“现代计算机之父”约翰·冯·诺依曼


约翰·冯·诺依曼

       冯·诺依曼(John von Neumann,1903年12月28日-1957年2月8日),美籍匈牙利数学家、计算机科学家、物理学家,是20世纪最重要的数学家之一。冯·诺依曼是布达佩斯大学数学博士,在现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等领域内的科学全才之一,被后人称为“现代计算机之父”、“博弈论之父”。

        冯·诺依曼先后执教于柏林大学和汉堡大学,1930年前往美国,后入美国籍。历任普林斯顿大学教授、普林斯顿高等研究院教授,入选美国原子能委员会会员、美国国家科学院院士。早期以算子理论、共振论、量子理论、集合论等方面的研究闻名,开创了冯电诺依曼代数。冯·诺伊曼第二次世界大战期间曾参与曼哈顿计划,为第一颗原子弹的研制做出了贡献。

       冯·诺依曼1944年与奥斯卡·摩根斯特恩合著《博弈论与经济行为》,是博弈论学科的奠基性著作。晚年,冯·诺依曼转向演技自动机理论,著有对人脑和计算机系统进行精确分析的著作《计算机和人脑》(1958年),为研制电子数字计算机提供了基础性的方案。其余主要著作有《量子力学的数学基础》(1926年)、《经典力学的算子方法》、《连续几何》(1960年)等。


中文名:约翰·冯·诺依曼                                           毕业院校:苏黎世联邦工业大学化学系  布达佩斯大学数学系

外文名:John von Neumann                                    信仰:天主教

国籍:美国                                                               主要成就:冯·诺依曼结构、博弈论

民族:犹太人                                                            代表作品:《博弈论与经济行为》、《计算机和人脑》

出生地:匈牙利布达佩斯                                          配偶:玛丽达·柯维斯

出生日期:1903年12月28日                                     性别:男

逝世日期:1957年2月8日                                         学历:博士


人物生平

        冯 ·诺依曼,著名匈牙利裔美籍数学家、计算机学家、物理学家和化学家。1903年12月28日生于匈牙利布达佩斯的一个犹太人家庭。

        冯·诺依曼的父亲麦克斯年轻有为、风度翩翩,凭着勤奋、机智和善于经营,年轻时就已跻身于布达佩斯的银行家行列。冯·诺依曼的母亲是一位善良的妇女贤惠温顺,受过良好教育。

        冯·诺依曼从小就显示出数学和记忆方面的天才,从孩提时代起,冯·诺依曼就有过目不忘的天赋,六岁时他就能用希腊语同父亲互相开玩笑。六岁时他就能心算做八位数除法,八岁时掌握微积分,在十岁时他花费了数月读完了一部四十八卷的世界史,并可以对当前发生的事件和历史上某个事件做出对比,并讨论两者的军事理论和政治策略,十二岁就读懂领会了波莱尔的大作《函数论》要义。


小时候的冯诺依曼

        微积分的实质是对无穷小量进行数学分析。人类探索有限、无限以及它们之间的关系由来已久,17世纪由牛顿莱布尼茨发现的微积分,是人类探索无限方面取得的一项激动人心的伟大成果。三百年来,它一直是高等学府的教学内容,随着时代的发展,微积分在不断地改变它的形式,概念变得精确了,基础理论扎实了,甚至有不少简明恰当的陈述。但不管怎么说,八岁的儿童要弄懂微积分,仍然是罕见的。上述种种传闻虽然不尽可信,但冯·诺依曼的才智过人,则是与他相识的人们的一致看法。

        1914年夏天,约翰进入了大学预科班学习,是年7月28日,奥匈帝国借故向塞尔维亚宣战,揭开了第一次世界大战的序幕。由于战争动乱连年不断,冯·诺依曼全家离开过匈牙利,以后再重返布达佩斯。当然他的学业也会受到影响。但是在毕业考试时,冯·诺伊曼的成绩仍名列前茅(除体育和书写外,都是A)

