丘成桐:我研究数学的经验

选择字号:   本文共阅读 1602 次 更新时间:2020-11-04 22:54:24

丘成桐  

   这个讲稿的基础是在两个不同大学的演讲。一个是十年前在新竹交通大学的讲稿【编注:1997年 6 月 9 日,收录于《数学与人文》丛书第

   19 辑】,一个是最近在湖南大学线上的报告【编注:2020年 9 月 17 日】。我多次访问这两所大学,对它们都有特殊的感情。

   今天我想讲讲我自己做学问的经验。很多中国研究人员做研究的方法并不见得是最好的。我发现有些年轻人在国内做研究并不杰出,但在国外却做得很好,这是很值得思考的现象。所以,我想讲讲我自己的经验,包括我对数学的看法,让大家参考一下。

   做学问最重要的是要有热忱,要有求真的精神,但这种精神是需要花功夫去培养的。

   我们在对自然界作深入的了解,或是寻找数学问题解答的时候,都会碰到不同的现象和观念,真和美却是始终如一的,发现大自然的真和美是做学问的终极目标。但是追求真与美却需要无比的热忱,我们在做学问的路上会碰到很多不同的困难,假如没有热忱的话,就没有办法继续走下去。知道自己追求的目标无误,热情才不会消减。所以要做大学问,一定要想办法培养自己追求真和美的热忱。几天前我读父亲的遗作,其中提到屈原说的话:路曼曼其修远兮,吾将上下而求索。做大学问的路很长很远,我们一定要看得很远,才能够成功,因此我们要上下去求索,要想尽办法去求真。

   如何去寻找真与美,并且能够始终不断地坚持下去,是我们成功的一个重要因素。一个活跃的科研团队,往往要和其他团队激烈竞争,尤其是实验科学的研究,可以说是分秒必争。当一个重要的科研题目出现的时候,大家都知道其他团队也在做同样的问题,研究团队会聚在一起,往往工作到深夜,甚至整个晚上不睡觉。他们一致的目标,就是比人家快一点,早一点将实验做出来,早一点发表文章,这样做固然是一个同行竞争的激烈场面。只要是光明正大的竞争,这是健康的,无可厚非的。另一方面这也是因为求真的热忱在鼓舞着他们,激励着他们不要松懈。否则的话,已经有终身教职的研究人员没有必要这样拼命,他们愿意这样做,热忱的求真求美的精神是其中一个重要的原因。

   做研究的道路有时是很漫长的,我们需要在研究低潮的时候还能够坚持做下去。很多做研究的人,觉得自己若不在世界科研中心的地方,便做不出重要的研究。可是有些人在科研最负盛名的地方做研究,也不敢去碰困难的题目。

   这种现象有很多不同的原因,等一下我们再慢慢谈,可是我想最要紧的是基本功夫没做好。在我们上中学、大学或者在研究院做研究生的时候,基本功夫都要赶快培养好,很多学生在年轻的时候没有将基本功夫做好,以后做研究时就很吃力。

   另一方面,现在大家都喜欢谈应用数学,其实大部分应用数学的主要工具和想法都是从基础数学来的。但是很多学生认为,他们既然是学应用数学就不用学基础数学,或者是学应用物理就不必学理论物理了,这是很大的错误。其实没有基础数学和理论物理的支持,应用科学不可能有重要的突破。

   基本的功夫一定要在做学生的时候学好,为什么呢?在这一段时候,我们会愿意去做习题,并且会大量地去做,这是学习基本功夫的必要过程。我相信很多本科毕了业或是拿了博士学位的学生,读书时不会再去做习题,遇到一些比较复杂计算时,也不愿意仔细地去计算,殊不知很多基本的想法就是从复杂的计算里面领悟出来的。一项研究,最终只看到很简单、很漂亮的结果,但是中间可能经过大量的计算。

   好的研究不是一朝一夕得来的,往往做了一百次的计算,九十九次都是错的,最后一次才是成功的。但作者只会宣布成功的结果,不会告诉你他九十九次失败的经验。错误的经验往往是很好笑的,很多错误要在做完题目的时候才发现。有些错误其实是很明显的,可是当作者描述自己的结果给别人听的时候,不会讨论错误的那部分,一方面作者可能不知道自己的错误在什么地方,一方面发生错误的地方可能很模糊,讲不清楚。其实了解到自己如何犯错后,我们的眼睛会更加明亮,犯错的经验反而会帮助我们了解问题,让我们找到新的方向向前走。

