約翰·馮·諾伊曼
目錄
1.馮·諾伊曼生平簡(jiǎn)介
馮·諾伊曼是一位匈牙利─美國(guó)數(shù)學(xué)家。生于匈牙利布達(dá)佩斯,卒于美國(guó)華盛頓。父親是猶太血統(tǒng)銀行家。他從小就顯露出數(shù)學(xué)才能,他是一個(gè)數(shù)字神童,11歲時(shí)已顯示出數(shù)學(xué)天賦。12歲的諾伊曼就對(duì)集合論,泛函分析等深?yuàn)W的數(shù)學(xué)領(lǐng)域了如指掌。早年在柏林大學(xué)(Free Universit?t Berlin)和蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)化學(xué),1926年取得化學(xué)工程師的資格。在此期間他自學(xué)數(shù)學(xué),受到希爾伯特和外爾等數(shù)學(xué)家的影響。1926年獲得博士學(xué)位。先后在柏林大學(xué)和漢堡大學(xué)任職。1930年應(yīng)聘到普林斯頓大學(xué)任教。1933年成為普林斯頓高等研究院第一批終身教授,那時(shí),他還不到30歲。第二次世界大戰(zhàn)期間,擔(dān)任制造原子彈的顧問,并參與電子計(jì)算器的研制工作。1954年成為美國(guó)原子能委員會(huì)委員并移居華盛頓。 馮?諾伊曼是20世紀(jì)最杰出的數(shù)學(xué)家之一,于1945年提出了“程序內(nèi)存式”計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想。這一卓越的思想為電子計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ),已成為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的基本原則。由于他在計(jì)算機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的偉大貢獻(xiàn),他被譽(yù)為“計(jì)算機(jī)之父”。
2.在數(shù)學(xué)領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)
馮·諾伊曼是20世紀(jì)最杰出的數(shù)學(xué)家之一,他在純粹數(shù)學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)方面都有卓越的貢獻(xiàn)。20世紀(jì)40年代以前,他主要研究純粹數(shù)學(xué),在集合論、測(cè)度論、群論及算子理論等方面做出貢獻(xiàn)。特別是在1933年解決了希爾伯特第5問題。他建立的算子環(huán)理論為量子力學(xué)奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。這一時(shí)期的代表作是《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》。1940年以后他轉(zhuǎn)向應(yīng)用數(shù)學(xué),在力學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、數(shù)值分析和電子計(jì)算器方面都有重要貢獻(xiàn)。第二次世界大戰(zhàn)開始后,馮.諾伊曼因戰(zhàn)事需要研究可壓縮氣體運(yùn)動(dòng),建立沖擊波理論和湍流理論,他對(duì)非線性雙曲型(無粘流體方程)引人人工粘性項(xiàng)的差分方法已成為現(xiàn)代流體計(jì)算的主導(dǎo)方法。這些工作發(fā)展了流體力學(xué)。他為原子彈的設(shè)計(jì)方案提出許多重要建議,在研制原子彈的過程中,他與波蘭數(shù)學(xué)家烏拉姆提出蒙特卡羅法,開創(chuàng)統(tǒng)計(jì)模擬方法。1944年參與了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算器的設(shè)計(jì),后來又陸續(xù)研究更完善的計(jì)算器,如1995年提出離散變量電子計(jì)算機(jī)(EDVAC)的設(shè)計(jì)方案等。
3.研制電子計(jì)算機(jī)