        1921年,冯·诺依曼通过“成熟”考试时,已被大家当作数学家了。他的第一篇论文是和菲克特合写的,那是他还不到18岁。麦克斯由于考虑到经济上原因,请人劝阻年方17的冯·诺依曼不要专攻数学,后来父子俩达成协议,冯·诺依曼便去攻读化学。

        其后的四年间,凤诺依曼在布达佩斯大学注册为数学方面的学生,但并不听课,只是每年按时参加考试,考试都得A。与此同时冯·诺依曼进入柏林大学(1921年),1923年又进入瑞士苏黎世联邦工业大学学习化学。1926年他在苏黎世联邦工业大学获得化学方面的大学毕业学位,通过在每学期期末回到布达佩斯大学通过课程考试,他获得了布达佩斯大学数学博士学位。

        冯·诺依曼的这种不参加听课只参加考试的求学方式,当时是非常特殊的,就整个欧洲来说也是不合规则的。但是不合规则的学习方法,却又非常适合冯·诺依曼。


约翰·冯·诺依曼

        逗留在苏黎世期间,冯·诺依曼常常利用空余时间研读数学、写文章和数学家通信。在此期间冯·诺依曼受到了希尔伯特和他的学生施密特和外尔的思想影响,开始研究数理逻辑。当时外尔和波伊亚两位也在苏黎世,他和他们有过交往。一次外尔短期离开苏黎世,冯·诺依曼还代他上过课。聪慧加上得天独厚的栽培,冯·诺依曼在茁壮地成长,当他结束学生时代的时候,他已经漫步在数学、物理、化学三个领域的某些前沿。

        1926年春,冯·诺依曼到哥廷根大学任希尔伯特的助手。1927~1929年,冯·诺依曼在柏林大学任兼职讲师,期间他发表了集合论、代数和量子理论方面的文章。1927年冯·诺依曼到波兰里沃夫出席数学家会议,那时他在数学基础和集合论方面的工作已经很有名气。

        1929年,冯·诺依曼转任汉堡大学兼职讲师。1930年他首次赴美,成为普林斯顿大学的客座讲师。善于汇集人才的美国不久就聘冯·诺依曼为客座教授。


冯诺依曼在讲课(“用黑板擦证明定理”)

        冯·诺依曼曾经算过,德国大学里现有的和可以期待的空缺很少,照他典型的推理得出,在三年内可以得到的教授任命数是三,而参加竞争的讲师则有40名之多。在普林斯顿,冯·诺依曼每到夏季就回欧洲,一直到1933年担任普林斯顿高级研究院教授为止。当时高级研究院聘有六名教授,其中就包括爱因斯坦,而年仅30岁的冯·诺依曼是他们当中最年轻的一位。

        在高等研究院初创时间,欧洲来访者会发现,那里充满着一种极好的不拘礼节的、浓厚的研究风气。教授们的办公室设置在大学的“优美大厦”里,生活安定,思想活跃,高质量的研究成果层出不穷。可以这样说,那里集中了有史以来最多的有数学和物理头脑的人才。

        1930年冯·诺依曼和玛丽达·柯维斯结婚。1935年他们的女儿玛丽娜出生在普林斯顿。冯·诺依曼家里常常举办时间持续很长的社交聚会,这是远近皆知的。1937年冯·诺依曼与妻子离婚,1938年又与克拉拉·丹结婚,并一起回到普林斯顿。丹随冯·诺依曼学数学,后来成为优秀的程序编制家。与克拉拉婚后,冯·诺依曼的家仍是科学家聚会的场所,还是那样殷勤好客,在那里人人都会感到一种聪慧的气氛。


冯诺依曼和妻子克拉拉

        二次大战欧洲战事爆发后,冯·诺依曼的活动超越了普林斯顿,参与了同反法西斯战争有关的多项科学研究计划。1943年起他成了制造原子弹的顾问,战后仍在政府诸多部门和委员会中任职。1954年又成为美国原子能委员会成员。

