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《江南大学学报》: 顾毓琇先生在科学技术上的创新

《江南大学学报》(人文社会科学版)2003年2月 第2卷第1期

顾毓琇先生在科学技术上的创新

 

杨慧中  方光辉  纪志成 

(江南大学通信与控制工程学院,江苏 无锡214036)

 


[摘 要] 顾毓琇先生在学术风格上独树一帜、标新立异,使他从早年崭露头脚的“四次方程通解”到获得被誉为国际电子与电工领域诺贝尔奖的“兰姆金奖”;他在学术态度上敢为人先、开拓创新,使他最早提出在中国研制计算机并与控制论的缔造者N·维纳一起开始实施,并由此对N·维纳创立控制论产生了一定的影响;他在学术精神上坚持探索、锐意进取,使他在数学、电机和现代控制理论领域贡献卓著,直至晚年还在非线性系统和混沌问题的研究方面屡有建树。 

 

[关键词] 顾毓琇;四次方程通解;兰姆金奖;非线性控制系统;计算机;创新 

 

[中图分类号] G 316 [文献标识码] A [文章编号]1671-6973(2003)01-0013-04

 


Contribution of Gu Yuxiu to science and technology 

 

YANG Hui-zhong,FANG Guang-hui,JI Zhi-cheng 

(School of Communication & Control Engineering,Southern Yangtze University,Wuxi 214036,China)

 

Abstract : This paper introduced the technical contributions of Gu Yuxiu. In academic field,he created a new school. He discovered the quartic general solution to become the recipient of the prestigious TEEE Lamme Medal. He was the first to propose a study of the computers in China and practice in person with Norbert Winener,which who was the founder of Cybernetics,which produced positive effects to found Cybernetics. He had made brilliant contribution in the areas of electrical motor,mathematics,and modern control theory. Until his later life,he had still had made achicvement in the areas of nonlinear control systems and the chaos problems time and again. 

 

Key words: Gu Yuxiu;the quartic general solution;IEEE Lame Medal 

 


 

一位传奇式的全才,集诸多殊荣于一身,被世人尊奉为楷模的当代硕学通儒、科坛巨擘顾毓琇先生,给我们后人留下了无数“惊其博学,服其卓识”[1]的感慨。“电机权威、教育专家、文坛耆宿、桂冠诗人、话剧先驱、古乐泰斗、爱国老翁”[2],这28 个字深刻地概括了他的一生风采。 

 

业精于理,学博于文。从清华求学8年出来的顾毓琇先生,博学多才,但选择了科学作为他终身的事业。早在美国留学期间,胡适之看到他的文艺作品,便曾笑劝他改学文学,但他说“我既选定了麻省理工大学,选定了电机工程,就决不改行”[3]。而他以后为科学作出的贡献也充分证明了他当初的选择是正确的,他的智慧和才干在科学领域得到了充分施展。今天,当我们回溯顾毓琇先生所走过的整整一个世纪的人生历程,研究他登上IEEE 学术顶峰的足迹,我们可以清晰地看到,叩开科学的神奇殿堂,成为一代传奇式的全才大师,除了他自身的聪慧天资、过人才干外,坚持探索、不随大流的独立人格,标新立异、破除陈规的批判精神,不拘陈见、富于变通的灵活态度,搏采众长、吸纳百川而又独树一帜的宽阔胸襟等,是他之所以能获得成功的独特精神品质。在他的一生中,独树一帜,开拓创新,锐意进取,追求卓越是他一贯的风格、精神和态度。

 

 一、标新立异,另辟蹊径——顾毓琇先生在数学和电机科学上的卓越成就

 

像许多有成就的科学家最初都从数学开始崭露头角一样,顾毓琇先生登上科坛高峰的历程也是从数学起步的。刚刚在麻省理工学院拿到学士学位的顾毓琇先生,在应用高阶微分方程的特征根研究电机瞬变时,常需要解高次代数方程。当时的基础数学还没有解决四次方程的直接公式解法,1926年2月顾毓琇先生经过刻苦的深入研究,在美国《数理杂志》上发表了《四次方程通解法》的论文,这是一项基础数学创造性突破性的成果,引起了MIT 的关注。直至现在,尽管后人对该“通解”又有了新的研究和补充,但目前用计算机求解方程的算法还是按照该“通解”的基本思想编程。 

 

