《数学史》20世纪数学概观(II)(上)ppt课件.ppt

第第12 12章章20世纪数学概观(Ⅱ)空前发展的应用数学空前发展的应用数学 12.1 12.1 应用数学的新时代应用数学的新时代 数学的广泛渗透与应用，是它一贯的特点，但在数学史上，数学的应用在不同时期的发展是不平衡的． 18世纪是数学与力学紧密结合的时代；19世纪是纯粹数学形成的时代；20世纪则可以说既是纯粹数学的时代，又是应用数学的时代． 特别是20世纪40年代以后，数学以空前的广度与深度向其他科学技术和人类知识领域渗透，加上电子计算机的推助，应用数学的蓬勃发展已形成为当代数学的一股强大潮流．应用数学的这个新时代具有以下几方面的特点．  (1)数学的应用突破了传统的范围而向人类几乎所有的知识数学的应用突破了传统的范围而向人类几乎所有的知识领域渗透．领域渗透． 19世纪70、80年代，还是在现代数学发展的早期，恩格恩格斯斯曾经对数学应用的状况数学应用的状况作过这样的估计：“在固体力学中是绝对的，在气体力学中是近似的，在流体力学中已经比较困难了，在物理学中多半是尝试性的和相对的，在化学中是最简单的一次方程式，在生物学中等于零”． 从那以后经过一个多世纪的发展，可以看到恩格斯所描述的状况有了根本的改观．数学正在向包括从粒子物理到生命科学、从航空技术到地质勘探在内的一切科技领域进军． 数学在物理学中的应用经历了一系列激动人心的重大事件；现代化学为了描述化学过程已少不了微分方程和积分方程，并且有许多还是连数学家都感到棘手的非线性方程；生物学不用数学的时代也已一去不返． 除了自然科学，在经济学、社会学、历史学等社会科学部门中，数学方法的应用也在崭露头角．与以往时代不同的是，数学在向外渗透过程中越来越多地与其他领域相结合而形成一系列交叉学科，如数学物理、数理化学、生物数学、数理经济学、数学地质学、数理气象学、数理语言学、数理心理学、数学考古学，……等等，它们的数目还在增加．  (2)纯粹数学几乎所有的分支都获得了应用，其中最抽象纯粹数学几乎所有的分支都获得了应用，其中最抽象的一些分支也参与了渗透的一些分支也参与了渗透．． 在20世纪60年代，像拓扑学这样的抽象数学离实际应用似乎还很遥远．然而正如我们在下面要讲到的，拓扑学在今天的物理学、生物学和经济学中正在扮演重要角色． 在凝聚态物理中分类晶体结构的“缺陷”及液晶理论中所用到的某些齐性空间中同伦群的计算，即使对专业的代数拓扑学家也是很难的问题； 数论曾经被英国数学家哈代看成是“无用”和“清白”的学问，哈代说“至今还没有人能发现有什么火药味的东西是数论或相对论造成的”，并预言“将来很多年也不会有人能够发现这类事情”。

但1982年以来，哈代所钟爱的“清白”学问数论，已经在密码技术(“公开密钥”系统)、卫星信号传输、计算机科学和量子场论等许多部门发挥重要的有时是关键的作用．  (3)现代数学对生产技术的应用变得越来越直接．现代数学对生产技术的应用变得越来越直接． 以往数学工具直接用于生产技术的事例虽有发生，但数学与生产技术的关系基本上是间接的：常常是先应用于其他科学(如力学、天文学)，再由这些科学提供技术进步的基础． 20世纪下半叶以来，数学科学与生产技术的相互作用正在加强，数学提供的工具直接影响和推动技术进步的频率正在加大，并在许多情况下产生巨大的经济效益． 例如以计算流体力学为基础的数值模拟数值模拟已成为飞行器设计的有效工具，类似的数值模拟方法正在被应用于许多技术部门以替代耗资巨大的试验； 1980年代以来，以调和分析为基础以调和分析为基础的小波分析直接应用于通信、石油勘探与图象处理等广泛的技术领域；现代大规模生产的管理决策、产品质量控制等也密切依赖于数学中的线性规划算法与统计方法线性规划算法与统计方法；现代医学仪器工业也离不开数学(如Cr扫描仪、核磁共振仪等研制的理论基础主要是现代积现代积分理论分理论)，等等，这样的例子举不胜举．  (4)现代数学在向外渗透的过程中，产生了一些相对独立的应用学科。