   其实能够得到错的结果,已经是很不错了,因为很多初学者连怎么着手做题目都不知道。譬如说,你给我一个化学题目,该从什么地方入手我都没有头绪,因为我没有掌握任何化学的基本功夫。一个好的数学家至少要掌握两门以上很基本的功夫。数学有很多分支,如代数、分析、几何等种种不同的方法,我们在中学的时候就开始学。有些人喜欢几何,觉得代数没有什么意思不想学,或者是学代数的人不想学几何,各种想法都有,可是最后我们发现,真正做数学研究的时候全部方法都需要用到。有些人做了数学中某个特殊方向的题目后,就把全部精力,去继续做这方面的工作,不去做其他题目了。少数学者能够精益求精的做出深入的工作,但是大部分人却只能在同一个方向做一些琐碎的工作,连原来那方面的问题也不见得做得好。

   数学不停地发展,不断地改变,自然界提供给我们的问题,不会因为你是几何学家就持续不断地提供几何方面的问题,而往往是与几何结合在一起的。这些题目需要用到其他工具,如果我没办法去了解,就比其他人吃亏了。例如,数学中有一门很重要的学科叫“群表示理论”,很多高校不教这门课,可是它在许多应用科学与理论科学中都要用到。很多著名数学家和物理学家都能够熟练地运用“群表示理论”来分析问题。假如我们没有学过这些办法,就吃亏了,这是基本功夫没有做好的缘故。在中国,“群表示理论”大概是进了研究院或者大学后半期的时候才开始学习的。中国数学家在这方面的训练不够,因此在应用群表示论时不如国外学者,由此可见基本学科一定要学好,同时要很早就学。

   我们学数学的不单要学数学上的基本功夫,也要学物理上的基本功夫,同时在大学时就要学。力学、电磁学和量子力学我们都要有一定的了解,近几十年物理跟数学越走越近,很多数学问题是物理学提供的。假如对这些基本的观念完全不了解的话,我们看题目就比不上懂得这方面的学者,他们能够很快地融会贯通。理论物理、应用数学或其他的科学引发出很多数学问题,它们甚至提供了这些问题的直观看法和解决方法。

   数学中有很多悬而未决的问题,往往因为其他科学带来的想法而得到解决。假使我们从来都不接触其他科学的话,就完全落伍了。举个例子,代数几何学这七十年来有了长足的发展。可是到了近三十年,一些古典方法无法解决的问题,理论物理却帮助我们看到以前看不到的地方。由于本身知识的局限,很多代数几何学家遇到这些困难的时候,没有办法接受这些专家的看法。可是物理学家却确实指明解决一些代数几何问题的方向,代数几何学家又觉得很难为情,因为他们不懂物理学,没有办法去了解他们的想法,这是一个很令人困扰的现象。假使我们年轻时不肯学物理学上的基本功夫,就没有能力接受这些新的挑战。

   记得我看过一本 Joseph

   Wolf 写的书,在序言里,作者感谢芝加哥大学的代数学

   Adrian Albert,为什么感激他呢?作者说:“Albert

   教我代数,使得我坐下来的时候,看到代数的问题不会恐慌,使我能够有信心地去解决这些代数上的问题”。我们的基本功夫能不能做到如此,就是当看到数学的问题时,能不能够坐下来有信心地去想办法对付它,我想这是做学问很重要的过程。我们往往看到数学问题时,恐慌得不晓得怎么办,因此就放弃了,我想大家都有这个经验。做基本功夫一定要做到看一个题目时,即使是历史上未解决过的问题,你还是可以坐下来,花工夫想办法去解决它。即使你不能够解决它,你至少要有一定的想法去对付这个问题,不会恐慌或放弃它,我想这种训练是最重要的。往往我们因为基本功夫没做好,当一个深奥的题目出现的时候,我们拒绝去接受它,认为这些题目不重要,这是能力有缺陷的学者解释自己为什么不能去做某些问题时最常见的想法。结果是“重要的问题来了,却眼睁睁地看着别人解决它,自己却无能为力!”。著名的物理学家泡利(Wolfgang

