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約翰·馮·諾伊曼

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1.馮·諾伊曼生平簡介

馮·諾伊曼是一位匈牙利─美國數(shù)學家。生于匈牙利布達佩斯,卒于美國華盛頓。父親是猶太血統(tǒng)銀行家。他從小就顯露出數(shù)學才能,他是一個數(shù)字神童,11歲時已顯示出數(shù)學天賦。12歲的諾伊曼就對集合論,泛函分析等深奧的數(shù)學領域了如指掌。早年在柏林大學(Free Universit?t Berlin)和蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學學習化學,1926年取得化學工程師的資格。在此期間他自學數(shù)學,受到希爾伯特和外爾等數(shù)學家的影響。1926年獲得博士學位。先后在柏林大學和漢堡大學任職。1930年應聘到普林斯頓大學任教。1933年成為普林斯頓高等研究院第一批終身教授,那時,他還不到30歲。第二次世界大戰(zhàn)期間,擔任制造原子彈的顧問,并參與電子計算器的研制工作。1954年成為美國原子能委員會委員并移居華盛頓。 馮?諾伊曼是20世紀最杰出的數(shù)學家之一,于1945年提出了“程序內(nèi)存式”計算機的設計思想。這一卓越的思想為電子計算機的邏輯結(jié)構(gòu)設計奠定了基礎,已成為計算機設計的基本原則。由于他在計算機邏輯結(jié)構(gòu)設計上的偉大貢獻,他被譽為“計算機之父”。

2.在數(shù)學領域的卓越貢獻

馮·諾伊曼是20世紀最杰出的數(shù)學家之一,他在純粹數(shù)學和應用數(shù)學方面都有卓越的貢獻。20世紀40年代以前,他主要研究純粹數(shù)學,在集合論、測度論、群論及算子理論等方面做出貢獻。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)理論為量子力學奠定了數(shù)學基礎。這一時期的代表作是《量子力學的數(shù)學基礎》。1940年以后他轉(zhuǎn)向應用數(shù)學,在力學、經(jīng)濟學、數(shù)值分析和電子計算器方面都有重要貢獻。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動,建立沖擊波理論和湍流理論,他對非線性雙曲型(無粘流體方程)引人人工粘性項的差分方法已成為現(xiàn)代流體計算的主導方法。這些工作發(fā)展了流體力學。他為原子彈的設計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)學家烏拉姆提出蒙特卡羅法,開創(chuàng)統(tǒng)計模擬方法。1944年參與了世界上第一臺電子計算器的設計,后來又陸續(xù)研究更完善的計算器,如1995年提出離散變量電子計算機(EDVAC)的設計方案等。

3.研制電子計算機

諾伊曼不僅是個數(shù)學天才,在其它領域也大有建樹。他精通七種語言,在化學方面也有相當?shù)脑煸?,曾獲蘇黎世高等技術學院化學系大學學位。更為難得的是,他并不僅僅局限于純數(shù)學上的研究,而是把數(shù)學應用到其它學科中去。他對經(jīng)典力學、量子力學和流體力學的數(shù)學基礎進行過深入的研究,并獲得重大成果,這些都說明諾伊曼具備了堅實的數(shù)理基礎,和廣博的知識,為他后來從事計算機邏輯設計提供了堅強的后盾。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算。在對原子核反應過程的研究中,要對一個反應的傳播做出“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)學運算和邏輯指令,盡管最終的數(shù)據(jù)并不要求十分精確,但所有的中間運算過程均不可缺少,且要盡可能保持準確。他所在的洛?斯阿拉莫斯實驗室為此聘用了一百多名女計算員,利用臺式計算機從早到晚計算,還是遠遠不能滿足需要。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。