这些学科以数学方法与数学理论为基础，但不同于上面提到的交叉应用分支，其应用对象不只是限于某一门特殊的学科(如物理、化学、生物等)，而是适用于相当广泛的领域相当广泛的领域． 这样的应用学科有数理统计、运筹学、控制论等等．  20世纪数学空前广泛的应用，是与它的另一个特点即前面已解释过的更高的抽象化趋势共轭发展着． 我们看到，一方面数学的核心领域正变得越来越抽象，一方面数学的应用也变得越来越广泛． 核心数学创造的许多高度抽象的语言、结构、方法与理论，被反复地证实是其他科学技术和人类生产与社会实践中普遍适用的工具，这恰恰反映了数学抽象理论与客观现实世界之间的这恰恰反映了数学抽象理论与客观现实世界之间的深刻、复杂而又奇妙的联系深刻、复杂而又奇妙的联系．数学的数学的高度抽象性高度抽象性与与内在统一性内在统一性，，不断在更高的层次上决定着这门科学应用的广泛性．不断在更高的层次上决定着这门科学应用的广泛性． 12.2 12.2 数学向其他科学的渗透数学向其他科学的渗透 本节以数学物理、生物数学与数理经济学为例来说明20世纪数学向其他科学的渗透． 12.2.112.2.1 数学物理数学物理 物理学应用数学的历史较长．18世纪是数学与经典力学相结合的黄金时期．19世纪数学应用的重点转移到电学与电磁学，并且由于剑桥学派的努力而形成了数学物理分支．进入20世纪以后，随着物理科学的发展，数学相继在应用于相对论、量子力学以及基本粒子理论等方面取得了一个又一个突破，极大地丰富了数学物理的内容，同时也反过来刺激了数学自身的进步．  在20世纪初狭义相对论和广义相对论的创立过程中，数学都建有奇功．1907年，德国数学家闵可夫斯基(H.Minkowski，1864-1909)提出了“闵可夫斯基空间”，即将时间与空间融合在一起的四维时空 ．闵可夫斯基几何闵可夫斯基几何为爱因斯坦狭义狭义相对论相对论提供了合适的数学模型数学模型．有了闵可夫斯基时空模型闵可夫斯基时空模型后，爱因斯坦又进一步研究引力场理论引力场理论以建立广义相对论广义相对论．． 1912年夏爱因斯坦已经概括出新的引力理论的基本物理原理，但为了实现广义相对论的目标，还必须寻求理论的数学结构，爱因斯坦为此花费了3年的时间，最后在数学家格罗斯曼(M．Grossmann)介绍下掌握了发展相对论引力学说所必需的数学工具——以黎曼几何为基础的绝对微分学以黎曼几何为基础的绝对微分学，亦即爱因斯坦后来所称的张量分析张量分析．在1915年11月25日发表的一篇论文中，爱因斯坦终于导出了广义协变的引力场方程 就是黎曼度规张量，爱因斯坦指出：“由于这组方程，广义相对论作为一种逻辑结构终于大功告成!”  根据爱因斯坦的理论，时空整体是不均匀的，只是在微小的区域内可以近似地看作均匀．在数学上，广义相对论的时空可以解释为一种黎曼空间，非均匀时空连续区可借助于现成的黎曼度量 来描述．这样，广义相对论的数学表述第一次揭示了非欧几何的现实意义，成为历史上数学应用最伟大的例子之一． 在数学史上有意义的是，与爱因斯坦建立引力场方程的同时，数学家希尔伯特也沿着另一条道路独立地得到了引力场方程．  希尔伯特采取公理化方法，从两条基本公理希尔伯特采取公理化方法，从两条基本公理——世界函数世界函数公理和广义协变公理出发，运用当时的一项纯数学成果公理和广义协变公理出发，运用当时的一项纯数学成果——E．．诺特关于连续群的不变式理论，得出了他的全部理论．诺特关于连续群的不变式理论，得出了他的全部理论． 希尔伯特于希尔伯特于1915年年11月月20日向哥廷根科学会提交了关于物日向哥廷根科学会提交了关于物理学基础的第一份报告，其中得到了一组与爱因斯坦理学基础的第一份报告，其中得到了一组与爱因斯坦5天后发天后发表的引力场方程等价的方程，因而也成为表的引力场方程等价的方程，因而也成为现代引力理论现代引力理论的奠基的奠基人．人． 希尔伯特在他关于物理学基础的报告正式出版时说道：希尔伯特在他关于物理学基础的报告正式出版时说道：“我所获得的场的微分方程与爱因斯坦稍后发表的论文中我所获得的场的微分方程与爱因斯坦稍后发表的论文中指出的广义相对论的漂亮理论不谋而合指出的广义相对论的漂亮理论不谋而合”。

不过这两位伟大的学者之间却没有发生关于优先权的不过这两位伟大的学者之间却没有发生关于优先权的争执，反而进行了一系列友好的通信．希尔伯特将建立广争执，反而进行了一系列友好的通信．希尔伯特将建立广义相对论的荣誉归于爱因斯坦，并在义相对论的荣誉归于爱因斯坦，并在1915年颁发第年颁发第3届波约届波约数学奖时主动推荐了爱因斯坦，数学奖时主动推荐了爱因斯坦，“因为在他的一切成就中因为在他的一切成就中所体现的高度的数学精神．所体现的高度的数学精神．” “惺惺相惜” 我们知道，20世纪初，普朗克、爱因斯坦、玻尔等创立了量子力学量子力学，但到1925年为止，还没有一种量子理论能以统一的结构来概括这一领域已经积累的知识，当时的量子力学可以说是本质上相互独立的、有时甚至相互矛盾的部分的混合体． 1925年有了重要进展，由海森堡建立的矩阵力学和由薛定谔发展的波动力学形成了两大量子理论，而进一步将这两大理论融合为统一的体系，便成为当时科学界的当务之急．恰恰在这时，数学又起了意想不到的但却是决定性的作用． 20世纪数学物理的另一项经典成果是量子力学量子力学数学基础的确立． 1927年，希尔伯特和冯·诺依曼、诺德海姆(L.Nordheim)合作发表了论文《论量子力学基础》，开始了用积分方程等分析工具使量子力学统一化的努力． 在随后两年中，冯·诺依曼又进一步利用他从希尔伯特关于积分方程的工作中提炼出来的抽象希尔伯特空间理论，去解决量子力学的特征值问题，并最终将希尔伯特的谱理论推广到量子力学中经常出现的无界算子情形，从而奠定了量子力学的严格的数学基础． 1932年，冯·诺依曼发表了总结性著作《量子力学的数学基础》，完成了量子力学的公理化完成了量子力学的公理化．  现在越来越清楚，希尔伯特20世纪初关于积分方程的工作以及由此发展起来的无穷多个变量的理论无穷多个变量的理论，确实是量子力学的非常合适的数学工具． 量子力学的奠基人之一海森堡后来说：“量子力学的数学方法原来就是希尔伯特积分方程理论的直接应用，这真是一件特别幸运的事情!” 而希尔伯特本人则深有感触地回顾道：“无穷多个变量的理论研究，完全是出于纯粹数学的兴趣．我甚至管这理论叫‘谱分析谱分析’，当时根本没有预料到它后来会在实际的物理物理光谱理论光谱理论中获得应用”．  抽象的数学成果最终成为其他科学新理论的仿佛是定做的工具，在20世纪下半叶又演出了精彩的一幕，这就是大范围微大范围微分几何在统一场论中的应用分几何在统一场论中的应用． 广义相对论的发展，逐渐促使科学家们去寻求电磁场与引力场的统一表述，这方面第一个大胆的尝试是数学家外尔(H.Weyl)在1918年提出的规范场理论规范场理论，外尔自己称之为“规范规范不变几何不变几何”。