        冯·诺依曼的多年老友,原子能委员会主席斯特劳斯曾对他作过这样的评价:从他被任命到1955年深秋,冯·诺依曼干得很漂亮。他有一种使人望尘莫及的能力,最困难的问题到他手里都会被分解成一件件看起来十分简单的事情,用这种办法,他大大地促进了原子能委员会的工作。

        冯·诺依曼的健康状况一直很好,可是由于工作繁忙,到1954年他开始感到十分疲劳。

        1955年的夏天,X射线检查出他患有癌症,但他还是不停的工作,病势扩展。后来他被安置在轮椅上,继续思考、演说及参加会议。长期而无情的疾病折磨着他,慢慢地终止了他所有的活动。1956年4月,他进入华盛顿的沃尔特·里德医院,1957年2月8日在医院逝世,享年53岁。


艾森豪威尔为冯·诺依曼颁奖

个人成就

        冯·诺伊曼是二十世纪最重要的数学家之一,在纯粹数学和应用数学方面都有杰出的贡献。他的工作大致可以分为两个时期:1940年以前,主要是纯粹数学的研究: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、格论和连续几何学方面也有开创性的贡献;从1936~1943年,他和默里合作,创造了算子环理论,即所谓的冯·诺伊曼代数。

        1940年以后,冯·诺伊曼转向应用数学。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·诺伊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(又称对策论)中的经典著作,使他成为数理经济学的奠基人之一。

        冯·诺伊曼对世界上第一台电子计算机ENIAC(电子数字积分计算机)的设计提出过建议,1945年3月他在共同讨论的基础上起草了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”--EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer的缩写)。这对后来计算机的设计有决定性的影响,特别是确定计算机的结构,采用存储程序以及二进制编码等,至今仍为电子计算机设计者所遵循。

        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的数值计算,后来着重研究非线性微分方程的离散化以及稳定问题,并给出误差的估计。他协助发展了一些算法,特别是蒙特卡罗方法。

        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·诺伊曼的主要著作收集在《冯·诺伊曼全集》(6卷,1961)中。

        无论在纯粹数学还是在应用数学研究方面,冯·诺依曼都显示了卓越的才能,取得了众多影响深远的重大成果。不断变换研究主题,常常在几种学科交叉渗透中获得成就是他的特色。

        简单来说他的精髓贡献是两点:2进制思想与程序内存思想。

        冯·诺依曼对人类的最大贡献是对计算机科学、计算机技术、数值分析和经济学中的博弈论的开拓性工作。

主要著作

        《经典力学的算子方法》

        《量子力学的数学基础》(1932年)

        冯·诺依曼逝世后,未完成的手稿于1958年以《计算机与人脑》为名出版。他的主要著作收集在六卷《冯·诺依曼全集》中,1961年出版。

        另外,冯·诺依曼40年代出版的著作《博弈论和经济行为》(与摩根斯顿合著),使他在经济学和决策科学领域竖起了一块丰碑。他被经济学家公认为博弈论之父。当时年轻的约翰·纳什在普林斯顿求学期间开始研究发展这一领域,并在1994年凭借对博弈论的突出贡献获得了诺贝尔经济学奖。

        《程序内存》是诺伊曼的另一杰作。通过对ENIAC的考察,诺伊曼敏锐地抓住了它的最大弱点--没有真正的存储器。ENIAC只在20个暂存器,它的程序是外插型的,指令存储在计算机的其他电路中。这样,解题之前,必需先想好所需的全部指令,通过手工把相应的电路联通。这种准备工作要花几小时甚至几天时间,而计算本身只需几分钟。计算的高速与程序的手工存在着很大的矛盾。

