馮康[中科院院士、數學家]

馮康[中科院院士、數學家]

馮康(1920年9月9日—1993年8月17日),男,數學家,套用數學和計算數學家,浙江紹興人。中國現代計算數學研究的開拓者,獨立創造了有限元方法,自然歸化和自然邊界元方法,開闢了辛幾何和辛格式研究新領域,為組建和指導我國計算數學隊伍做出了重大貢獻,是世界數學史上具有重要地位的科學家。1997年春,菲爾茲獎得主、中國科學院外籍院士丘成桐教授在清華大學所作題為“中國數學發展之我見”的報告中(見1998年3月11日《中國科學報》)提到,“中國近代數學能夠超越西方或與之並駕齊驅的主要原因有三個,主要是講能夠在數學歷史上很出名的有三個:一個是陳省身教授在示性類方面的工作,一個是華羅庚在多複變函數方面的工作,一個是馮康在有限元計算方面的工作”。

基本信息

人物生平

童年時的馮康(右)與馮端童年時的馮康(右)與馮端

1939年春考入福建協和學院數理系學習。

1939年9月-1944年考入重慶中央大學電機工程系學習,兩年後轉物理系學習直至畢業。

1945-1946年任復旦大學數學物理系助教。

1946-1950年任清華大學物理系及數學系助教。

1951-1956年任中國科學院數學研究所助理研究員。

1956-1978年任中國科學院計算技術研究所副研究員、研究員。

1965-1967年任第三屆全國人民代表大會代表。

1978-1986年任中國計算機學會副主任委員。

1978-1987年任中國科學院計算中心主任、研究員。

1980-1993年任中國科學院院士。

1982-1986年任國際計算力學創始理事。

1985-1990年任中國計算數學學會理事長。

1985-1993年任西安交通大學數學系名譽教授。

1987-1993年任中國科學院計算中心名譽主任。

1988-1993年任國際力學與數學互動協會名譽成員,英國倫敦凱萊計算與信息力學研究所科學顧問。

1990-1993年任中國計算數學學會名譽理事長。

1991-1993年任英國愛丁堡國際數學研究中心科學顧問。

1993年8月17日逝世於北京。

主要事跡

馮康與兄姐4人馮康與兄姐4人

馮康,原籍浙江紹興,1920年9月9日生於江蘇省南京市,少年時代家居江蘇省蘇州市。父親是知識分子,文學修養較高,長年在外做文職職員。母親操持家務。全家靠父親薪金收入,生活水平算是中等。父親決心要讓自己的子女受到現代教育的主張對馮康兄弟姐妹幾人產生了影響,他們從小都很用功讀書。1926年至1937年馮康先後在江蘇省立蘇州中學所屬實驗國小、國中部及高中部就讀,學業一貫優異。中學以後,他對物理和數學有了濃厚的興趣,這為他以後的科學生涯定了基調。

1937年抗戰開始不久,家鄉遭受敵機轟炸,學校解散,隨後江南地區淪陷。馮康和當時大多數愛國青年一樣,痛恨日本侵略軍,對抗戰勝利抱著希望,離開淪陷區轉到後方。1939年春季他以同等學歷考入福建協和學院數理系學習,1939年秋季重新考入重慶中央大學電機工程系學習,兩年後轉物理系,1944年畢業。畢業後他的科學方向轉為數學。事實上他在大學時期兼修了電機、物理、數學三系的主課,這一基礎背景對他後來的發展也起了獨特的作用。

1945年畢業後他到重慶及上海復旦大學擔任數學物理系助教,1946年到清華大學,任物理系助教,1951年轉任數學系助教。1951年調到中國科學院數學研究所,擔任助理研究員。1951年至1953年在蘇聯斯捷克洛夫數學研究所進修。這一時期中他曾有機會先後受教於當代知名而風格各異的數學家陳省身華羅庚和蘇聯的Л.C.龐特里亞金。

