冯诺伊曼

(1903-1957)计算机之父

约翰·冯·诺伊曼(德语:John von Neumann,德语发音:[joːn.fɔn.ˈnɔɪ̯man],英语发音:/dʒɒn.vɒn.ˈnɔɪmən/,1903年12月28日-1957年2月8日),原名诺依曼·亚诺什·拉约什(匈牙利语:Neumann János Lajos,匈牙利语发音:[ˈnɒjmɒn ˈjaːnoʃ ˈlɒjoʃ]),出生于匈牙利的美国籍犹太人数学家,理论计算机科学与博弈论的奠基者,在泛函分析、遍历理论、几何学、拓扑学和数值分析等众多数学领域及计算机科学、量子力学和经济学中都有重大贡献。

冯·诺伊曼从小就以过人的智力与记忆力而闻名。冯·诺伊曼一生中发表了大约150篇论文,其中有60篇纯数学论文,20篇物理学以及60篇应用数学论文。他最后的作品是一个在医院未完成的手稿,后来以书名《计算机与人脑(英语:The Computer and the Brain)》发布,表现了他生命最后时光的兴趣方向。他先后任职于美国普林斯顿大学、美国普林斯顿高等研究院等机构。

“诺依曼”和“诺伊曼”2种同音不同字的德音汉语译名写法都比较常见。另外也有资料采用其英音汉语译名“冯纽曼”。

生平

冯·诺伊曼出生在布达佩斯富裕的犹太家庭,是诺依曼·米克萨(Neumann Miksa)和坎恩·玛吉特(Kann Margit)的3个孩子中最大的一个。他小时候外号“扬奇”("Jancsi",即"János"的昵称),当时已经显出惊人的记忆力。他6岁时已能用古希腊语同父亲闲谈,还可以心算8位数除法,8岁时自学微积分学。年少时的他不但对数学很有兴趣,亦喜欢阅读历史和社会方面的书籍,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,他的父亲马克斯·诺伊曼被授予世袭贵族头衔,这样在德国他的后代可以以“冯·诺伊曼”为姓,冯·诺伊曼晋身贵族。约翰加上头衔后的全名成为"Margittai Neumann János"。后来约翰把名字改成德语名"Johann von Neumann"。其名"John"(约翰)意为“主是仁慈的”,姓氏中的"von"是德语介词,而"Neumann"意为"neu"(new)+"Mann"(man),即“新人”。

1926年,冯·诺伊曼以22岁的年龄获得了布达佩斯大学数学博士学位,相继在柏林洪堡大学和汉堡大学担任数学讲师。

1930年,冯·诺伊曼接受了普林斯顿大学客座教授的职位。初到美国时,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,冯·诺伊曼成为普林斯顿大学终身教授。1933年转入普林斯顿高等研究院,与爱因斯坦等人成为该院最初的四位教授之一,不须上课。这一年,他部分解决了希尔伯特第五问题,证明了局部欧几里得紧群是李群。1937年成为美国公民,1938年获博修奖。

1954年,冯·诺伊曼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。晚年,有学生请教他做事的方法,他说:“简单(simple)。”

1957年2月8日,冯·诺伊曼在华盛顿瓦尔特·立德军医中心(英语:Walter Reed Army Medical Center)去世,享年53岁。他死后葬于新泽西州默瑟县的普林斯顿公墓 (Princeton Cemetery)。

学术成就

数学

集合论

遍历论

遍历论主要涉及动态系统和不变测度(英语:invariant measure)。1932年,冯诺依曼发表了一系列有关遍历论的论文,为遍历论的理论基础做出了贡献。保罗·哈尔莫斯在1932年的一篇遍历论文章中指出“假使冯诺依曼在其它领域没有成就,光这些也足以让他在数学史上留下不朽之名”("if von Neumann had never done anything else, they would have been sufficient to guarantee him mathematical immortality")。冯诺依曼当时已完成了涉及算子理论(英语:operator theory)的著名论文,并将其成果用作证明冯诺依曼平均遍历定理的工具。