諾伊曼不僅是個(gè)數(shù)學(xué)天才,在其它領(lǐng)域也大有建樹。他精通七種語言,在化學(xué)方面也有相當(dāng)?shù)脑煸?,曾獲蘇黎世高等技術(shù)學(xué)院化學(xué)系大學(xué)學(xué)位。更為難得的是,他并不僅僅局限于純數(shù)學(xué)上的研究,而是把數(shù)學(xué)應(yīng)用到其它學(xué)科中去。他對(duì)經(jīng)典力學(xué)、量子力學(xué)和流體力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)行過深入的研究,并獲得重大成果,這些都說明諾伊曼具備了堅(jiān)實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ),和廣博的知識(shí),為他后來從事計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)強(qiáng)的后盾。1944年,諾伊曼參加原子彈的研制工作,該工作涉及到極為困難的計(jì)算。在對(duì)原子核反應(yīng)過程的研究中,要對(duì)一個(gè)反應(yīng)的傳播做出“是”或“否”的回答。解決這一問題通常需要通過幾十億次的數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯指令,盡管最終的數(shù)據(jù)并不要求十分精確,但所有的中間運(yùn)算過程均不可缺少,且要盡可能保持準(zhǔn)確。他所在的洛?斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室為此聘用了一百多名女計(jì)算員,利用臺(tái)式計(jì)算機(jī)從早到晚計(jì)算,還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。無窮無盡的數(shù)字和邏輯指令如同沙漠一樣把人的智慧和精力吸盡。
被計(jì)算機(jī)所困擾的諾伊曼在一次極為偶然的機(jī)會(huì)中知道了ENIAC計(jì)算機(jī)的研制計(jì)劃,從此他投身到計(jì)算機(jī)研制這一宏偉的事業(yè)中,建立了一生中最大的豐功偉績(jī)。1944年夏的一天,正在火車站候車的諾伊曼巧遇戈?duì)査固?,并同他進(jìn)行了短暫的交談。當(dāng)時(shí),戈?duì)査固故敲绹?guó)彈道實(shí)驗(yàn)室的軍方負(fù)責(zé)人,他正參與ENIAC計(jì)算機(jī)的研制工作。在交談在,戈?duì)査固垢嬖V了諾伊曼有關(guān)ENIAC的研制情況。具有遠(yuǎn)見卓識(shí)的諾伊曼為這一研制計(jì)劃所吸引,他意識(shí)到了這項(xiàng)工作的深遠(yuǎn)意義。幾天之后,諾伊曼專程來到莫爾學(xué)院,參觀了尚未竣工的這臺(tái)龐大的機(jī)器,并以其敏銳的眼光,一下子抓住了計(jì)算機(jī)的靈魂--邏輯結(jié)構(gòu)問題,令年輕的ENIAC的研制們敬佩不已。因?qū)嶋H工作中對(duì)計(jì)算的需要以及把數(shù)學(xué)應(yīng)用到其它科學(xué)問題的強(qiáng)烈愿望,使諾伊曼迅速?zèng)Q定投身到計(jì)算機(jī)研制者的行列。對(duì)業(yè)已功成名就的諾伊曼來說,這樣做需要極大的勇氣,因?yàn)檫@是一個(gè)成敗未卜的新征途,一旦失敗,會(huì)影響他已取得的名譽(yù)和地位。諾伊曼卻以對(duì)新事物前途的洞察力,毅然決然地向此征途邁出了第一步,于1944年8月加入莫爾計(jì)算機(jī)研制小組,為計(jì)算機(jī)研制翻開了輝煌的一頁。
諾伊曼以其非凡的分析、綜合能力及雄厚的數(shù)理基礎(chǔ),集眾人之長(zhǎng),提出了一系列優(yōu)秀的設(shè)計(jì)思想,在他和莫爾小組其它成員的共同努力下,只經(jīng)歷了短短的十個(gè)月,人類在數(shù)千年中積累起來的科學(xué)技術(shù)文明,終于結(jié)出了最激動(dòng)人心的智慧之花——一個(gè)全新的存儲(chǔ)程序通用電子計(jì)算機(jī)方案(EDVAC方案)誕生了。諾伊曼以“關(guān)于EDVAC的報(bào)告草案”為題,起草了長(zhǎng)達(dá)101頁的總結(jié)報(bào)告。報(bào)告廣泛而具體地介紹了制造電子計(jì)算機(jī)和程序設(shè)計(jì)的新思想。報(bào)告明確規(guī)定,EDVAC計(jì)算機(jī)由計(jì)算器、邏輯控制裝置、存儲(chǔ)器、輸入和輸出五大部分組成,并闡述了這五大部分的職能和相互關(guān)系。這份報(bào)告是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上一個(gè)劃時(shí)代的文獻(xiàn),它向世界宣告:電子計(jì)算機(jī)的時(shí)代開始了。