统一场论的探索后来又扩展到基本粒子间的强相互作用和弱相互作用．  1954年，物理学家杨振宁和米尔斯年，物理学家杨振宁和米尔斯(R.L.Mills)提出的提出的“杨杨-米尔斯理论米尔斯理论”，揭示了规范不变性可能是所有四种，揭示了规范不变性可能是所有四种(电磁、电磁、引力、强、弱引力、强、弱)相互作用的共性，开辟了用规范场论来统一自相互作用的共性，开辟了用规范场论来统一自然界这然界这4种相互作用的新途径种相互作用的新途径 数学家们很快就注意到杨数学家们很快就注意到杨—米尔斯理论所需要的数学工具米尔斯理论所需要的数学工具早已存在，早已存在，物理规范势物理规范势实际上就是微分几何中纤维丛上的联络，实际上就是微分几何中纤维丛上的联络，20世纪世纪30、、40年代以来已经得到深入的研究年代以来已经得到深入的研究  不仅如此，人们还发现规范场的杨—米尔斯方程是一组在数学上有重要意义的非线性偏微分方程非线性偏微分方程．1975年以来，对杨-米尔斯方程的研究取得了许多重要成果，展示了统一场论的诱人前景，同时也推动了数学自身的发展． 1981年以来兴起的“超弦理论超弦理论”，正成为数学家与物理学家携手合作的又一个活跃领域，超弦理论也是以引力理论、量引力理论、量子力学和粒子相互作用的统一数学描述子力学和粒子相互作用的统一数学描述为目标，其中用到的数学已涉及微分拓扑、代数几何、微分几何、群论与无穷维代数、复分析与黎曼曲面的模理论等． 12.2.2 12.2.2 生物数学生物数学 与物理、化学相比，生物学中应用数学相当迟缓．将数学方法引进生物学研究大约始于20世纪初，英国统计学家皮尔逊(K.Pearson，1857-1936)首先将统计学应用于遗传学与进化论，并于1902年创办了《生物统计学》(Biometrika)杂志。

统计方法在生物学中的应用变得日益广泛，1926年，意大利数学家伏尔泰拉(V.Volterra)提出著名的伏尔泰拉方程： 成功地解释了生物学家观察到的地中海不同鱼种周期消长的现象(方程中 表示食饵即被食小鱼数， 表示捕食者即食肉大鱼数)，从此微分方程又成为建立各种生物模型的重要工具． 用微分方程建立生物模型在20世纪50年代曾获得轰动性成果，这就是描述神经脉冲传导过程描述神经脉冲传导过程的数学模型霍奇金霍奇金—哈哈斯利斯利(Hodgkin-Huxley)方程方程(1952)和描述视觉系统侧抑制作描述视觉系统侧抑制作用用的哈特莱因哈特莱因—拉特里夫拉特里夫(Hartline-Ratliff)方程方程(1958)，它们都是复杂的非线性方程组，引起了数学家和生物学家的浓厚兴趣．这两项工作分别获得这两项工作分别获得1963年和年和1967年度诺贝尔医学年度诺贝尔医学生理学奖．生理学奖．  20世纪50年代是数学与生物学结缘的良好时期，也是在这一时期，科学家们发现了脱氧核糖核酸(即DNA)的双螺旋结构(如图，1953，美国生物化学家J.D.沃森和英国物理学家F.H.C．克里克)． 双螺旋模型的发现标志着分子生物学分子生物学的诞生，同时也拉开了抽象的拓扑学与生物学抽象的拓扑学与生物学结合的序幕．  现代实验技术使生物学家们在电子显微镜下看到DNA双螺旋链有缠绕与纽结．采用把DNA的纽结解开再把它们复制出来的办法去了解DNA的结构，这就使代数拓扑学中的纽结理论有了用武之地。

早在19世纪，高斯就讨论过纽结问题，并指出，“对两条闭曲线或无限长曲线的缠绕情况进行计数，将是位置几何(即拓扑学)与度量几何的边缘领域里的一个主要任务．”一个多世纪后，高斯预言的这项数学任务，竟也成为揭示生命奥秘的DNA结构研究中的一项重要任务． 1969年以来，数学家与物学家合作在计算双螺旋“环绕数”(刻画两条闭曲线相互缠绕情况的拓扑不变量)方面取得了许多进展(如怀特公式，J.H.White，1969)；1984年，关于纽结的新的不变量——琼斯(Jones)多项式的发现，使生物学家有了一种新的工具对他们在DNA的结构中观察到的纽结进行分类． 另外，1976年以来，数学家与生物学家合作在运用统计学与组合数学来了解DNA链中碱基的排序方面也取得了令人鼓舞的成绩．  冯·诺依曼说过：“在现代实验科学中，能否接受数学方法或与数学相近的物理学方法，已越来越成为该学科成功与否的重要标准．” 20世纪60年代，数学方法在医学诊断技术中的应用提供了这方面的又一重要例证，这就是CT扫描仪的发明．扫描仪的发明． 1963—1964年间，美藉南非理论物理学家科马克科马克发表了计算人体不同组织对X射线吸收量的数学公式，解决了计算机断层扫描的理论问题．科马克的工作促使英国工程师亨斯菲尔德(G.N.Hounsfield)发明了第一台计算机X射线断层扫描仪即CT扫描仪．科马克和亨斯菲尔德共同荣获了科马克和亨斯菲尔德共同荣获了1979年诺贝尔医学生年诺贝尔医学生理学奖．理学奖．  科马克的计算公式是建立在积分几何中拉东(J.Radon)变换 的基础之上。

