冯康主要成就

科研成就

拓扑群研究
冯康

冯康最早的工作(没有发表)是辛群的生成子和四维数代数基本定理的拓扑证明。接着他研究殆周期拓扑群理论,这是1934年由冯·诺依曼创始的,与酉阵表现密切相连。按照群所有的酉阵表现的多寡分出两种极端类型:极大殆周期群-有'足够多'的酉阵表现;极小殆周期群-没有非平凡酉阵表现。1936年A.韦伊(Weil)及H.弗勒登塔尔(Freudenthal)解决了极大群的表征问题,它们就是紧群与欧几里得向量群的直积。1940年冯·诺依曼及E.威格纳(Wigner)对于极小群作出了重要进展,但其表征问题一直没有解决。

1950年,冯康率先对线性李(Lie)群(及其覆盖群)解决了这一问题:没有非平凡酉阵表现的充要条件是'本质上'不可交换与非紧。这一成果在后来酉表现论和物理应用中愈显出其重要性。

广义函数论研究

1954年起,冯康开展广义函数系统性理论(50年代初L.施瓦尔茨(Schwartz)提出)的研究,发表了《广义函数论》长篇综合性论文,也含有一些自己的新成果,推动了这项理论在中国的发展。他还建立了广义函数中离散型函数(δ函数及其导数)与连续型函数之间的对偶定理。他应华罗庚教授的建议,建立了广义梅林变换理论,对于偏微分方程和解析函数论等均有应用,国外迟至60年代才出现类似的工作。

计算数学研究

1957年根据国家12年科学发展规划,中国要填补电子计算机研制与应用领域的空白,冯康调往新成立的计算技术研究所,参加中国计算技术与计算数学的开创工作,由于他在物理及数学方面的坚实基础和渊博知识,为他在计算数学领域的业务指导工作及他个人的研究工作起了重要作用。他作为计算数学这门新兴学科的先行者和带头人,特别重视理论和实践的结合。

在冯康的指导下,中国科学院计算技术研究所第3研究室承担了大量的国防、国民经济各部门的实际计算任务。冯康亲自讲授了有关的物理、力学知识及计算数学理论,对所有的课题都亲自过问,进行具体的指导;在天气数值预报、大型水坝应力计算、核武器内爆分析与计算、核武器中子迁移方程计算、航天运输工具的高速空气动力学计算、大庆油田地下油水驱动问题、飞机翼气动力颤振性计算、汽轮机叶片流场计算、流体力学稳定性计算等方面取得了一系列学术上有创见性的理论成果及实际效果,并为电子计算机及其应用的普及推广做出了开创性的成绩。
冯康

有限元法的创始

20世纪50年代末,冯康在解决大型水坝计算问题的集体研究实践的基础上,独立于西方创造了一整套解微分方程问题的系统化、现代化的计算方法,当时命名为基于变分原理的差分方法,即现时国际通称的有限元方法,其系统的理论、总结论文《基于变分原理的差分格式》被刊于1965年《应用数学与计算数学》,是中国独立于西方系统地创始了有限元法的标志,该文提出了对于二阶椭圆型方程各类边值问题的系统性的离散化方法。为保证几何上的灵活适应性,对区域Ω可作适当的任意剖分,取相应的分片插值函数,它们形成一个有限维空间S,是原问题的解空间即C.Л.索伯列夫(Соболев)广义函数空间H1(Ω)的子空间。基于变分原理,把与原问题等价的在H1(Ω)上的正定二次泛函数极小问题化为有限维子空间S上的二次函数的极小问题,正定性质得到严格保持。这样得到的离散形式叫做基于变分原理的差分格式,即当今的标准有限元方法。文中给出了离散解的稳定性定理、逼近性定理和收敛性定理,并揭示了此方法在边界条件处理、特性保持、灵活适应性和理论牢靠等方面的突出优点。这些特别适合于解决复杂的大型问题,并便于在计算机上实现。

自然边界归化及自然边界元方法的提出20世纪60年代以来,有限元方法对于求解有界区域的椭圆边值问题取得了极大的成功,被广泛应用于工程技术和科学计算中,是计算数学的重大成就。但是有些实际计算问题的计算区域是无界的,用有界区域来近似无界区域时,为达到所需的精度,会使计算量大大增加,边界元方法是解决此问题的一种有效途径。关于对微分方程作边界归化的思想,早在上一世纪就已出现,但应用于数值计算却是本世纪60年代才开始,这就是边界元方法,即将微分方程归化为边界上的积分方程。

由于归化的方法不同,各种边界元方法的数值效果也不尽相同。冯康根据这类问题的物理特性,引用阿达马(Hadamard)型超奇异核,提出自然归化的概念,即通过自然归化后,能量不变,从而保持了问题的本质不变。在这个概念下,他提出了自然边界元方法。该方法除所有边界元方法共有的优点外,还具备许多独特之处:由于通过自然归化后能量不变,使原来椭圆型边值问题的性质都保留,从而保证了自然积分方程的解的存在性、唯一性及稳定性,并且也保证了与有限元方法自然而直接地耦合,由此形成一个有限元与边界元兼容并蓄而自然耦合的整体性系统,能够灵活适应于大型复杂问题,便于分解计算。这是当前与并行计算相关而兴起的区域分解方法的先驱工作。作为特例,冯康对亥姆霍兹(Helmholtz)方程建立了与经典的无穷远处的索墨菲尔德(Sommerfeld)辐射条件相对应的有穷远处的积分型辐射条件,具有理论与应用的价值。