二十世纪初叶的电机科学正处于萌芽时期,富有创新开拓精神的顾毓琇先生将“交流电机之瞬变分析”的电机学难题作为其博士论文,这为他日后成为电机发展史上公认的国际权威奠定了基础。电机的瞬变过程是个复杂过程,他运用海佛仙的“运算微积分”,通过拉普拉斯变换将微分方程变为代数方程来处理,同时又扩展应用这种方法,首先提出了将固定坐标移动至转动坐标,从而找到了一种更简便的分析方法,解决了这一个较长时期未能解决的问题,成为电机学的一大突破[4]。正因为如此,他的这一运算方法被电机学界称为“顾氏变数”。他在担任通用电器公司( GEC) 顾问工程师期间,便用瞬变分析理论解决了芝加哥电厂1941 年的扩厂计划。七十多年过去了,在电机瞬变分析中运用坐标变换已成为一种普遍方法,在我们现在使用的大学教材中,还在引用顾毓琇先生的这一成果。此后,电机理论和技术的发展对20 世纪的人类文明起了巨大的推动作用。后人没有忘记顾毓琇先生在电机领域中的卓越贡献,1972年3月,国际电机及电子工程师协会( IEEE) 为表彰他在交流电机和系统瞬变分析方面的杰出贡献,颁赠他被誉为国际电子与电工领域的诺贝尔奖的兰姆金质奖章。2000 年,他又获国际电路及系统学会颁发的杰出成就奖——千禧奖。 

 

顾毓琇先生从提出“四次方程通解”、“顾氏变数”到成为国际公认的电机学权威,并获得兰姆金奖,决不仅仅是天资聪颖,更重要的是由于他思想活跃,不因循守旧,富于创造性和批判性,具有敢于标新立异、独树一帜的精神和追求。 

 

二、敢为人先,追求卓越———顾毓琇先生对中国计算机研究的开拓性贡献 


作为科学家的顾毓琇先生,国际上公认他的卓越建树主要在数学、电机和现代控制理论3个方面,并有许多文章认为他从五十年代开始,与美国科学家N·维纳等人开创了现代自动控制理论体系,被公认为该领域的国际先驱。[5]笔者无法找到这方面的具体材料,但却发现,最早提出引进模拟计算机、制订研制计算机的计划,并与N·维纳一起真正参与研究的是顾毓琇先生,而促成N·维纳提出完备的反馈理论,使他最后成为控制论创始人的重要因素之一,就是他这一段在清华大学与顾毓琇先生共事的经历。 

 

为了解决计算电机工程中经常遇到的二阶常微分方程问题,电子计算机制造的先驱者、模拟计算机(微分分析仪)的发明者、MIT 教授V·布什(V·Bush),从1927 年开始与哈森(H·Hezen)合作制造微分分析仪。解微分方程涉及到各种物理量和随时间与空间的变化率之间的关系。这些物理量可以是电流、电压、轴转动角度,或者其它不同的量。V·布什等利用逐次迭代法,同时使用了6个汤姆逊式积分仪,在1930 年制造出了世界上第一台模拟计算机,这是计算机发展的第一阶段。30年代是这种计算机风靡之时,它可以快速准确地解决电机工程计算问题。清华大学于1932 年建立起电机工程系,为了吸取世界科学技术发展的最新成果,作为清华大学工学院院长的顾毓琇先生,首先提出了引进模拟计算机、制订研制计算机的发展计划,足见顾毓琇先生的远见卓识。 

 

1935年8月至1936年6月,通过顾毓琇先生的MIT老同学李郁荣的联系,控制论的创始人、美国数学家N·维纳应邀来清华大学讲学,任清华大学数学系和电机系客座教授。“他在清华大学期间,为数学系讲授调和积分(傅立叶积分和级数理论),指导华罗庚和徐贤修合作完成了《关于傅立叶变换》一文;同时在电机系与李郁荣、顾毓琇一起进行改进布什模拟计算机的研究工作”。[6] 

 

当时的清华大学已成为中国最大的高等教育和科学研究中心之一,不仅聚集了许多优秀人才,而且已具备与美国哈佛大学和MIT一样的设备仪器和图书。据李郁荣在信中向N·维纳介绍,“清华工学院以拥有的设备和装置而自豪。数学系的图书馆与MIT的一样完善”。“物理系的图书馆要比哈佛大学的更加完善一些”[6]。由此可见,当时的清华大学确实具备研究计算机的条件。正当N·维纳准备来中国之时,工学院院长顾毓琇先生在1935年4月19日写信给N·维纳,请他转交一封信给V·布什教授,请求帮助清华制造一台小型积分器,希望N·维纳在来访期间能帮助安装好积分器,并希望告诉需要经费的数额。1935年5月26日,V·布什给顾毓琇先生回信,认为研制小型积分器工程的花费要超出他的想象,所以提出了两个建议:一是仿制一台光学积分器,费用较省,用途广泛;其二是与V·布什进行另一条路线的合作,研制一台求解非线性代数方程的机器,可以从事一些领先的工作。 