如图，设 是X射线穿入人体组织(图中平面区域 )前的强度； 是射线穿出后的强度； 表示点 沿 变化时人体组织对射线的吸收系数(与组织密度等有关)． 记 在 内，直线与 从各个方向相交．若沿这些直线测出 的值，是否能由 定出函数 ?科马克利用与拉东变换相关的一套计算(卷积反投影等)解决了这一问题，从而能根据测量所得的 值建立函数 ，并进一步用计算机重建人体组织横断面图． 除了数理统计、微分方程、拓扑学和积分论，概率论(马尔可夫过程等)应用于人口理论和种群理论；布尔代数应用于神经网络描述；傅里叶分析应用于生物高分子结构分析，…等等，这一切构成了“生物数学”的丰富内容．现代生物数学可以按方法论分成三大部门，即生物统计、生物动力系统和生物控制论．12.2.3 12.2.3 数理经济学数理经济学 20世纪40年代以来，经济学研究的数学化，导致了数理经济学的诞生．参与这门交叉学科建立和发展的有冯·诺依曼等著名数学家．冯·诺依曼与摩根斯顿(O.Morgenstem)合著的《博奕论与经济行为》(Theory Of Games and Economic Behavior，1944)提出竞争的数学模型并应用于经济问题，成为现代数理经济学的开端．20世纪50年代以来，数学方法在西方经济学中占据了重要地位，以致大部分诺贝尔经济学奖都授予了与数理经济学有关的工作． 前苏联数学家康托洛维奇(1912—1986)和美国数学家丹齐格(G.B.Dantzig)各自独立创建的线性规划论线性规划论(参见12.3)，在20世纪50年代被美藉荷兰经济学家库普曼斯美藉荷兰经济学家库普曼斯(T.C.Koopmans)应用于经济学而获得很大成功．  库普曼斯1951年发表《《生产和配置的活动分析生产和配置的活动分析》》，用“活动分析活动分析”代替经典经济中的生产函数代替经典经济中的生产函数．所谓活动分析包含了两个基本概念：商品和活动．商品用 定义，活动用一组系数 定义 ．例如炼钢“活动”，产出1吨钢，消耗2个人工，1吨生铁，600度电，活动系数形成 活动矢量： 其中大于0的元素表示产出，小于0的元素表示投入。

一种商品可写成活动的线性式： 这相当于线性规划问题求解．这种活动分析，将“生产”描述为由一系列各具固定投入与产出关系的活动，有利于用数学方法研究资源配置效率与价格体系之间的对应关系．库普曼斯与库普曼斯与康托洛维奇同获康托洛维奇同获1975年度诺贝尔经济学奖．年度诺贝尔经济学奖． 20世纪50年代以来数理经济学由于公理化方法的引进而取得了重大进展．1959年美藉法国数学家、经济学家德布洛年美藉法国数学家、经济学家德布洛(G.Debreu)发表发表《《价格理论价格理论》》，对一般经济均衡理论给出了严格的公理化表述．从此公理化方法公理化方法成为现代经济学研究的基本方法．  一般经济均衡价格的存在问题是经济学界长期关注但悬而未决的问题．粗略地讲，这问题是问：是否存在一个价格体系，使得消费需求与生产供给相等?这样的价格体系就叫一般均衡一般均衡价格体系．价格体系． 早在1874年，法国经济家沃拉斯(L.Walras)就已将这个问题归结为由供给等于需求所决定的方程组的求解，这样导出的一般是一组复杂的非线性方程，虽经许多数学家和经济学家不懈的努力，但问题始终没有解决． 直到1954年，德布洛和另一位美国经济学家阿罗(K.Arrow)才第一次利用凸集理论、不动点定理等给出了一般经济均衡的严格表述和存在性证明．德布洛的《价格理论》又使这一理论体系公理化．阿罗和德布洛先后获得1972和1983年度诺贝尔经济学奖．一般经济均衡理论在20世纪70年代以后又有了飞速发展，其研究用到了微分拓扑、代数拓扑、大范围分析、动力系统等抽象数学工具． 20世纪70年代以后，随机分析又进入了经济学领域，特别是1973年布莱克(F.Black)和斯科尔斯(M.S.Scholes)将期权定价问题归结为一个随机微分方程的解，从而导出了相当符合实际的著名的期权定价公式，即布莱克—斯科尔斯公式： 其中 布莱克布莱克—斯科尔斯理论斯科尔斯理论被认为是金融数学方面的一项突破，它后又被默顿默顿(R.C.Merton)进一步完善，不仅在金融活动中行之有效，产生巨大利益，而且在数学上对随机分析、随机控制、偏微分方程、非线性分析、数值分析和数理统计等领域的发展也带来极大的推动．默顿和斯科尔斯荣获默顿和斯科尔斯荣获1997年度诺贝尔经济年度诺贝尔经济学奖学奖(应分享这一荣誉的布莱克不幸在两年前去世应分享这一荣誉的布莱克不幸在两年前去世)．． 12.3 12.3 独立的应用学科独立的应用学科 数学向另一门科学渗透到一定阶段，就会形成像我们在上数学向另一门科学渗透到一定阶段，就会形成像我们在上一节中介绍的那样一些交叉分支，这类分支大量地、系统地应一节中介绍的那样一些交叉分支，这类分支大量地、系统地应用各种数学工具，但一般说来，它们在数学方法上并不独立．用各种数学工具，但一般说来，它们在数学方法上并不独立． 20世纪应用数学发展的一个独特景观，是产生了一批具有世纪应用数学发展的一个独特景观，是产生了一批具有自己的数学方法、相对独立的应用学科．这些学科大都在第二自己的数学方法、相对独立的应用学科．这些学科大都在第二次世界大战期间形成次世界大战期间形成(如如运筹学、控制论运筹学、控制论等等)，或者是经过二战，或者是经过二战而有了飞跃的发展而有了飞跃的发展(如如数理统计数理统计)．． 12.3.1 12.3.1 数理统计数理统计 简单的统计古来就有．在简单的统计古来就有．在18、、19世纪出现了统计推断思想世纪出现了统计推断思想的萌芽并有一定发展，但以概率论为基础、以统计推断为主要的萌芽并有一定发展，但以概率论为基础、以统计推断为主要内容的现代意义的数理统计学，则到内容的现代意义的数理统计学，则到20世纪才告成熟．世纪才告成熟．  1763年，英国人贝叶斯(J.Bayes)发表《论机会学说问题的求解》，其中的“贝叶斯定理贝叶斯定理”给出了在已知结果正后，对所有原因 计算其条件概率(后验概率) 的公式，可以看作最早的一种统计推断程序． 拉普拉斯和高斯等利用贝叶斯公式估计参数，特别是高斯由于计算行星轨道的需要建立了以“最小二乘法最小二乘法”为基础的误差分析(1794-1809)．这些都促使统计学统计学摆脱对观测数据的单纯描述而向强调推断强调推断的阶段过渡．  英国生物学家和统计学家K．皮尔逊在现代数理统计的建立上起了重要作用．皮尔逊在19世纪末、20世纪初发展了他老师高尔顿(F.Galton)首先提出的“相关”与“回归”的理论，成功地创立了生物统计学(1901)．皮尔逊提出了“总体”的概念，明确指出统计学不是研究样本本身而是要根据样本对总体进行推断，并根据这一思想提出了“拟合优度检验”，即检验作为样本取出的个体是否“拟合”从理论上确定的总体分布的问题．这是假设检验假设检验的先声．皮尔逊为此还发展了 分布。

