冯·诺伊曼

冯·诺伊曼_6分词条
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约翰·冯·诺伊曼(匈牙利语:Neumann János;英语:John von Neumann,1903年12月28日-1957年2月8日)是出生于匈牙利的美国籍犹太人数学家,现代计算机创始人之一。他在计算机科学、经济、物理学中的量子力学及几乎所有数学领域都作过重大贡献。

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人物基本信息
中文名: 冯·诺伊曼
别名: 冯·诺伊曼
家乡: 布达佩斯
性别:
国籍: 匈牙利
出生年月: 1903年4月7日
职业: 科学 计算机之父
代表作品: 《冯·诺伊曼文集》
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人物关系

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冯·诺伊曼 生平简介

       

冯·诺伊曼是Neumann Miksa和Kann Margit的三个孩子中最大的一个。小时候外号“Jancsi”的他已经显出惊人的记忆力:六岁已能用古希腊语同父亲闲谈,还可以心算八位数除法。年少的他不但对数学很有兴趣,亦喜欢阅读历史、社会的书籍,读过的书籍和论文能很快一句不漏地将内容复述出来,而且多年以后仍是如此。1913年,父亲买了一个爵位,诺伊曼得到德国名von,成为János von Neumann。

1926年以22岁的年龄获得了布达佩斯大学数学博士学位,相继在柏林大学和汉堡大学担任数学讲师。1930年接受了普林斯顿大学客座教授的职位,初来美国时,他在纽约对当地居民表演过默记电话簿的惊人记忆力,1931年成为该校终身教授。1933年转到该校的高级研究所,与爱因斯坦等人成为六教授之一,不须上课。这一年,他解决了希尔伯特第5个问题,证明了局部欧几里得紧群是李群。1937年成为美国公民,1938年获颁博修奖(Bôcher Memorial Prize),一生结过两次婚,冯·诺伊曼是个不重视生活细节的人,他在一间房子住上多年,有一次却心事忡忡的问老婆杯子放在哪里。1954年任美国原子能委员会委员。1954年夏天,右肩受伤,手术时发现患有骨癌,治疗期间,依然参加每周三次的原子能委员会会议,甚至美国国防部长,陆、海、空三军参谋长聚集在病房开会。1957年2月8日,在华盛顿德里医院去世。晚年,有学生请教他做事的方法,他说:“简单”(simple)。1994年被授予美国国家基础科学奖。

冯·诺伊曼 量子力学

       

冯·诺伊曼认为,量子理论是普遍有效的,不仅适用于微观粒子世界,也适用于现实的测量仪器。1932年约翰·冯·诺伊曼将量子力学的最重要的基础严谨地公式化。按照诺伊曼的一个物理系统有三个主要部分:其量子态、其可观察量和其动力学(即其发展趋势),此外物理对称性也是一个非常重要的特性。冯·诺伊曼的量子力学教科书《量子力学的数学基础》首次以数理分析清晰地提出了波函数的两类演化过程。

冯·诺伊曼 与计算机

       

对冯·诺依曼声望有所贡献的最后一个课题是电子计算机和自动化理论。早在洛斯·阿拉莫斯,冯·诺依曼就明显看到,即使对一些理论物理的研究,只是为了得到定性的结果,单靠解析研究也已显得不够,必须辅之以数值计算。进行手工计算或使用台式计算机所需化费的时间是令人难以容忍的,于是冯·诺依曼劲头十足的开始从事电子计算机和计算方法的研究。
  

1944~l945年间,冯·诺依曼形成了现今所用的将一组数学过程转变为计算机指令语言的基本方法,当时的电子计算机(如ENIAC)缺少灵活性、普适性。冯·诺依曼关于机器中的固定的、普适线路系统,关于“流图”概念,关于“代码”概念为克服以上缺点作出了重大贡献。尽管对数理逻辑学家来说,这种安排是显见的。
  

计算机工程的发展也应大大归功于冯·诺依曼。计算机的逻辑图式,现代计算机中存储、速度、基本指令的选取以及线路之间相互作用的设计,都深深受到冯·诺依曼思想的影响。他不仅参与了电子管元件的计算机ENIAC的研制,并且还在普林斯顿高等研究院亲自督造了一台计算机。稍前,冯·诺依曼还和摩尔小组一起,写出了一个全新的存贮程序通用电子计算机方案EDVAC,长达l0l页的报告轰动了数学界。这一向专搞理论研究的普林斯顿高等研究院也批准让冯·诺依曼建造计算机,其依据就是这份报告。
  

速度超过人工计算千万倍的电子计算机,不仅极大地推动数值分析的进展,而且还在数学分析本身的基本方面,刺激着崭新的方法的出现。其中,由冯·诺依曼等制订的使用随机数处理确定性数学问题的蒙特卡洛法的蓬勃发展,就是突出的实例。
  