   Pauli)就曾经说过这样的话。爱因斯坦是个伟大的物理学家,但是他不懂得几何的想法,他找同学

   Marcel Grossmann 帮忙,才知道黎曼的重要工作,否则广义相对论发展不出来。

   训练基本功夫要在中学生、大学生或研究生的时候。怎样学好基本功夫呢?有时看完一本书后,就将书放在一边,看了两三本书后就以为懂了,其实单看书是不够的,重要的是做习题,因为只有在做习题的时候,你才能知道什么命题你不懂,也理解到前人遇到的困难在哪里。习题不单在课本里找,在上课和听讲座时也可以找得到。很多学生上课的时候不愿意做笔记,三十年前不做笔记的话根本不可能去念任何学科。尤其是有时候讲者讲的题目根本不在书本里,又或者是还没有发表的。现在有了电脑方便多了,但是笔记还是重要的。通过手写的经验比看电脑来得扎实。我常觉得很奇怪,为什么学生不做笔记?他认为他懂了,其实明明不懂。因为可能连讲课的人自己都还没搞懂。听讲的人不愿意去做笔记,也不愿去跟演讲的人谈,或去跟其他老师讨论,这是很可惜的事情。

   基本功夫的另一个训练就是要找出自己最不行的地方在哪里。我们在学习“群表示理论”的时候,会遇到一大套抽象的理论。单看抽象的理论是不够的,在应用时往往要知道群表示是怎么分解的,你不能够将它写下来,漂亮而抽象的理论对你一点好处都没有。又例如,在研究微分方程时,往往会遇到方程式的估值问题,你有没有真正了解其中的方法,就全靠你的实际计算经验,不是光念一两本书就足够的。记得我的儿子在中学时学多项式的因式分解的问题,老师教了他一大堆怎么分解整数方程的方法。他学得很好,也学了怎么找根的方法。可是有一次考试时他就是不知道怎么做因式分解。我跟他说,你明明晓得怎么找根,为什么不能够做因式分解?主要是他学的时候没想到找根与因式分解是同一件事情。问题就在于训练基本功夫的时候,要去想清楚数学命题间的关系,以及为什么要解这些命题。

   我们去看很多人写的前人的历史,写了很多很漂亮的介绍和批评。可是你自己没有经历过这一条路的话,事实上很难了解困难在什么地方,为什么人家会这样子想。要得到这个经验,不单要做习题,还要做比较困难的习题。做困难的习题有什么好处呢?困难的习题往往是几个比较基本的问题的组合。我自己看书的时候,常常会一本书一下子就看完了,觉得很高兴,因为看完了。可是重新再看,还是觉得什么都不懂。我想大家都有这个经验,主要的原因是什么呢?我们没有学好这学科,做比较困难的题目的时候,就会束手无策。我们做一些题目的时候,往往觉得似是而非,在脑子里面想,以为已经懂了,可以解决了,就一厢情愿地想这个问题已经解决了,于是很快地看完那一本书,事实上这是欺骗自己,也不是训练基本功夫的方法。一个好的题目,你应当坐下来,用笔写下来,一步一步地想,结果你会发现很多基本的步骤你根本没有弄清楚。当你弄清楚的时候,你去看你以前需要的定理在哪里,怎么证的,我想你就会慢慢了解整个学问的精义在哪里。所以说,动笔去做题目是很重要的,我们做大学生的时候还愿意做这个事,往往做研究生的时候,就不会动手去做了,毕业以后更不用讲。一个题目在书本里,我们以为自己懂了,有些是很明显,但有些是似是而非的,好像差不多了,事实上不是,里面有很多巧妙的东西。我们一定要动手去做,才知道这些巧妙的内容在什么地方,我们把基本功夫搞得很扎实以后,就会发现书里面很多是错的。能够发现书本里的错误时,你的基本功夫就不错了。我们这个时代的学生不看课外书,连本学科的教科书也不看,很令人失望。做研究时,自己要去找自己的思路。单单上课听听,听完以后不看书,做几个习题就算了,怎么做都做不好。因为你没有想自己的思路要怎样走。

我念大一到了一半时,(点击此处阅读下一页)

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文章来源:《数理人文》公众号

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