 皮尔逊的工作是所谓“大样本统计大样本统计”的前驱．他的学生戈塞特(W.S.Gosset)1908年以笔名“学生”发表的“学生分布”(即 分布)则开创了小样本统计小样本统计理论．小样本理论强调样本必须从总体中随机地抽取，即必须是随机样本，从而使统计使统计学研究对象从群体现象转变为随机现象学研究对象从群体现象转变为随机现象. 现代数理统计学现代数理统计学作为一门独立作为一门独立学科的奠基人是学科的奠基人是英国数学家费希尔英国数学家费希尔(R．．A．．Fisher，，1890—1962) 费希尔费希尔毕业于剑桥大学，做过中学教员，曾长期在农业试验站工作，在将统计学应用于农业与遗传学方面有丰富的积累．在1920和1930年代，费希尔提出了许多重要的统计方法，开辟了一系列统计学的分支领域．  他发展了正态总体下各种统计量的抽样分布，将已有的相关、回归理论建造为系统的相关分析与回归分析；1925年他与叶茨(F.Yates)合作创立了试验设计这一重要的统计分支，与这种试验设计相适应的数据分析方法——方差分析，也是费希尔在1923年提出的．试验设计倡导用统计方法设计试验方案，以提高试验效率，节省人力物力，因而产生了巨大的社会影响．  费希尔也是另一门重要统计分支假设检验的先驱之一，他引进了显著性检验概念．费希尔关于检验程序的推导方法是直观的，在数学上尚不够精炼．1928—1938年间，原藉罗马尼亚的美国统计学家内曼(J．Neyman，1894—1981)与K．皮尔逊的儿子小皮尔逊(E.S.Pearson，1895—1980)合作，发展了假设检验的严格的数学理论，将所有可能的总体分布族看作一个集合，引进“检验功效函数”的概念作为判断检验程序好坏的标准，从而使统计推断的思想变得更加明确．  费希尔实际上还开辟了多元统计分析的方向，他关于多元正态总体的统计分析，就是一种狭义的多元分析．1928年维夏特(J．Wishart)导出了“维夏特分布”，将这一方向发展为统计学中的一个独立分支．多元统计分析的奠基人还有中国数学家许宝骒和美国数学家霍太林(H.Hotelling)等． 费希尔自1933年起任伦敦大学学院教授，在那里领导了一个有世界影响的数理统计学派．在20世纪30、40年代，费希尔和他的学派可以说占据了数理统计学研究的主导地位．  1946年，瑞典数学家克拉默(H.Cramer)发表了《统计学的数学方法》，用测度论系统总结了数理统计的发展，标志着现代数理统计学的成熟． 第二次世界大战期间，数理统计学研究中一些重要的新动向，在很大程度上决定了这门学科在战后的发展方向．其中最有影响的是美藉罗马尼亚数学家沃尔德(A.Wald，1902-1950)提出的序贯分析和统计决策理论．  序贯分析的要旨是在统计推断中以“序贯抽样方案”来代替传统的固定抽样方案．所谓序贯抽样就是分步抽样：先抽少量样本，根据结果再决定是否停止抽样还是继续抽样，以及抽多少样本．而在经典统计中，抽样的多少是事先确定的，全部数据只影响最后结果．采用序贯抽样可以使整个推断程序在达到一定精度时自动停止，因此有很大的优越性．沃尔德是为了解决二战中军方提出的实际问题而研究出序贯分析这一崭新的统计方法的．他在1947年发表了《序贯分析》专著，使序贯分析在战后发展为数理统计中一个重要分支．  统计决策理论也引起了战后数理统计思想的革新．经典统计主要着眼于推断，至于所获得的论断会产生什么后果，应采取何种对策或行动，则被认为不属于统计的范畴．沃尔德的统计决策理论则将后者也纳人统计的内容，用博奕的观点看待数理统计问题．他还定义了统计推断程序的风险函数，用以判别推断程序的好坏．沃尔德1950年发表《统计决策函数》一书，就在这一年，他因飞机失事不幸早逝． 沃尔德在他的统计研究中积极地利用先验概率与贝叶斯定理，这与费希尔学派回避摒弃先验概率的做法大相径庭，因而引起极大反响．在20世纪下半叶，数学家们围绕着先验概率和贝叶斯定理展开的更为激烈的争论，对整个数理统计的发展有深远影响． 12.3.2 12.3.2 运筹学运筹学 运筹学运筹学(Operations Research)原意为原意为“作战研究作战研究”，其，其策源地在英国．策源地在英国． 第二次世界大战中英国空军发现空防雷达送来的信息需第二次世界大战中英国空军发现空防雷达送来的信息需要加以协调，才能使雷达、战斗机系统在配合上达到满意的要加以协调，才能使雷达、战斗机系统在配合上达到满意的作战效果．当时负责英国海岸雷达系统的罗作战效果．当时负责英国海岸雷达系统的罗(A．．P．．Rowe)建建议进行这方面的研究并起名为议进行这方面的研究并起名为“Operational Research”，，英英国空军还成立了专门的运筹小组．不久美国军队也开展了类国空军还成立了专门的运筹小组．不久美国军队也开展了类似的研究并改称似的研究并改称“Operations Research”（（运筹一词，出自运筹一词，出自《《汉书汉书﹒﹒高帝本纪高帝本纪》》：：“运筹帷幄之中，决胜千里之外。