19世纪那种数学物理原理的精确的数学表述,在现代物理中似乎十分缺乏。基本粒子研究中出现的纷繁复杂的结构,令人眼花廖乱,要想很决找到数学综合理论希望还很渺茫。单从综合角度看,且不提在处理某些偏微分方程时所遇到的分析困难,要想获得精确解希望也不大。所有这些都迫使人们去寻求能借助电子计算机来处理的新的数学模式。冯·诺依曼为此贡献了许多天才的方法:它们大多分载在各种实验报告中。从求解偏微分方程的数值近似解,到长期天气数值须报,以至最终达到控制气候等。
  

在冯·诺依曼生命的最后几年,他的思想仍甚活跃,他综合早年对逻辑研究的成果和关于计算机的工作,把眼界扩展到一般自动机理论。他以特有的胆识进击最为复杂的问题:怎样使用不可靠元件去设计可靠的自动机,以及建造自己能再生产的自动机。从中,他意识到计算机和人脑机制的某些类似,这方面的研究反映在西列曼讲演中;逝世后才有人以《计算机和人脑》的名字,出了单行本。尽管这是未完成的著作,但是他对人脑和计算机系统的精确分析和比较后所得到的一些定量成果,仍不失其重要的学术价值。

冯·诺伊曼 计算机之父

       

1945年6月,冯·诺伊曼与戈德斯坦、勃克斯等人,联名发表了一篇长达101页纸的报告,即计算机史上著名的“101页报告”,是现代计算机科学发展里程碑式的文献。明确规定用二进制替代十进制运算,并将计算机分成五大组件,这一卓越的思想为电子计算机的逻辑结构设计奠定了基础,已成为计算机设计的基本原则。1951年,EDVAC计算机宣告完成。由于他在计算机逻辑结构设计上的伟大贡献,他被誉为“计算机之父”。

冯·诺伊曼 经济学

       

在经济学领域,1944年冯·诺伊曼与奥斯卡·摩根施特恩合著的巨作《博弈论与经济行为》出版,标志着现代系统博弈理论的的初步形成。他被称为“博弈论之父”。博弈论被认为是20世纪经济学最伟大的成果之一。

有两个奖项以他为名:

INFORMS的冯·诺伊曼理论奖
IEEE的IEEE冯·诺伊曼奖

冯·诺伊曼 对策论

       

冯·诺依曼不仅曾将自己的才能用于武器研究等,而且还用于社会研究。由他创建的对策论,无疑是他在应用数学方面取得的最为令人羡慕的杰出成就。现今,对策论主要指研究社会现象的特定数学方法。它的基本思想,就是分析多个主体之间的利害关系时,重视在诸如下棋、玩扑克牌等室内游戏中竞赛者之间的讨价还价,交涉,结伙,利益分配等行为方式的类似性。
  

对策论的一些想法,20年代初就曾有过,真正的创立还得从冯·诺依曼1928年关于社会对策理论的论文算起。在这篇文章中,他证明了最小最大定理,这个定理用于处理一类最基本的二人对策问题。如果对策双方中的任何一方,对每种可能的策略,考虑了可能遭到的最大损失,从而选择“最大损失”最小的一种为“最优”策略,那么从统计角度来看,他就能够确保方案是最佳的。这方面的工作大致已达到完善。在同一篇论文中,冯·诺依曼也明确表述了n个游戏者之间的一般对策。
  

对策论也被用于经济学。经济理论中的数学研究方法,大致可分为定性研究为目标的纯粹理论和以实证的、统计的研究为目标的计量经济学。前者称为数理经济学,正式确立于本世纪40年代之后。无论在思想上或方法上,都明显地受到对策论的影响。
  

数理经济学,过去模仿经典数学物理的技巧,所用的数学工具主要是微积分和微分方程、将经济问题当成经典力学问题处理。显然,几十个商人参加的贸易洽谈会,用经典数学分析处理,其复杂程度远远超过太阳系行星的运动,这种方法的效果往往很难是预期的。冯·诺依曼毅然放弃这种简单的机械类比,代之以新颖的对策论观点和新的数学—和凸性的思想。
  

1944年,冯·诺依曼和摩根斯特思合著的《对策论和经济行为》是这方面的奠基性著作。论文包含了对策论的纯粹数学形式的阐述以及对于实际应用的详细说明。这篇论文以及所作的与某些经济理论的基本问题的讨论,引起了对经济行为和某些社会学问题的各种不同研究,时至今日,这已是应用广泛、羽毛日益丰盛的一门数学学科。有些科学家热情颂扬它可能是“20世纪前半期最伟大的科学贡献之一”。

冯·诺伊曼 集合论,数学基础

       

冯·诺依曼的第一篇论文是和菲克特合写的,是关于车比雪夫多项式求根法的菲叶定理推广,注明的日期是1922年,那时冯·诺依曼还不满18岁。另一篇文章讨论一致稠密数列,用匈牙利文写就,题目的选取和证明手法的简洁显露出冯·诺依曼在代数技巧和集合论直观结合的特征。
  

1923年当冯·诺依曼还是苏黎世的大学生时,发表了超限序数的论文。文章第一句话就直率地声称“本文的目的是将康托的序数概念具体化、精确。他的关于序数的定义,现在已被普遍采用。
  