 

顾毓琇没有采纳V·布什的建议。N·维纳来清华后,在电机系与顾毓琇、李郁荣一起“步布什的后尘制造模拟计算机”[7],不过他们摈弃了V·布什的机械轴和积分器,采用电学电阻的方法求解联立方程,即以高速度的电子线路来代替和改进V·布什的低速度的机械传动装置。但是由于当时反馈控制理论尚未成熟,机器的平衡性、电路的稳定性问题不能很好地解决,再加研究经费的困难,未能制造出成型的计算机。但是通过这段时间的研究,对此后电子计算机的研究发展和N·维纳的控制论的诞生,起了极其重要的作用。1940年N·维纳曾向V·布什建议制造新型计算机的5项主要设计思想,未引起重视。1946年世界上第一台电子计算机研制成功,N·维纳说“我现在唯一能够感到满足的是,在证实我的想法的技术研究出来之前十年左右,我就已经是正确的了”[8]。这里的前十年正是N·维纳在清华与顾毓琇、李郁荣研究模拟计算机之时。而正是这项研究在技术上的挫折,使维纳由此而萌发建立一套完备的反馈理论,尔后成为创立控制论的起点。维纳后来在《控制论》(1949年)导言中说,后来事实上证明了这段工作的重要性。他对顾毓琇先生说:感谢你请我到清华大学,使我有一个整理自己思想的时机。他在自传《一个数学家的回忆》一书中写道:“作为一个数学家和一个自动控制学家的分界线,应当是1935 年在中国的时候”。[7] 

 

现在许多资料把我国的计算机研究的起始点确定为1952 年,有学者认为对这一结论至少应加补充。可以说,中国最早研究计算机始于上世纪30年代的清华大学,最早提出并领导实施研究计划的是顾毓琇先生,N·维纳创立的控制论与在中国最早研究计算机的经历有着密不可分的渊源关系。而顾毓琇先生的高瞻远瞩,锐意进取,敢为人先,追求卓越是他成为世界级大师的重要原因。 

 

三、锲而不舍,锐意进取——始终站在国际学术前沿的顾毓琇先生 


翻开顾毓琇先生的科学论文集,100多篇科学论文,洋洋大观。内容涉及数学、电机、自动控制理论,尤其是非线性系统的分析和控制等。根据论文发表的时间可以看出,顾毓琇先生的研究始终是在这些领域的国际学术前沿。 

 

1952年以后,他在继续电机分析理论研究的同时,又进入了非线性控制领域的研究,很早就提出了研究非线性问题的理论和方法。1958年他出版了《非线性控制系统》,那是关于非线性系统最早的一本专著,极受同行的重视,被誉为“为电机分析领域开拓了一个新纪元”[9]。1962年,他又出版了《非线性系统的分析与控制》(续)。在一次国际自动控制会议上,一位颇具声望的前苏联学者发表一篇论文,引述8篇参考文献,其中4篇是顾毓琇先生的论文。1962年,他与杜鲁宾合作发表论文,电机界从此即因其滤波器的发明而多了一个Ku - Drubin Filter 名词。 

 

对于非线性系统的分析和研究,一般认为是在80 年代以后才开始取得系列成果的。而提出用伏尔泰拉(Volterra) 函数描述的方法则被认为是90 年代后的事。但实际上,我们在顾毓琇先生的科学论文集中可以看到,他在50 年代发表的论文中就有相当数量的关于非线性系统的研究论文,例如,“多环非线性系统分析”(Analysis of Multi - Loop Nonlinear System),“非线性系统的稳定判据”(A Stability Criterion for Nonlinear System)。他在60年代发表的论文中,有多篇是关于用伏尔泰拉函数描述分析非线性的论文。例如,“非线性时变系统的伏尔泰拉函数分析”(Volterra Function Analysis of Nonlinear Time - Varying system) ,“带确定和随机输入非线性系统的伏尔泰拉函数分析”(Volterra Function Analysis of Nonlinear System with Deterministic and Stochastic Inputs)等。这些在当时代表前沿水平的论文,为后人在非线性系统的分析和控制领域取得新成果打下了基础。 

 