运筹帷幄之中，决胜千里之外．）．  运筹研究在运筹研究在1940年英国对付德军空袭的战斗中建有奇功，年英国对付德军空袭的战斗中建有奇功，在如搜寻潜艇、深水炸弹投放方案、兵力分配等方面也都发挥在如搜寻潜艇、深水炸弹投放方案、兵力分配等方面也都发挥了功效．到二战结束时，在英、美等国军队中服务的运筹学工了功效．到二战结束时，在英、美等国军队中服务的运筹学工作者已超过作者已超过700人战后由于这些人的倡导，运筹学被引人民人战后由于这些人的倡导，运筹学被引人民用部门，研究内容不断扩充而形成为一门蓬勃发展的新兴的应用部门，研究内容不断扩充而形成为一门蓬勃发展的新兴的应用学科．目前，它已包括有数学规划论、博奕论、排队论、决用学科．目前，它已包括有数学规划论、博奕论、排队论、决策分析、图论、可靠性数学理论、库存论、搜索论等许多分支，策分析、图论、可靠性数学理论、库存论、搜索论等许多分支，统筹与优选也可列入运筹学的范畴，运筹学就是运用这些数学统筹与优选也可列入运筹学的范畴，运筹学就是运用这些数学方法来解决生产、国防、商业和其他领域中的安排、筹划、控方法来解决生产、国防、商业和其他领域中的安排、筹划、控制、管理等有关的问题．制、管理等有关的问题． 数学规划论是运筹学中一个基本而又庞大的领域，其中线数学规划论是运筹学中一个基本而又庞大的领域，其中线性规划论则是发展最早和比较成熟的分支．性规划论则是发展最早和比较成熟的分支．  有一类实际问题需要将某些对象最大化(如利润、安全等)或最小化(如支出、风险等)，数学规划就是为这类实际问题提供数学模型的一种方法，具体地说，数学规划寻求函数 在规定 必须满足一定条件时的极小(或极大)值． 称为“目标函数”，必须满足的条件称为“约束条件”．如果目标函数和约束条件都是线性的，就叫线性规划，即 约束条件为 线性规划问题在孕育整个运筹学的数学理论方面扮演了重要角色，并且至今仍是这门学科的中心课题．  线性规划的先驱者是前苏联数学家康托洛维奇，他性规划的先驱者是前苏联数学家康托洛维奇，他在1938年就给出了像寻求用年就给出了像寻求用8种型号的机床完成种型号的机床完成5种类型产品加工的最种类型产品加工的最合理运行计划这样的问题的数学处理，合理运行计划这样的问题的数学处理，1939年发表年发表《《生产组织生产组织与计划中的数学方法与计划中的数学方法》》，是最早的线性规划著作．但康托洛维，是最早的线性规划著作．但康托洛维奇的工作当时在西方国家很少有人了解．奇的工作当时在西方国家很少有人了解． 1947年，美国的丹齐克又独立地发展了线性规划理论，线性规划这一名称就是他首先使用的．特别是，丹齐克设计了一种叫单纯形法的算法，作为求解线性规划问题线性规划问题的计算工具． 我们知道，线性规划问题的约束条件在几何上对应于一个凸多面体(也叫多胞形)，单纯形法的实质就是从多胞形的一个顶点出发，然后在多胞形的表面沿着边从一个顶点向另一个顶点移动，每到达一个新的顶点，按照一定的判别方法来决定究竟取哪条路线继续移动，直至达到最大(小)化顶点．单纯形法在实用上非常有效，因而使线性规划论有了发展的基础．  从算法理论分析，单纯形算法属于指数型算法，即一种“非有效”算法．由于在一些实际的线性规划问题中目标函数和约束条件往往涉及成千上万个变量，因此数学家们还希望能找到更快的计算方法． 直观上看，如果不是沿多胞形表面的边前进，而是直接穿过多胞形内部去寻找最优点应该更快．因此从1970年代起，数学家们就开始寻找这样的“内点法”． 起先这种努力并不顺利，数学家们虽然找到了几种内点法，但在实用中却没有显示出比单纯形法有优越之处． 19E4年，美国贝尔实验室28岁的数学家卡玛卡(N.Karmarkar)终于发明了一种多项式时间的线性规划算法，这种计算方法在许多场合远远胜过了单纯形法．这种算法现在就叫“卡玛卡算法”，卡玛卡为了得到他的算法，利用了与高维多面体有关的高度抽象的数学成果．  通过探讨目标函数和约束条件的不同情况，数学家们得到了线性规划论沿不同方向的推广．如果目标函数或约束条件中出现非线性表示，就称为非线性规划． 1951年库恩(H.W.Kuhn)和塔克尔(A.W.Tucker)对一般的约束非线性规划问题得到了局部极值点的“库恩—塔克尔条件”，他们的论文标题即为《非线性规划》，可以看作是这一分支学科的发端.  继线性规划和非线性规划之后建立的另一个数学规划论同时继线性规划和非线性规划之后建立的另一个数学规划论同时也是运筹学的基本分支是也是运筹学的基本分支是动态规划动态规划，其奠基人是贝尔曼，其奠基人是贝尔曼(R.Bellman，，1920-1984)．．贝尔曼贝尔曼1957年发表的专著年发表的专著《《动态规划动态规划》》，标志着动态规划学科的建立．动态规划寻求使包含有时间变，标志着动态规划学科的建立．动态规划寻求使包含有时间变量的目标函数取最大或最小值的策略，即最优策略．量的目标函数取最大或最小值的策略，即最优策略． 贝尔曼提出最优化原理：“一个最优策略应具备如下性质，就是无论初始状态和初始决策如何，对于作为这一初始决策的结果所产生的状态，以后的决策序列必须构成最优策略”。