1957年至1978年馮康在中國科學院計算技術研究所任副研究員、研究員,負責科學與工程計算及計算數學的學術指導工作,他的科研方向轉為套用數學與計算數學。馮康1980年當選中國科學院院士,1980年起任國務院學位委員會委員。1959年被評為全國先進工作者,1965年被選為第三屆全國人民代表大會代表,1979年被評為全國勞動模範。1978年至1987年任中國科學院計算中心主任,1987年後任該中心名譽主任。1978年至1986年擔任全國計算機學會副主任委員,1985年至1990年擔任全國計算數學學會理事長,1990年任該會名譽理事長。他還擔任西安交通大學數學系名譽教授,國際計算力學協會創始理事,國際力學與數學互動協會名譽成員,英國倫敦凱萊計算與信息力學研究所科學顧問,英國愛丁堡國際數學研究中心科學顧問,以及我國4種一級計算數學雜誌(2種中文、2種英文)的主編,《中國科學》、美國《計算物理》、日本《套用數學》、荷蘭《套用力學與工程的計算方法》、美國《科學與工程計算》的編委,《中國大百科全書》數學卷副主編。

1957年以前,馮康主要從事基礎數學研究,在拓撲群和廣義函式論方面取得了卓越的成就。

1957年根據國家12年科學發展規劃,我國要填補電子計算機研製與套用領域的空白,馮康由中國科學院數學研究所調往新成立的計算技術研究所,參加我國計算技術與計算數學的開創工作,其後為科學院及全國範圍內計算數學隊伍的組建、培養及發展做出了多方面的重大貢獻。

作為計算數學這門新興學科的先行者和帶頭人,他特別重視理論和實踐的結合。計算數學是隨著電子計算機出現而興起的一門套用性極強的學科,需要懂得實際套用背景及邊緣學科的知識。馮康在物理及數學方面的堅實基礎和淵博知識,為他在計算數學領域的業務指導工作及他個人也要從頭學起的研究工作起了重要作用。當時中國科學院計算技術研究所第3研究室達200多人,其中全國各地來進修的人員幾十名。在馮康的指導下,該室承擔了大量的國防、國民經濟各部門的實際計算任務。馮康親自講授了有關的物理、力學知識及計算數學理論,對所有的課題都親自過問,進行具體的指導;在天氣數值預報、大型水壩應力計算、核武器內爆分析與計算、核武器中子遷移方程計算、航天運輸工具的高速空氣動力學計算、大慶油田地下油水驅動問題、飛機翼氣動力顫振性計算、汽輪機葉片流場計算、流體力學穩定性計算等方面取得了一系列學術上有創見性的

馮康馮康

理論成果及實際效果,並為電子計算機及其套用的普及推廣做出了開創性的成績。

在50年代末60年代初,馮康在解決大型水壩計算問題的集體研究實踐的基礎上,獨立於西方創造了一整套解微分方程問題的系統化、現代化的計算方法,當時命名為基於變分原理的差分方法,即現時國際通稱的有限元方法,其總結論文被刊於1965年《套用數學與計算數學》。

70年代,在間斷有限元理論方面,馮康建立了間斷函式類的龐加萊(Poincaré)型不等式,並在此基礎上建立了間斷有限元函式空間的嵌入理論,這在國際上是先進的。

馮康還將橢圓方程的經典理論推廣到具有不同維數的組合流形,即由不同維數子流形組成的幾何結構,在國際上為首創,為組合彈性結構理論提供了嚴密的數學基礎,解決了有限元法對於組合結構的收斂性問題。此項工作的成果,被寫進了專著《彈性結構的數學理論》,受到工程界的歡迎。鑒於諸如機器人以及空間站等高度複雜結構的出現,這一方向會有很大的發展前景,現正由他的學生和一些國外學者在繼續工作。

與此同時,馮康對傳統的將橢圓方程歸化為邊界積分方程的弗雷德霍姆(Fredholm)理論作了重要發展,提出自然歸化的概念作為邊界歸化的標準方法,形成了自然邊界元方法,它能和有限元法自然耦合而統於一體,實質上成為後來興起的適合於並行計算的區域分解法的先驅。