有人曾问顾毓琇先生,1950 年以后,他的生活发生了很大变化,从大学校长、政府官员之后,又到美国麻省理工学院和宾夕法尼亚大学这两所国际著名大学重新开始了科学研究和教授工作,并且很快又在电机分析和非线性控制理论方面取得了令人瞩目的成果,当时能适应那么大的变化吗? 他说:“不当官,就恢复了我本来的面目。我原来就是搞研究和教书的嘛。所以我很快就适应了环境的变化。但是,像我这样的人不多,许多人一旦不做官了就很难适应研究和教书工作了。”[4]实际上,顾毓琇先生始终保持着科学工作者的那种锲而不舍、坚持探索的精神。据清华大学电机系网页资料记载,在顾毓琇先生任电机系系主任和工学院院长期间,“当时建系不久,教学任务较重,但在科学研究方面,仍孜孜以求,先后发表科学论文共50 多篇。其中,顾毓琇14篇,如1935 年在中国工程师学会年会上宣读的《感应电动机之串联运行》,获该会论文第一奖,同年还发表了论文《同步机运算分析》,用运算微积法与双反应学说分析同步电机的运行状况。1937年,他在美国电机工程师学会会刊上发表了《双反应学说对多相同步机之应用》一文,进一步用上述两种方法分析了多相同步电机运行中的复杂问题”[10]。除此之外,他还出版了《中国科学化问题论文集》,翻译了《电工原理》等两本大学教材。 

 

锐意进取,锲而不舍,坚持探索,永葆激情,是顾毓琇先生在科学研究中的一贯态度。从顾先生的科学论文集中可以看到,最后的几篇论文是关于非线性系统的混沌问题研究,发表时间是在1989 – 1992年间。推算起来,是顾毓琇先生90 岁前后发表的研究论文。混沌是非线性动力学系统在一定条件下所表现的一种运动形式,混沌控制也是非线性科学应用的新研究领域。由于混沌控制在工程技术上的重大研究价值和极其诱人的应用前景,近年来混沌控制问题成了非线性科学研究的热点之一。顾毓琇先生在他的论文中,用多个详尽的计算机辅助图例,分析展示了多种非线性系统的混沌特性,讨论了混沌行为和它的利弊,得到了一些有用的结论。这样前沿的研究论文,出自90高龄的老人之手,没有丰厚的知识积累、广博的研究积纳,锐意进取、永葆激情的人生态度,是不可能的。他的这种精神确实值得我等晚辈敬佩和学习。 

 

当我们今天站在新世纪的门槛上,回眸世纪科学舞台上的璀璨群星,顾毓琇先生——无锡父老乡亲的骄傲,在世纪的星空中熠熠生辉。正是学术风格上的独树一帜、标新立异,学术精神上的敢为人先、开拓创新,学术态度上的坚持探索、锐意进取,造就了这位文理兼通,学贯中西,“能窥宇宙之奥,穷控制之妙”[11]的科坛巨擘。

 


[参考文献]

[1] 张首映. 顾毓琇及其《百龄自述》[J/OL]. 文娱,人民网,http://www.people.com.cn/GB/Wenyu/review/ 20010410.html. 

[2] 顾毓琇和他的儿女们[EB/OL]. 人物聚焦,会声龙脉网, http://www.hslmw.com/node2/node116/ node122/node176/index.html,2002-03-04.

[3] 陈贤章. 顾毓琇百年传奇(图文) [EB/OL].《周末》龙虎网,http://www.longhoo.net/j/ca137742.htm,2002-02-17. 

[4] 乔平. 中华人瑞道贯古今——访《顾毓琇全集》作者顾毓琇[N]. 辽宁日报,2001-02-07. 

[5] 双城. 顾毓琇年近百岁又获金奖[N]. 人民日报海外版,2000-02-2(1) . 

[6] 魏宏森. N·维纳在清华大学与中国最早计算机研究[J]. 中国科技史料,2001,22(3):225-233. 

[7] N·维纳. 控制论[M]. 郝季仁译. 北京:科学出版社,1962. 

[9] 伊铭. “两岸先生”顾毓琇[J/OL]. 凤凰周刊,第88期. http/ / www. phoenixtv.com.cn/home/phoenixweekly/88/68huaren.html. 

[10] 建系初期(1932~1037) [EB/OL]. 清华电机系网页http :/ / www. eea. tsinghua.edu.cn. 

[11] 著名的学者可敬的师长[EB/OL]. 世界华人名人录,2002,7. http/ / www. whoswhochinese.com/wsw07/guyuxiu.html.

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