这一原理表达了动态规划的基本思想，因此动态规划从一开始就与控制理论密切相关． 12.3.3 12.3.3 控制论控制论 控制论也是在第二次世界大战期间新兴的应用学科．控控制论也是在第二次世界大战期间新兴的应用学科．控制论的创始人制论的创始人维纳维纳(N.Wiener，，1894—1964)，，在第二次世界在第二次世界大战中接受了一项与火力控制有关的研究：设计一种能有效大战中接受了一项与火力控制有关的研究：设计一种能有效地指挥高射炮的装置．地指挥高射炮的装置． 飞机的高速度使以往的火力瞄准方法都显得陈旧无用．飞机的高速度使以往的火力瞄准方法都显得陈旧无用．为了击中目标，要使投射物与射击目标在未来的某个时刻同为了击中目标，要使投射物与射击目标在未来的某个时刻同时到达空间某处．因此必须找到某种能预测飞机未来位置的时到达空间某处．因此必须找到某种能预测飞机未来位置的方法这就是所谓的方法这就是所谓的“预报问题预报问题”(predicting)，，是维纳控是维纳控制论的主要来源之一．制论的主要来源之一．  控制论的另一个实际来源是通信“滤波问题”(filtering)．在通信过程中一个信息往往被外来干扰(噪声)所混杂． 长期以来，设计一种能过滤噪声、复原信息的装置——滤波器，便是通信工程师和数学家合作的一个课题，维纳从1930年代起就对这方面的问题予以关注． 维纳 维纳 (Norbert Wiener，1894-1964) 美国数学家，控制论的创始人。

维纳1894年11月26日生于密苏里州的哥伦比亚，1964年3月18日卒于斯德哥尔摩 维纳在其50年的科学生涯中，先后涉足哲学、数学、物理学和工程学，最后转向生物学，在各个领域中都取得了丰硕成果，称得上是恩格斯颂扬过的、本世纪多才多艺和学识渊博的科学巨人 他一生发表论文240多篇，著作14本他的主要著作有《控制论》(1948)、《维纳选集》(1964)和《维纳数学论文集》(1980)维纳还有两本自传《昔日神童》和《我是一个数学家》维纳趣事维纳趣事 • 20世纪著名数学家世纪著名数学家诺伯特诺伯特·维纳维纳，从小就智力超，从小就智力超常，三岁时就能读写，十四岁时就大学毕业了几年常，三岁时就能读写，十四岁时就大学毕业了几年后，他又通过了博士论文答辩，成为后，他又通过了博士论文答辩，成为美国哈佛大学美国哈佛大学的的科学博士科学博士 •　　在博士学位的授予仪式上，执行主席看到一脸稚　　在博士学位的授予仪式上，执行主席看到一脸稚气的维纳，颇为惊讶，于是就当面询问他的年龄维气的维纳，颇为惊讶，于是就当面询问他的年龄维纳不愧为数学神童，他的回答十分巧妙：纳不愧为数学神童，他的回答十分巧妙：“我今年岁我今年岁数的立方是个四位数，岁数的四次方是个六位数，这数的立方是个四位数，岁数的四次方是个六位数，这两个数，刚好把十个数字两个数，刚好把十个数字0、、1、、2、、3、、4、、5、、6、、7、、8、、9全都用上了，不重不漏。

这意味着全体数字都向全都用上了，不重不漏这意味着全体数字都向我俯首称臣，预祝我将来在数学领域里一定能干出一我俯首称臣，预祝我将来在数学领域里一定能干出一番惊天动地的大事业番惊天动地的大事业 •　　维纳此言一出，四座皆惊，大家都被他的这道妙　　维纳此言一出，四座皆惊，大家都被他的这道妙题深深地吸引住了整个会场上的人，都在议论他的题深深地吸引住了整个会场上的人，都在议论他的年龄问题年龄问题  • 其实这个问题不难解答，但是需要一点数字其实这个问题不难解答，但是需要一点数字“灵感灵感”不难发现，不难发现，21的立方是四位数，而的立方是四位数，而22的立方已经的立方已经是五位数了，所以维纳的年龄最多是是五位数了，所以维纳的年龄最多是21岁；同样道理，岁；同样道理，18的四次方是六位数，而的四次方是六位数，而17的四次方则是五位数了，的四次方则是五位数了，所以维纳的年龄至少是所以维纳的年龄至少是18岁这样，维纳的年龄只可岁这样，维纳的年龄只可能是能是18、、19、、20、、21这四个数中的一个这四个数中的一个 •　　剩下的工作就是一一筛选了　　剩下的工作就是一一筛选了20的立方是的立方是8000，，有有3个重复数字个重复数字0，不合题意。

同理，，不合题意同理，19的四次方等于的四次方等于130321，，21的四次方等于的四次方等于194481，都不合题意最后，都不合题意最后只剩下一个只剩下一个18，是不是正确答案呢？验算一下，，是不是正确答案呢？验算一下，18的的立方等于立方等于5832，四次方等于，四次方等于104976，恰好不重不漏地，恰好不重不漏地用完了十个阿拉伯数字，多么完美的组合！用完了十个阿拉伯数字，多么完美的组合！ •　　这个年仅　　这个年仅18岁的少年博士，后来果然成就了一番岁的少年博士，后来果然成就了一番大事业：他成为信息论的前驱和控制论的奠基人大事业：他成为信息论的前驱和控制论的奠基人 趣事趣事　 有一次维纳的一个学生看见维纳正在邮局寄东有一次维纳的一个学生看见维纳正在邮局寄东西，很想自我介绍一番在麻省理工学院真正能与维西，很想自我介绍一番在麻省理工学院真正能与维纳直接说上几句话、握握手，还是十分难得的但这纳直接说上几句话、握握手，还是十分难得的但这位学生不知道怎样接近他为好位学生不知道怎样接近他为好 这时，只见维纳来来回回踱着步，陷于沉思之这时，只见维纳来来回回踱着步，陷于沉思之中。