1984年起馮康將其研究重點從以橢圓方程為主的平衡態穩態問題轉向以哈密頓方程及波動方程為主的動態問題。他在北京國際雙微會議(1984年BeijingSymposiumonDifferentialGeometryandDifferentialEquations-ComputationofPartialDifferentialEquations)上首次提出基於辛幾何原理計算哈密頓體系的方法,即哈密頓體系的哈密頓算法,從而開創了哈密頓體系計算方法這一新方向。由於一切守恆的物理過程都能表為哈氏形式,而其數學基礎就是辛幾何,因此這一新領域將具有豐富的科學內涵和廣闊的套用前景。自此以後,馮康領導中國科學院計算中心的一個研究小組,將純理論的辛幾何和現代的科學工程計算有機地結合起來,系統地開展了這方面的研究,取得非常重要的國際領先的成果。

馮康在科學上的貢獻,先後獲得1978年全國科學大會重大成果獎,全國自然科學獎二等獎,科學院自然科學獎一等獎及全國科技進步二等獎。

馮康除了本人的研究工作外,還承擔了眾多的行政工作、各種業務指導工作,以及培養年輕優秀人才的工作。在他的指導與關懷下,中國科學院計算中心計算數學專業逐步形成了一個年輕的優秀人才梯隊,其中,1980年與1988年兩度全國最年輕的研究員都出在計算中心,都是在他的親自關懷下成長的。同時馮康還為全國計算數學學科的發展多次提出重要的指導性意見,如,創辦全國性的計算數學學術刊物,成立全國計算數學學會;向中央領導同志提出緊急建議,呼籲社會各方面重視科學與工程計算,倡議成立科學與工程計算開放實驗室,倡議將科學與工程計算列入國家基礎研究重點項目等等。特別是,他論證了“實驗、理論、計算已成為科學方法上相輔相成的而又相對獨立,可以相互補充代替而又彼此不可缺少的三個重要環節”,指出“科學與工程計算作為一門工具性、方法性、邊緣交叉性的新科學已經開始了自己的新發展,它包括了近年不斷形成的各個計算性學科,如計算數學、計算物理、計算力學、計算化學以及計算地震學等各種計算性工程學。計算數學則是它們的聯繫紐帶和共性基礎”。說明了計算手段對於科學技術進步的重要性和迫切性,從而在科學技術發展的戰略高度上闡明了科學與工程計算的地位和作用,這將有力地促進計算數學在我國的四個現代化中發揮它應有的作用。後來,科學與工程計算開放實驗室建成,“科學與工程計算的方法和理論”被列為“八五”期間國家重點關鍵基礎研究項目,馮康為該項目的首席專家。

科學成就

馮康馮康
拓撲群及廣義函式論研究

在1957年以前,馮康主要從事基礎數學研究。他最早的工作(沒有發表)是辛群的生成子和四維數代數基本定理的拓撲證明。接著他研究殆周期拓撲群理論,這是1934年由J.馮·諾依曼(vonNeumann)創始的,與酉陣表現密切相連。按照群所有的酉陣表現的多寡分出兩種極端類型:極大殆周期群——有“足夠多”的酉陣表現;極小殆周期群——沒有非平凡酉陣表現。1936年A.韋伊(Weil)及H.弗勒登塔爾(Freudenthal)解決了極大群的表征問題,它們就是緊群與歐幾里得向量群的直積。1940年馮·諾依曼及E.威格納(Wigner)對於極小群作出了重要進展,但其表征問題一直沒有解決。馮康在1950年率先對線性李(Lie)群(及其覆蓋群)解決了這一問題:沒有非平凡酉陣表現的充要條件是“本質上”不可交換與非緊。這一成果在後來酉表現論和物理套用中愈顯出其重要性。

50年代初L.施瓦爾茨(Schwartz)提出廣義函式系統性理論,引起世人重視。1954年起,馮康開展這一領域的研究,發表了《廣義函式論》長篇綜合性論文,也含有一些自己的新成果,推動了這項理論在我國的發展。他還建立了廣義函式中離散型函式(δ函式及其導數)與連續型函式之間的對偶定理。他應華羅庚教授的建議,建立了廣義梅林變換理論,對於偏微分方程和解析函式論等均有套用,國外遲至60年代才出現類似的工作。