强烈企求探讨公理化是冯·诺依曼的愿望,大约从l925年到l929年,他的大多数文章都尝试着贯彻这种公理化精神,以至在理论物理研究中也如此。当时,他对集合论的表述处理,尤感不够形式化,在他1925年关于集合论公理系统的博士论文中,开始就说“本文的目的,是要给集合论以逻辑上无可非议的公理化论述”。
  

有趣的是,冯·诺依曼在论文中预感到任何一种形式的公理系统所具有的局限性,模糊地使人联想到后来由哥德尔证明的不完全性定理。对此文章,著名逻辑学家、公理集合论奠基人之一的弗兰克尔教授曾作过如下评价:“我不能坚持说我已把(文章的)一切理解了,但可以确有把握地说这是一件杰出的工作,并且透过他可以看到一位巨人”。
  

1928年冯·诺依曼发表了论文《集合论的公理化》,是对上述集合论的公理化处理。该系统十分简洁,它用第一型对象和第二型对象相应表示朴素集合论中的集合和集合的性质,用了一页多一点的纸就写好了系统的公理,它已足够建立朴素集合论的所有内容,并借此确立整个现代数学。
  

冯·诺依曼的系统给出了集合论的也许是第一个基础,所用的有限条公理,具有像初等几何那样简单的逻辑结构。冯·诺依曼从公理出发,巧妙地使用代数方法导出集合论中许多重要概念的能力简直叫人惊叹不已,所有这些也为他未来把兴趣落脚在计算机和“机械化”证明方面准备了条件。
  

20年代后期,冯·诺依曼参与了希尔伯特的元数学计划,发表过几篇证明部分算术公理无矛盾性的论文。l927年的论文《关于希尔伯特证明论》最为引人注目,它的主题是讨论如何把数学从矛盾中解脱出来。文章强调由希尔伯特等提出和发展的这个问题十分复杂,当时还未得到满意的解答。它还指出阿克曼排除矛盾的证明并不能在古典分析中实现。为此,冯·诺依曼对某个子系统作了严格的有限性证明。这离希尔伯特企求的最终解答似乎不远了。这是恰在此时,1930年哥德尔证明了不完全性定理。定理断言:在包含初等算术(或集合论)的无矛盾的形式系统中,系统的无矛盾性在系统内是不可证明的。至此,冯·诺依曼只能中止这方面的研究。冯·诺依曼还得到过有关集合论本身的专门结果。他在数学基础和集合论方面的兴趣一直延续到他生命的结束。

冯·诺伊曼 逸闻

       

一次,在一个数学聚会上,有一个年轻人兴冲冲的找到他,向他求教一个问题,他看了看就报出了正确答案。年轻人高兴地请求他告诉自己简便方法,并抱怨其他数学家用无穷级数求解的烦琐。冯·诺依曼却说道:“你误会了,我正是用无穷级数求出的。”可见他拥有过人的心算能力。
  

据说有一天,冯·诺依曼心神不定地被同事拉上了牌桌。一边打牌,一边还在想他的课题,狼狈不堪地“输掉”了10元钱。这位同事也是数学家,突然心生一计,想要捉弄一下他的朋友,于是用赢得的5元钱,购买了一本冯·诺依曼撰写的《博弈论和经济行为》,并把剩下的5元贴在书的封面,以表明他 “战胜”了“赌博经济理论家”,着实使冯·诺依曼“好没面子”。
  

另一则笑话发生在ENIAC计算机研制时期。 有几个数学家聚在一起切磋数学难题,百思不得某题之解。有个人决定带着台式计算器回家继续演算。次日清晨,他眼圈黑黑,面带倦容走进办公室,颇为得意地对大家炫耀说:
  

“我从昨天晚上一直算到今晨4点半,总算找到那难题的5种特殊解答。它们一个比一个更难咧!”说话间,冯·诺依曼推门进来,“什么题更难?”虽只听到后面半句话,但“更难”二字使他马上来了劲。有人把题目讲给他听,教授顿时把自己该办的事抛在爪哇国,兴致勃勃地提议道:“让我们一起算算这5种特殊的解答吧。”
  

大家都想见识一下教授的“神算”本领。只见冯·诺依曼眼望天花板,不言不语,迅速进到“入定” 状态。约莫过了5分来钟,就说出了前4种解答,又在沉思着第5种……。青年数学家再也忍不住了,情不自禁脱口讲出答案。冯·诺依曼吃了一惊,但没有接话茬。又过了1分钟,他才说道:“你算得对!”
  

那位数学家怀着崇敬的心情离去,他不无揶揄地想:“还造什么计算机哟,教授的头脑不就是一台‘超高速计算机’吗?”然而,冯·诺依曼却呆在原地,陷入苦苦的思索,许久都不能自拔。有人轻声向他询问缘由,教授不安地回答说:“我在想,他究竟用的是什么方法,这么快就算出了答案。”听到此言,大家不禁哈哈大笑:“他用台式计算器算了整整一个夜晚!”冯·诺依曼一愣,也跟着开怀大笑起来。

附图

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