1954年6月,諾伊曼到美國(guó)普林斯頓高級(jí)研究所工作,出任ISA計(jì)算機(jī)研制小組的主任職位。在那時(shí),他提出了更加完善的設(shè)計(jì)報(bào)告“電子計(jì)算裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探”。報(bào)告中,諾伊曼對(duì)EDVAC中的兩大設(shè)計(jì)思想作了進(jìn)一步的論證,為計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)樹立了一座里程碑。設(shè)計(jì)思想之一是二進(jìn)制,他根據(jù)電子組件雙穩(wěn)工作的特點(diǎn),建議在電子計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制。報(bào)告提到了二進(jìn)制的優(yōu)點(diǎn),并預(yù)言,二進(jìn)制的采用將大簡(jiǎn)化機(jī)器的邏輯線路。實(shí)踐證明了諾伊曼預(yù)言的正確性。如今,邏輯代數(shù)的應(yīng)用已成為設(shè)計(jì)電子計(jì)算機(jī)的重要手段,在EDVAC中采用的主要邏輯線路也一直沿用著,只是對(duì)實(shí)現(xiàn)邏輯線路的工程方法和邏輯電路的分析方法作了改進(jìn)。程序內(nèi)存是諾伊曼的另一杰作。通過對(duì)ENIAC的考察,諾伊曼敏銳地抓住了它的最大弱點(diǎn)--沒有真正的存儲(chǔ)器。ENIAC只在20個(gè)暫存器,它的程序是外插型的,指令存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的其它電路中。這樣,解題之前,必需先相好所需的全部指令,通過手工把相應(yīng)的電路聯(lián)通。這種準(zhǔn)備工作要花幾小時(shí)甚至幾天時(shí)間,而計(jì)算本身只需幾分鐘。計(jì)算的高速與程序的手工存在著很大的矛盾。針對(duì)這個(gè)問題,諾伊曼提出了程序內(nèi)存的思想:把運(yùn)算程序存在機(jī)器的存儲(chǔ)器中,程序設(shè)計(jì)員只需要云存儲(chǔ)器中尋找運(yùn)算指令,機(jī)器就會(huì)自行計(jì)算,這樣,就不必每個(gè)問題都重新編程,從而大大加快了運(yùn)算進(jìn)程。這一思想標(biāo)志著自動(dòng)運(yùn)算的實(shí)現(xiàn),標(biāo)志著電子計(jì)算機(jī)的成熟,已成為電子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的基本原則。馮?諾伊曼為計(jì)算機(jī)的發(fā)展道路打通了一道道關(guān)卡。盡管長(zhǎng)期以來,關(guān)于二進(jìn)制的引入和程序內(nèi)存的發(fā)明權(quán)一直有爭(zhēng)議,但是,諾伊曼在計(jì)算機(jī)總體配置和邏輯設(shè)計(jì)上所做的卓越貢獻(xiàn)掀起了一次計(jì)算機(jī)熱潮。推動(dòng)了電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。他無愧于“計(jì)算機(jī)之父”這一美稱。
4.對(duì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)
另一項(xiàng)重大成果是創(chuàng)立了對(duì)策論(GameTheory),并應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域,1944年與莫根施特恩(Morgensten)合著的《對(duì)策論與經(jīng)濟(jì)行為》已成為經(jīng)典著作。他在病危的情形下,還研究人的神經(jīng)系統(tǒng)與計(jì)算器的關(guān)系,未及完成而卒,以后以《計(jì)算器與人腦》刊行于世。其主要論著收集在《馮·諾伊曼全集》(6卷,1961)中。