有限元方法的創始

50年代末60年代初,我國的計算數學剛起步不久,在對外隔絕的情況下,馮康帶領一個小組的科技人員走出了從實踐到理論,再從理論到實踐的發展我國計算數學的成功之路。當時的研究解決了大量的有關工程設計應力分析的大型橢圓方程計算問題,積累了豐富而有效的經驗。馮康對此加以總結提高,作出了系統的理論結果。1965年馮康在《套用數學與計算數學》上發表的論文《基於變分原理的差分格式》,是中國獨立於西方系統地創始了有限元法的標誌。

該文提出了對於二階橢圓型方程各類邊值問題的系統性的離散化方法。為保證幾何上的靈活適應性,對區域Ω可作適當的任意剖分,取相應的分片插值函式,它們形成一個有限維空間S,是原問題的解空間即C.Л.索伯列夫(Соболев)廣義函式空間H1(Ω)的子空間。基於變分原理,把與原問題等價的在H1(Ω)上的正定二次泛函式極小問題化為有限維子空間S上的二次函式的極小問題,正定性質得到嚴格保持。這樣得到的離散形式叫做基於變分原理的差分格式,即當今的標準有限元方法。文中給出了離散解的穩定性定理、逼近性定理和收斂性定理,並揭示了此方法在邊界條件處理、特性保持、靈活適應性和理論牢靠等方面的突出優點。這些特別適合於解決複雜的大型問題,並便於在計算機上實現。

自然邊界歸化及自然邊界元方法的提出

自60年代以來,有限元方法對於求解有界區域的橢圓邊值問題取得了極大的成功,被廣泛套用於工程技術和科學計算中,是計算數學的重大成就。但是有些實際計算問題的計算區域是無界的,用有界區域來近似無界區域時,為達到所需的精度,會使計算量大大增加,邊界元方法是解決此問題的一種有效途徑。

關於對微分方程作邊界歸化的思想,早在上一世紀就已出現,但套用於數值計算卻是本世紀60年代才開始,這就是邊界元方法,即將微分方程歸化為邊界上的積分方程。

由於歸化的方法不同,各種邊界元方法的數值效果也不盡相同。馮康根據這類問題的物理特性,引用阿達馬(Hadamard)型超奇異核,提出自然歸化的概念,即通過自然歸化後,能量不變,從而保持了問題的本質不變。在這個概念下,他提出了自然邊界元方法。該方法除所有邊界元方法共有的優點外,還具備許多獨特之處:由於通過自然歸化後能量不變,使原來橢圓型邊值問題的性質都保留,從而保證了自然積分方程的解的存在性、唯一性及穩定性,並且也保證了與有限元方法自然而直接地耦合,由此形成一個有限元與邊界元兼容並蓄而自然耦合的整體性系統,能夠靈活適應於大型複雜問題,便於分解計算。這是當前與並行計算相關而興起的區域分解方法的先驅工作。作為特例,馮康對亥姆霍茲(Helmholtz)方程建立了與經典的無窮遠處的索墨菲爾德(Sommerfeld)輻射條件相對應的有窮遠處的積分型輻射條件,具有理論與套用的價值。馮康倡導的自然邊界元方法被國內外專家稱為當今國際上邊界元方法的三大流派之一,這一方向已由他的學生和其他學者在繼續發展。

哈密頓體系哈密頓算法的創立

馮康馮康

經典力學有3種等價的數學形式體系:牛頓(Newton)體系、拉格朗日(Lagrange)體系、哈密頓(Hamilton)體系,其中哈密頓體系具有突出的對稱形式,一直是物理學理論研究的數學工具。一切守恆的真實物理過程都可以表示為哈密頓體系,無論是經典性、量子性或相對論性的,無論自由度數為有限或無限,總能表現為適當的哈氏形式。哈氏體系的數學基礎是辛幾何。辛幾何是現代物理和力學的基礎,它與歐氏幾何一樣起著重要作用。

