博弈論(又稱對策論)中的經典著作,使他成為數理經濟學的奠基人之壹。

馮·諾伊曼對世界上第壹臺電子計算機ENIAC(電子數字積分計算機)的設計提出過建議,1945年3月他在***同討論的基礎上起草ENIAC(電子離散變量自動計算機)設計報告初稿,這對後來計算機的設計有決定性的影響,特別是確定計算機的結構,采用存儲程序以及二進制編碼等,至今仍為電子計算機設計者所遵循。

1946年,馮·諾依曼開始研究程序編制問題,他是現代數值分析——計算數學的締造者之壹,他首先研究線性代數和算術的數值計算,後來著重研究非線性微分方程的離散化以及穩定問題,並給出誤差的估計。他協助發展了壹些算法,特別是蒙特卡羅方法。

40年代末,他開始研究自動機理論,研究壹般邏輯理論以及自復制系統。在生命的最後時刻他深入比較天然自動機與人工自動機。他逝世後其未完成的手稿在1958年以《計算機與人腦》為名出版。

馮·諾伊曼的主要著作收集在《馮·諾伊曼全集》(6卷,1961)中。

無論在純粹數學還是在應用數學研究方面,馮·諾依曼都顯示了卓越的才能,取得了眾多影響深遠的重大成果。不斷變換研究主題,常常在幾種學科交叉滲透中獲得成就是他的特色。

最簡單的來說,他的精髓貢獻是2點:2進制思想與程序內存思想。

回顧20世紀科學技術的輝煌發展時,不能不提及20世紀最傑出的數學家之壹的馮·諾依曼。眾所周知,1946年發明的電子計算機,大大促進了科學技術的進步,大大促進了社會生活的進步。鑒於馮·諾依曼在發明電子計算機中所起到關鍵性作用,他被西方人譽為“計算機之父”。而在經濟學方面,他也有突破性成就,被譽為“博弈論之父”。在物理領域,馮·諾依曼在30年代撰寫的《量子力學的數學基礎》已經被證明對原子物理學的發展有極其重要的價值。在化學方面也有相當的造詣,曾獲蘇黎世高等技術學院化學系大學學位。與同為猶太人的哈耶克壹樣,他無愧是上世紀最偉大的全才之壹。

馮·諾依曼在數學的諸多領域都進行了開創性工作,並作出了重大貢獻。在第二次世界大戰前,他主要從事算子理論、集合論等方面的研究。1923年關於集合論中超限序數的論文,顯示了馮·諾依曼處理集合論問題所特有的方式和風格。他把集會論加以公理化,他的公理化體系奠定了公理集合論的基礎。他從公理出發,用代數方法導出了集合論中許多重要概念、基本運算、重要定理等。特別在1925年的壹篇論文中,馮·諾依曼就指出了任何壹種公理化系統中都存在著無法判定的命題。

1933年,馮·諾依曼解決了希爾伯特第5問題,即證明了局部歐幾裏得緊群是李群。1934年他又把緊群理論與波爾的殆周期函數理論統壹起來。他還對壹般拓撲群的結構有深刻的認識,弄清了它的代數結構和拓撲結構與實數是壹致的。他對算子代數進行了開創性工作,並奠定了它的理論基礎,從而建立了算子代數這門新的數學分支。這個分支在當代的有關數學文獻中均稱為馮·諾依曼代數。這是有限維空間中矩陣代數的自然推廣。馮·諾依曼還創立了博弈論這壹現代數學的又壹重要分支。1944年發表了奠基性的重要論文《博弈論與經濟行為》。論文中包含博弈論的純粹數學形式的闡述以及對於實際博弈應用的詳細說明。文中還包含了諸如統計理論等教學思想。馮·諾依曼在格論、連續幾何、理論物理、動力學、連續介質力學、氣象計算、原子能和經濟學等領域都作過重要的工作。