这位学生更担心了，生怕打断了先生的中这位学生更担心了，生怕打断了先生的思维思维，而，而损失了某个深刻的损失了某个深刻的数学思想数学思想但最终还是鼓足勇气，但最终还是鼓足勇气，靠近这个伟人：靠近这个伟人：“早上好，早上好， 维纳教授！维纳教授！”维纳猛地一维纳猛地一抬头，拍了一下前额，说道：抬头，拍了一下前额，说道：“对，维纳！对，维纳！”原来维原来维纳正欲往邮签上写寄件人姓名，但忘记了自己的名字纳正欲往邮签上写寄件人姓名，但忘记了自己的名字……  在维纳之前，预报问题预报问题与滤波问题滤波问题一直被看作不同的问题分别讨论．维纳的独到之处恰恰在于他看出了这两类问题与其他一些类似的问题可以用统计的观点给出统一处理，从而建立起控制理论． 维纳注意到，一项信息，不论它是以电的、机械的还是神经的方式传送，都可以看作依时间分布的可测量事件的序列，即统计学家所称的时间序列．预报问题，在数学上相当于用某种算符去运算某个信息的过去以预测其未来；而滤波问题则相当于用某种算符作用于被混杂的信息以恢复原来的信息． 维纳认识到，在大多数情形，完全精确的预报与复原都是不可能的．他提出来的任务，是寻求问题的最优解． “最优”的意义是使产生的结果与理论解之间的误差最小，而这里“误差”是用一个可以由已知时间序列的统计性质导出的均方差表达式来衡量．这样维纳就将预报、滤波等问题的求解归结为特定数学算符的最优设计，以及实现这些算符的物理装置的最优设计． 这种设计过程，依赖于数学中变分法的极小化技术，同时取决于所处理信息的时间序列的统计学．维纳广泛地利用了调和分析与数理统计等数学领域中成熟的工具，建立起一整套最优设计的方法，逐步形成了系统的控制理论． 维纳的最优设计过程涉及到一个很重要的概念叫“反馈反馈”(feedback)，即将每一步输出的结果与理论值之误差重新作为输入对系统进行调节，使之实现最优状态．“反馈”并不是一个新概念，但维纳指出过度的反馈会引起系统的激烈振荡不稳，而这个问题以往没有解决．维纳依靠生理学家特别是墨西哥国立心脏学研究所的罗森勃吕特(A.Rosenblueth)等的帮助解决了这个问题，并对反馈机制作出了严 格的解释，使之成为维纳控制论的一个中心概念．  为了建立控制论，维纳从1940年代初开始，与电工学家、生理学家、计算机设计家、通信工程师以及其他数学家展开了极其广泛的合作(在这些合作者中有一位是维纳的学生，来自中国的滤波器设计家李郁荣)．1948年，维纳终于出版了他的名著《控制论》(Cybernetics)，宣告了控制论这门学科的诞生．维纳在导言中说明Cybernetics(控制论)这个词是从希腊语 （掌舵人)变来的，船舶的操舵仪是反馈机构的一种最早形式． 维纳 维纳在发明控制论以前已经是大名鼎鼎的数学家了．他发展了广义调和分析；他对概率论布朗运动的研究使人们常常把这类运动称为“维纳过程”，等等．这些纯数学的成果，无疑是他建立控制论的坚实理论基础．  维纳本人后来谈到，他之所以能够创立控制论，一方面固然是他有机会接触和熟悉像火力控制这样的实际问题，另一方面则在于他此前已发展了调和分析的理论工具． 维纳是数学史上的一名神童，他维纳是数学史上的一名神童，他14岁大学毕业，同时成为哈岁大学毕业，同时成为哈佛大学研究生；佛大学研究生；18岁获得博士学位；岁获得博士学位；1933年当选为美国国家科学年当选为美国国家科学院院士．院院士．维纳不仅是一位杰出的学者，他的正义感和国际精神也赢得了广泛的尊敬．第二次世界大战期间，他竭尽全力帮助遭希特勒迫害的犹太科学家到美国工作谋生；他也是美国新英伦地区中国救援委员会的积极成员，做了包括募捐在内的许多支援中国人民抗日战争的事情． 他认识到像控制论这样的新科学的发展，“对于为善与作恶，都有无穷的可能性”，提出要“制止把这方面的发展交到那些最不负责任和最唯利是图的工程师手中去”，而把“个人的努力限制在……远离战争与剥削的领域里”． 因此，尽管他在二战期间用自己的科学知识与聪明才智解决了许多与战争有关的难题，但战后他却公开发表声明，不再接受美国政府下达的有军事目的的研究任务，这在当时引起了震动．  维纳的控制论通常被称为“经典控制论”．20世纪50年代以后，维纳的控制论被大大地推广发展，而形成了研究系统调节与控制的一般规律的现代控制论． 现代控制论的奠基者主要有前苏联的庞特里亚金庞特里亚金(1908—1988)、匈牙利裔美国数学家卡尔曼卡尔曼(R.E.Kalman)以及前面已提到的贝尔曼． 庞特里亚金1958 年提出的极大值原理，是确定系统最优控制的一种强有力的方法；卡尔曼1960年引进了状态空间法和“卡尔曼滤波”概念，卡尔曼滤波使人们能更有效地控制随机噪声，扩大了控制论的研究范围． 庞特里亚金极大值原理、卡尔曼滤波以及前面已提到的庞特里亚金极大值原理、卡尔曼滤波以及前面已提到的贝尔曼动态规划最优化原理，是现代控制论的三大基石．贝尔曼动态规划最优化原理，是现代控制论的三大基石．  在20世纪形成的与数学密切相关的应用学科中，还应该提到信息论信息论(information theory)．．信息论的创始人是美国人香农信息论的创始人是美国人香农(C.E.Shannon)，他1948年发表“通信的数学理论”等论文，以概率论为基础研究信息量与通信编码．信息论后来则发展成更一般的关于信息加工、存储与分析的理论． 谢谢 谢！谢！。