哈密頓體系的一個重要問題是穩定性問題,在幾何上的特點是它的解在相空間上是保面積的,其特徵方程的根是純虛數的。所以不能用經典的漸近穩定理論來研究它們。長期以來,國際上對於這一具有重要物理意義的哈密頓方程的計算方法幾乎是空白。這種狀況與哈氏系的普適性與重要性相對照是很不相稱的。

馮康於1984年在微分幾何和微分方程國際會議上發表的論文《差分格式與辛幾何》,首次系統地提出哈密頓方程和哈密頓算法(即辛幾何算法或辛幾何格式),提出從辛幾何內部系統構成算法並研究其性質的途徑,提出了他對整個問題領域的獨特見解,從而開創了哈密頓算法這一富有活力及發展前景的新領域,這是計算物理、計算力學和計算數學的相互結合滲透的前沿界面。

以中國科學事業發展為己任

馮康由於在抗戰初期患骨結核,並因在困難環境下失醫,使脊椎致殘,給他的生活帶來過不少折磨和痛苦,可是他硬頂了過來。凡與他接觸或共事的人都無不為他那種為祖國科學事業不倦的孜孜追求的精神所折服。他對自己的生活無所求,想到的、做到的都是科學事業。儘管他早已在1965年就取得了創始有限元法的國際公認的重大成果,但是並不滿足。他的強烈的進取心促使他一直走在世界計算數學隊伍的前列。

馮康學識淵博,對於物理學、數學、計算機科學等領域都有較深的知識。在科學研究上,他總是能把握住事物的本質,運用辯證法進行分析,發現和抓住在理論上和套用上都有廣闊的發展前景的課題,提出獨到的思想見解,並套用過硬的基本功去解決具體困難,成功地開創新方向、新道路,開闢一個又一個有重要實際意義的新領域,帶領一批又一批人在新方向上做出卓越的貢獻。

在科研工作中,他提倡理論聯繫實際和對科學的嚴謹態度。他對於理論上的問題一絲不苟,對於每提出的一種計算方法都是在實際計算中檢驗,對於經過考驗的好的計算方法都努力推廣使用,使其變為生產力,為四化建設服務。他不僅自己身體力行,而且對於科研人員也是這樣要求。

2008年12月15日,國家主席胡錦濤在紀念中國科協成立50周年大會上發表講話時說:“我國廣大科技工作者勤于思考、勇於實踐,敢於超越、不懈探索,無私奉獻、團結協作,在短短十幾年間,創造了一個又一個科技奇蹟。我們取得了有限元方法、層子模型、人工合成牛胰島素等具有世界先進水平的科學成果……這些重大科技成果,極大增強了我國綜合國力,提高了我國的國際地位。”

有限元方法,被列為眾多科學成果中的第一位,表明了國家對馮康和他的團隊所做出的重大貢獻給予的充分肯定。

主要論著

1.FengKang.Minimallyalmostperiodictopologicalgroups.ScienceRecord(AcademiaSinica),1950,3(2):161-166

2.馮康,廣義函式論。數學進展,1955,1(3):405-590

3.馮康,廣義函式的對偶關係。數學進展,1957,3(1):201-208

4.馮康,廣義Mellin變換。數學學報,1957,7(2):242-267

5.馮康,基於變分原理的差分格式。套用數學與計算數學,1965,2(4):237-261

6.馮康,組合流形上的橢圓方程和組合彈性結構。計算數學,1979,1(3):199-208

7.馮康,間斷有限元理論。計算數學,1979,1(4):378-385

8.馮康,微分和積分方程、有限和無限元。計算數學,1980,2(1):100-105

9.馮康,石鐘慈,彈性結構的數學理論。北京:科學出版社,1981

10.FengKang.Canonicalboundaryreductionandfiniteelementmethod.Proc.ofSymposiumonFiniteElementMethod(Hefei),1981:330—352;BeijingandNewyork:SciencePressandGordonandBreach,1982

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