馮·諾依曼對人類的最大貢獻是對計算機科學、計算機技術、數值分析和經濟學中的博弈論的開拓性工作。

壹般認為ENIAC機是世界第壹臺電子計算機,它是由美國科學家研制的,於1946年2月14日在費城開始運行。其實由湯米、費勞爾斯等英國科學家研制的“科洛薩斯”計算機比ENIAC機問世早兩年多,於1944年1月10日在布萊奇利園區開始運行。ENIAC機證明電子真空技術可以大大地提高計算技術,不過,ENIAC機本身存在兩大缺點:(1)沒有存儲器;(2)它用布線接板進行控制,甚至要搭接幾天,計算速度也就被這壹工作抵消了。ENIAC機研制組的莫克利和埃克特顯然是感到了這壹點,他們也想盡快著手研制另壹臺計算機,以便改進。

1944年,諾伊曼參加原子彈的研制工作,該工作涉及到極為困難的計算。在對原子核反應過程的研究中,要對壹個反應的傳播做出“是”或“否”的回答。解決這壹問題通常需要通過幾十億次的數學運算和邏輯指令,盡管最終的數據並不要求十分精確,但所有的中間運算過程均不可缺少,且要盡可能保持準確。他所在的洛·斯阿拉莫斯實驗室為此聘用了壹百多名女計算員,利用臺式計算機從早到晚計算,還是遠遠不能滿足需要。無窮無盡的數字和邏輯指令如同沙漠壹樣把人的智慧和精力吸盡。

被計算機所困擾的諾伊曼在壹次極為偶然的機會中知道了ENIAC計算機的研制計劃,從此他投身到計算機研制這壹宏偉的事業中,建立了壹生中最大的豐功偉績。

1944年夏的壹天,正在火車站候車的諾伊曼巧遇戈爾斯坦,並同他進行了短暫的交談。當時,戈爾斯坦是美國彈道實驗室的軍方負責人,他正參與ENIAC計算機的研制工作。在交談中,戈爾斯坦告訴了諾伊曼有關ENIAC的研制情況。具有遠見卓識的諾伊曼為這壹研制計劃所吸引,他意識到了這項工作的深遠意義。

馮·諾依曼由ENIAC機研制組的戈爾德斯廷中尉介紹參加ENIAC機研制小組後,便帶領這批富有創新精神的年輕科技人員,向著更高的目標進軍。1945年,他們在***同討論的基礎上,發表了壹個全新的“存儲程序通用電子計算機方案”--EDVAC(Electronic Discrete Variable AutomaticCompUter的縮寫)。在這過程中,馮·諾依曼顯示出他雄厚的數理基礎知識,充分發揮了他的顧問作用及探索問題和綜合分析的能力。諾伊曼以“關於EDVAC的報告草案”為題,起草了長達101頁的總結報告。報告廣泛而具體地介紹了制造電子計算機和程序設計的新思想。這份報告是計算機發展史上壹個劃時代的文獻,它向世界宣告:電子計算機的時代開始了。

ENIAC方案明確奠定了新機器由五個部分組成,包括:運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備,並描述了這五部分的職能和相互關系。報告中,諾伊曼對ENIAC中的兩大設計思想作了進壹步的論證,為計算機的設計樹立了壹座裏程碑。

設計思想之壹是二進制,他根據電子元件雙穩工作的特點,建議在電子計算機中采用二進制。報告提到了二進制的優點,並預言,二進制的采用將大簡化機器的邏輯線路。

計算機基本工作原理是存儲程序和程序控制,它是由世界著名數學家馮·諾依曼提出的。美籍匈牙利數學家馮·諾依曼被稱為“計算機之父”。

實踐證明了諾伊曼預言的正確性。如今,邏輯代數的應用已成為設計電子計算機的重要手段,在ENIAC中采用的主要邏輯線路也壹直沿用著,只是對實現邏輯線路的工程方法和邏輯電路的分析方法作了改進。 馮諾依曼體系機構