算子理论

冯诺依曼在“冯诺依曼代数”中提出了“算子环”的概念。冯诺依曼代数是一种定义于希尔伯特空间的有界算子的星代数(英语:*-algebra),近似于弱算子拓扑,且包含有恒等算子。以他命名的冯诺依曼二重交换元定理(von Neumann bicommutant theorem)表明弱算子拓扑中闭包的分析学定义会与其二重交换元(英语:bicommutant)所成集合的纯代数学定义等价。自1936年起,冯诺依曼开始研究冯诺依曼代数中的因子分类,期间还与弗朗西斯·穆瑞(Francis Joseph Murray)有过部分合作。1936年至1940年,他发表了6篇有代表性的论文,“位列20世纪分析学杰作名录”("rank among the masterpieces of analysis in the twentieth century")。1949年,冯诺依曼又提出了直积分(英语:direct integral)的概念。

测度论

测度论的目的是为各种不规则物体的长度、面积、体积等概念建立严格化的理论基础,并将其推广到比欧几里德空间更抽象的空间中。20世纪初,有关测度论的研究发展迅速,但各种特定的测度理论都存在一些不够尽善尽美的地方。从若尔当测度到勒贝格测度,新出现的测度论一个比一个的适用范围更广,以往理论中被认为是不可测的集合变得越来越少。但是一直没有找出一个测度理论能保证任何集合在其测度标准下都可测。在测度论中,n维欧几里德空间R上的“测度问题”(problem of measure)可粗率地表述为“是否存在一个可从R的任意子集映射到实数集的正定(即取值非负)、规范(normalized)、不变与加性(additive)的集合映射?”费利克斯·豪斯多夫与斯特藩·巴拿赫的工作成果暗示此测度问题当n = 1或n = 2时是存在满足要求的方案的,但对于所有其它情形则不存在可取方案(因为巴拿赫-塔斯基悖论的存在)。冯诺伊曼的工作则指出“问题本质在于相关的群的性质”:判断此种测度的存在性可通过考察相关空间中变换群的性质而得出。空间维度数不超过2时此问题的可解性和维度数更高时此问题的不可解性,都来源于欧几里德群仅在空间维度数不超过2时才是可解群这一性质。“由此,冯诺伊曼说,引起不同情形下之差异的根源是群的改变,而不是空间的改变。”

几何学

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(比镜像对称的含义更广)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:

计算机

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5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。

经济学

在经济学领域,1944年冯·诺伊曼与奥斯卡·摩根斯腾合著的名作《博弈论与经济行为》出版,标志着现代系统博弈理论的初步形成。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。

作品与著作

认知与记忆能力

冯·诺伊曼有着过目不忘的记忆。赫尔曼·古达斯汀(Herman Goldstine)写下:“他的一个出众能力是他绝对精准的回忆。就我所知,冯·诺伊曼能够仅仅读过一次某段文字,接着一字不差地背诵出来,甚至在多年之后也可以流畅做到。他还可以将原本的语言翻译成英语,速度丝毫不减。有一次我想测试他的能力于是问他双城记是如何开始的。接着他没有任何停顿,他立即背诵起第一章,一直到十分钟后我要他停止才停止。”

若尔福·兰兹霍夫(Rolf Landshoff)曾回忆,有一次冯诺依曼、恩里科·费米和理查德·费曼都在泰勒的办公室一起讨论和计算问题。他们每隔几分钟就会暂停讨论并开始一轮计算。费米使用计算尺,费曼使用手摇式计算机,而冯诺依曼只凭心算。冯诺依曼几乎能在相差不大的时间内得到与其他二人相似的计算结果。

私人生活

冯诺伊曼有着广泛的文化兴趣。6岁时,他能流利地使用拉丁文和古希腊文,他对古代历史抱着终身的热情。

冯诺伊曼有不善于处理人际关系的一面,后来有所改变。他不会与情绪偏颇或政治观点自负的人争辩,他觉得争论并不能说服对方改变观点,即使是规劝也容易引起对方厌烦。他内心是个悲观主义者,但是他脾气好,平时爱对人笑,不喜欢与别人过不去,不爱结交愁眉苦脸的人。

冯诺伊曼在美国交情最深厚的朋友是斯塔尼斯拉夫·乌拉姆。乌拉姆的朋友技安卡罗罗塔写道“他们会花好几个小时谈笑聊八卦,交换犹太笑话,时常在其中穿插数学话题。”除了乌拉姆以外,冯诺依曼也与恩里科·费米和理查德·费曼等有幽默感的学者关系很好。由于政治见解不合,他和想法相对单纯的爱因斯坦逐渐疏远。

冯诺依曼经常只睡很少的觉,但是仍然能够在剩余的约20个小时内保持精力。

婚姻

逸闻

名言

传记

评价

荣誉

1994年被授予美国国家基础科学奖。

有2个奖项以他为名:

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