石鍾慈:48歲赴德國求學,首創樣條有限元

“國家強大,則科技決不能落後,個人的未來應該與國家命運緊密相連。”説出這句話的,是我國計算數學的領軍人物石鍾慈。

20世紀50年代,石鍾慈為了國家發展需要赴蘇聯留學,將世界最前沿的計算數學帶回國內,成為中國計算數學事業的開拓者、領路人;80年代,為了國家發展需求,年近五旬的他又遠赴德國深造,將一生與國家數學事業的發展緊緊結合在一起。

石鍾慈:48歲赴德國求學,首創樣條有限元
石鍾慈院士

石鍾慈,中國科學院院士、我國著名數學家。他長期從事有限元①的理論研究和應用,首創的樣條有限元被廣泛應用於實際計算,對國內外數學界產生了重要影響。

改革開放後,科學的春天來了,國內外的學術交流空前活躍。1981年,已經48歲的石鍾慈毅然選擇前往德國深造,深入學習和研究非協調有限元方面的知識。這是計算數學的重要研究方向,對飛機研製等方面有着至關重要的作用。

出國學習對石鍾慈來説,還面臨着各方面挑戰。但考慮到國家的需要,他鼓足勇氣邁出國門。想到“我們的科技已落後人家二三十年”,石鍾慈心裏十分着急。

他當時還不會德語,為了更好地展開學術交流,剛到國外,石鍾慈便抓緊學習德語。他拿出了以前學俄語的幹勁,五更起、半夜眠,見縫插針找時間背單詞、聽錄音,積極的和學校的老師、學生甚至路上的行人説話,練習發音、聽力。學習過程中,要閲讀許多德語版的數學論文,石鍾慈乾脆數學、德語一塊學,碰到生詞就查字典。

四個月後,石鍾慈終於通過了德語基礎課考試,達到了德國官方對外國學者在德國學習、工作的基本語言要求。

1981年聖誕節,石鍾慈前往法蘭克福大學,師從施圖默教授。施圖默是德國頂尖的計算數學家之一,國際一流的應用和計算數學家弗萊澤和拉納格都是他的學生。

施圖默為石鍾慈制定了半年的學習計劃:每週上兩次課,其餘時間自己研究課題。半年以後,憑藉着紮實的數學基本功和勤奮的學習,石鍾慈對施圖默的研究成果有了深刻的理解,並對有限元法理論發展的走勢有了獨到的見解。

石鍾慈:48歲赴德國求學,首創樣條有限元
1990年,石鍾慈(左)與他的德國導師施圖默教授

1982年,二人正式展開合作,研究非協調有限元法的收斂理論,以分片檢驗②為研究切入點。分片檢驗能夠通過數值計算檢驗單元的收斂性,是有限元收斂理論關注的焦點和難點,但是這種方法在數學和力學原理上卻不夠嚴密。為此,數學家們對分片檢驗的有效性和實用性展開了長期的研究。

早在1980年,施圖默在文章《分片檢驗的侷限性》中闡明:非協調檢驗函數空間儘管通過了分片檢驗,但並不收斂於給定邊值問題的真解。這表明,分片檢驗不是非協調元收斂的充分條件。

基於已有成果,石鍾慈展開深入研究,並寫出了論文《施圖默分片檢驗例子之明晰》。這篇論文用實際計算中常見例子證明:分片檢驗既不是非協調元收斂的充分條件,也不是必要條件。

文章發表後,引發了國際的廣泛關注。後來,施圖默不僅把石鍾慈看作是自己學術上最主要的繼承者,還在給著名數學家馮康的信中提到:“石鍾慈是非常突出的優秀科學家,可以自成流派。”

1983年12月,石鍾慈從法蘭克福回到北京,在中國科學技術大學從事教學科研工作。後來在施圖默的建議下,1985年,他再次前往德國訪學。

兩次前往德國的交流學習,使石鍾慈對於非協調有限元的研究更深入、更透徹。他發表了多篇重量級論文,為我國在世界計算數學領域爭得了一席之地。這些成就的背後是石鍾慈始終如一的愛國心。

石鍾慈:48歲赴德國求學,首創樣條有限元
石鍾慈

(1933.12-)

數學家

中國科學院院士

文:採集工程項目辦公室/中國科協創新戰略研究院

注:

①在數學中,有限元法(FEM,Finite Element Method)是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數值技術。求解時對整個問題區域進行分解,每個子區域都成為簡單的部分,這種簡單部分就稱作有限元。

②分片檢驗,是評價彈性問題中形狀函數在不滿足連續性要求條件下位移型單元收斂性的一種方法,被廣泛地使用。

參考資料:

1.《於磅礴中上下求索 ——石鍾慈傳》,許清著,老科學家學術成長資料採集工程

2.本文圖片來源於老科學家學術成長資料採集工程

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