        针对这个问题,诺伊曼提出了程序内存的思想:把运算程序存在机器的存储器中,程序设计员只需要在存储器中寻找运算指令,机器就会自行计算,这样,就不必每个问题都重新编程,从而大大加快了运算进程。这一思想标志着自动运算的实现,标志着电子计算机的成熟,已成为电子计算机设计的基本原则。

        1946年7,8月间,冯·诺依曼和戈尔德斯廷、勃克斯在ENIAC方案的基础上,为普林斯顿大学高级研究所研制IAS计算机时,又提出了一个更加完善的设计报告《电子计算机逻辑设计初探》.以上两份既有理论又有具体设计的文件,首次在全世界掀起了一股“计算机热”,它们的综合设计思想,便是著名的“冯·诺依曼机”,其中心就是有存储程序原则--指令和数据一起存储(存储机)。这个概念被誉为“计算机发展史上的一个里程碑”。它标志着电子计算机时代的真正开始,指导着以后的计算机设计。自然一切事物总是在发展着的,随着科学技术的进步,今天人们又认识到“冯·诺依曼机”的不足,它妨碍着计算机速度的进一步提高,而提出了“非冯·诺依曼机”的设想。

        冯·诺依曼还积极参与了推广应用计算机的工作,对如何编制程序及搞数值计算都作出了杰出的贡献。冯·诺依曼于1937年获美国数学会的波策奖;1938年获得博谢纪念奖;1947年获美国总统的功勋奖章、美国海军优秀公民服务奖;1956年获美国总统的自由奖章和费米奖。

社会评价

认知能力

        Hans Bethe(诺贝尔奖物理学获得者):I have sometimes wondered whether a brain like von Neumann's does not indicate a species superior to that of man.(我有时在思考冯诺伊曼这样的大脑是否暗示着存在比人类更高级的生物物种。)

        David Blackwell:He was a really remarkable man.He listened to me talk about this rather obscure subject and in ten minutes he knew more about it than I did.He was extremely quick.(他是个出类拔萃的人,我给他大概地讲了一下我最近研究的课题,在十分钟之后他已经比我知道的更多了。他的思维真的是异常的敏捷。)

        George Pólya:The only student of mine I was ever intimidated by. He was so quick.There was a seminar for advanced students in Zürich that I was teaching and von Neumann was in the class. I came to a certain theorem, and I said it is not proved and it may be difficult. Von Neumann didn't say anything but after five minutes he raised his hand. When I called on him he went to the blackboard and proceeded to write down the proof.After that I was afraid of von Neumann.(他是唯一的令我感到自己的教师地位受到威胁的学生,他实在是太敏锐了.有一次我在苏黎世为研究生们作演讲,当时冯诺依曼也在听课,我提出了一个悬而未决的问题,过了5分钟冯诺依曼举起了手,当我叫他的时候他径直走到了讲台前,写下了此问题的证明,自此之后我对冯诺依曼感到畏惧。)

        Eugene Wigner(诺贝尔物理学奖获得者):他很有幽默感,因他这种讲故事和笑话的能力很受人即使是陌生人的喜爱,他可以在必要的时候变得简单快乐,但绝不轻浮愚蠢。冯诺依曼这种非凡的大脑需要理解大部分像我们一样的人不想去理解的甚至不奢求理解的东西。这个事实影响了冯诺依曼的道德判断,只有在科学上的错误和不和谐的地方会让他感到愤怒或者遗憾,在任何人犯了科学上面的错误时,他都会毫不犹豫地纠正别人的错误。

        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。

成就评价

        Miklós Rédei:It seems fair to say that if the influence of a scientist is interpreted broadly enough to include impact on fields beyond scienceproper, then John von Neumann was probably the most influentialmathematician who ever lived.(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。)

        Glimmhe is regarded as one of the giants of modern mathematics.(他被普遍认为是现代数学的一位巨人。)

        Jean Dieudonnéthe last of the great mathematician.(最后一位杰出数学家。)

        Peter Lax:20世纪最具科学头脑的人。


冯·诺依曼之墓
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