被計算機所困擾的諾伊曼在一次極為偶然的機會中知道了ENIAC計算機的研制計劃,從此他投身到計算機研制這一宏偉的事業(yè)中,建立了一生中最大的豐功偉績。1944年夏的一天,正在火車站候車的諾伊曼巧遇戈爾斯坦,并同他進行了短暫的交談。當時,戈爾斯坦是美國彈道實驗室的軍方負責人,他正參與ENIAC計算機的研制工作。在交談在,戈爾斯坦告訴了諾伊曼有關ENIAC的研制情況。具有遠見卓識的諾伊曼為這一研制計劃所吸引,他意識到了這項工作的深遠意義。幾天之后,諾伊曼專程來到莫爾學院,參觀了尚未竣工的這臺龐大的機器,并以其敏銳的眼光,一下子抓住了計算機的靈魂--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工作中對計算的需要以及把數(shù)學應用到其它科學問題的強烈愿望,使諾伊曼迅速決定投身到計算機研制者的行列。對業(yè)已功成名就的諾伊曼來說,這樣做需要極大的勇氣,因為這是一個成敗未卜的新征途,一旦失敗,會影響他已取得的名譽和地位。諾伊曼卻以對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月加入莫爾計算機研制小組,為計算機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,集眾人之長,提出了一系列優(yōu)秀的設計思想,在他和莫爾小組其它成員的共同努力下,只經(jīng)歷了短短的十個月,人類在數(shù)千年中積累起來的科學技術文明,終于結(jié)出了最激動人心的智慧之花——一個全新的存儲程序通用電子計算機方案(EDVAC方案)誕生了。諾伊曼以“關于EDVAC的報告草案”為題,起草了長達101頁的總結(jié)報告。報告廣泛而具體地介紹了制造電子計算機和程序設計的新思想。報告明確規(guī)定,EDVAC計算機由計算器、邏輯控制裝置、存儲器、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系。這份報告是計算機發(fā)展史上一個劃時代的文獻,它向世界宣告:電子計算機的時代開始了。

1954年6月,諾伊曼到美國普林斯頓高級研究所工作,出任ISA計算機研制小組的主任職位。在那時,他提出了更加完善的設計報告“電子計算裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探”。報告中,諾伊曼對EDVAC中的兩大設計思想作了進一步的論證,為計算機的設計樹立了一座里程碑。設計思想之一是二進制,他根據(jù)電子組件雙穩(wěn)工作的特點,建議在電子計算機中采用二進制。報告提到了二進制的優(yōu)點,并預言,二進制的采用將大簡化機器的邏輯線路。實踐證明了諾伊曼預言的正確性。如今,邏輯代數(shù)的應用已成為設計電子計算機的重要手段,在EDVAC中采用的主要邏輯線路也一直沿用著,只是對實現(xiàn)邏輯線路的工程方法和邏輯電路的分析方法作了改進。程序內(nèi)存是諾伊曼的另一杰作。通過對ENIAC的考察,諾伊曼敏銳地抓住了它的最大弱點--沒有真正的存儲器。ENIAC只在20個暫存器,它的程序是外插型的,指令存儲在計算機的其它電路中。這樣,解題之前,必需先相好所需的全部指令,通過手工把相應的電路聯(lián)通。這種準備工作要花幾小時甚至幾天時間,而計算本身只需幾分鐘。計算的高速與程序的手工存在著很大的矛盾。針對這個問題,諾伊曼提出了程序內(nèi)存的思想:把運算程序存在機器的存儲器中,程序設計員只需要云存儲器中尋找運算指令,機器就會自行計算,這樣,就不必每個問題都重新編程,從而大大加快了運算進程。這一思想標志著自動運算的實現(xiàn),標志著電子計算機的成熟,已成為電子計算機設計的基本原則。馮?諾伊曼為計算機的發(fā)展道路打通了一道道關卡。盡管長期以來,關于二進制的引入和程序內(nèi)存的發(fā)明權一直有爭議,但是,諾伊曼在計算機總體配置和邏輯設計上所做的卓越貢獻掀起了一次計算機熱潮。推動了電子計算機的發(fā)展。他無愧于“計算機之父”這一美稱。

4.對經(jīng)濟領域的貢獻

另一項重大成果是創(chuàng)立了對策論(GameTheory),并應用于經(jīng)濟領域,1944年與莫根施特恩(Morgensten)合著的《對策論與經(jīng)濟行為》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)與計算器的關系,未及完成而卒,以后以《計算器與人腦》刊行于世。其主要論著收集在《馮·諾伊曼全集》(6卷,1961)中。

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