說到計算機的發展,就不能不提到美國科學家馮諾依曼。從20世紀初,物理學和電子學科學家們就在爭論制造可以進行數值計算的機器應該采用什麽樣的結構。人們被十進制這個人類習慣的計數方法所困擾。所以,那時以研制模擬計算機的呼聲更為響亮和有力。20世紀30年代中期,美國科學家馮諾依曼大膽的提出,拋棄十進制,采用二進制作為數字計算機的數制基礎。同時,他還說預先編制計算程序,然後由計算機來按照人們事前制定的計算順序來執行數值計算工作。

馮諾依曼理論的要點是:數字計算機的數制采用二進制;計算機應該按照程序順序執行。

人們把馮諾依曼的這個理論稱為馮諾依曼體系結構。從ENIAC(ENIVAC並不是馮諾依曼體系)到當前最先進的計算機都采用的是馮諾依曼體系結構。所以馮諾依曼是當之無愧的數字計算機之父。

根據馮諾依曼體系結構構成的計算機,必須具有如下功能:

把需要的程序和數據送至計算機中。

必須具有長期記憶程序、數據、中間結果及最終運算結果的能力。

能夠完成各種算術、邏輯運算和數據傳送等數據加工處理的能力。

能夠根據需要控制程序走向,並能根據指令控制機器的各部件協調操作。

能夠按照要求將處理結果輸出給用戶。

為了完成上述的功能,計算機必須具備五大基本組成部件,包括:

輸入數據和程序的輸入設備

記憶程序和數據的存儲器

完成數據加工處理的運算器

控制程序執行的控制器

輸出處理結果的輸出設備 程序內存是諾伊曼的另壹傑作。通過對ENIAC的考察,諾伊曼敏銳地抓住了它的最大弱點--沒有真正的存儲器。ENIAC只在20個暫存器,它的程序是外插型的,指令存儲在計算機的其他電路中。這樣,解題之前,必需先想好所需的全部指令,通過手工把相應的電路聯通。這種準備工作要花幾小時甚至幾天時間,而計算本身只需幾分鐘。計算的高速與程序的手工存在著很大的矛盾。

針對這個問題,諾伊曼提出了程序內存的思想:把運算程序存在機器的存儲器中,程序設計員只需要在存儲器中尋找運算指令,機器就會自行計算,這樣,就不必每個問題都重新編程,從而大大加快了運算進程。這壹思想標誌著自動運算的實現,標誌著電子計算機的成熟,已成為電子計算機設計的基本原則。

1946年7,8月間,馮·諾依曼和戈爾德斯廷、勃克斯在ENIAC方案的基礎上,為普林斯頓大學高級研究所研制IAS計算機時,又提出了壹個更加完善的設計報告《電子計算機邏輯設計初探》.以上兩份既有理論又有具體設計的文件,首次在全世界掀起了壹股“計算機熱”,它們的綜合設計思想,便是著名的“馮·諾依曼機”,其中心就是有存儲程序原則--指令和數據壹起存儲(存儲機)。這個概念被譽為“計算機發展史上的壹個裏程碑”。它標誌著電子計算機時代的真正開始,指導著以後的計算機設計。自然壹切事物總是在發展著的,隨著科學技術的進步,今天人們又認識到“馮·諾依曼機”的不足,它妨礙著計算機速度的進壹步提高,而提出了“非馮·諾依曼機”的設想。

馮·諾依曼還積極參與了推廣應用計算機的工作,對如何編制程序及搞數值計算都作出了傑出的貢獻。馮·諾依曼於1937年獲美國數學會的波策獎;1938年獲得博謝紀念獎;1947年獲美國總統的功勛獎章、美國海軍優秀公民服務獎;1956年獲美國總統的自由獎章和費米獎。 馮·諾依曼逝世後,未完成的手稿於1958年以《計算機與人腦》為名出版.他的主要著作收集在六卷《馮·諾依曼全集》中,1961年出版。

另外,馮·諾依曼40年代出版的著作《博弈論和經濟行為》,使他在經濟學和決策科學領域豎起了壹塊豐碑。他被經濟學家公認為博弈論之父。當時年輕的約翰·納什在普林斯頓求學期間開始研究發展這壹領域,並在1994年憑借對博弈論的突出貢獻獲得了諾貝爾經濟學獎。

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