20世纪70年代,在间断有限元理论方面,冯康建立了间断函数类的庞加莱(Poincaré)型不等式,并在此基础上建立了间断有限元函数空间的嵌入理论,这在国际上是先进的。

冯康还将椭圆方程的经典理论推广到具有不同维数的组合流形,即由不同维数子流形组成的几何结构,在国际上为首创,为组合弹性结构理论提供了严密的数学基础,解决了有限元法对于组合结构的收敛性问题。此项工作的成果,被写进了专着《弹性结构的数学理论》,受到工程界的欢迎。鉴于诸如机器人以及空间站等高度复杂结构的出现,这一方向会有很大的发展前景,现正由他的学生和一些国外学者在继续工作。

与此同时,冯康对传统的将椭圆方程归化为边界积分方程的弗雷德霍姆(Fredholm)理论作了重要发展,提出自然归化的概念作为边界归化的标准方法,形成了自然边界元方法,它能和有限元法自然耦合而统于一体,实质上成为后来兴起的适合于并行计算的区域分解法的先驱。

冯康倡导的自然边界元方法被国内外专家称为当今国际上边界元方法的三大流派之一。

哈密顿体系哈密顿算法的创立

1984年起,冯康将研究重点从以椭圆方程为主的平衡态稳态问题转向以哈密顿方程及波动方程为主的动态问题。同年在微分几何和微分方程国际会议上发表的论文《差分格式与辛几何》,首次系统地提出哈密顿方程和哈密顿算法(即辛几何算法或辛几何格式),提出从辛几何内部系统构成算法并研究其性质的途径,提出了他对整个问题领域的独特见解,从而开创了哈密顿算法这一新领域,这是计算物理、计算力学和计算数学的相互结合渗透的前沿界面。自此以后,冯康领导中国科学院计算中心的一个研究小组,将纯理论的辛几何和现代的科学工程计算有机地结合起来,系统地开展了这方面的研究。

发展中国科学事业冯康还为中国计算数学学科的发展多次提出重要的指导性意见,如,创办中国性的计算数学学术刊物,成立中国计算数学学会;向中央领导同志提出紧急建议,呼吁社会各方面重视科学与工程计算,倡议成立科学与工程计算开放实验室,倡议将科学与工程计算列入国家基础研究重点项目等等。特别是,他论证了'实验、理论、计算已成为科学方法上相辅相成的而又相对独立,可以相互补充代替而又彼此不可缺少的三个重要环节',指出'科学与工程计算作为一门工具性、方法性、边缘交叉性的新科学已经开始了自己的新发展,它包括了近年不断形成的各个计算性学科,如计算数学、计算物理、计算力学、计算化学以及计算地震学等各种计算性工程学。计算数学则是它们的联系纽带和共性基础'。说明了计算手段对于科学技术进步的重要性和迫切性,从而在科学技术发展的战略高度上阐明了科学与工程计算的地位和作用,这将有力地促进计算数学在中国的四个现代化中发挥它应有的作用。后来,科学与工程计算开放实验室建成,'科学与工程计算的方法和理论'被列为'八五'期间国家重点关键基础研究项目,冯康为该项目的首席专家。

主要论着

1FengKang.Minimallyalmostperiodictopologicalgroups.ScienceRecord(AcademiaSinica),1950,3(2):161-166.

2冯康.广义函数论.数学进展,1955,1(3):405-590.

3冯康.广义函数的对偶关系.数学进展,1957,3(1):201-208.

4冯康.广义Mellin变换.数学学报,1957,7(2):242-267.

5冯康.基于变分原理的差分格式.应用数学与计算数学,1965,2(4):237-261.

6冯康.组合流形上的椭圆方程和组合弹性结构.计算数学,1979,1(3):199-208.

7冯康.间断有限元理论.计算数学,1979,1(4):378-385.

8冯康.微分和积分方程、有限和无限元.计算数学,1980,2(1):100-105.

9冯康,石钟慈.弹性结构的数学理论.北京:科学出版社,1981.

科研成果奖励

时间项目名称奖项
1978年中国科学大会重大成果奖
1982年有限元方法国家自然科学奖二等奖
1987年地震勘探数值方法国家科技进步奖二等奖
——中国科学院自然科学奖一等奖
1991年国家科技进步二等奖
1997年哈密尔顿系统的辛几何算法国家自然科学奖一等奖(追授)
人才培养

冯康注重培养年轻优秀的人才,在他的指导与关怀下,中国科学院计算中心计算数学专业逐步形成了一个年轻的优秀人才梯队,1980年与1988年两度中国最年轻的研究员都出在计算中心,都是在他的亲自关怀下成长的。截至1993年,根据中国科学技术信息研究所、国家工程技术数字研究馆信息、全国图书馆参考咨询联盟,冯康培养学生情况如下:

时间名称作者类型
1984年正则边界归化与正则边界元方法余德浩博士
1988年HAMILTON(哈密尔顿)系统的数值方法汪道柳博士
1988年辛几何及其在数值分析中的应用葛忠博士
1988年哈密顿系统的最小混沌中的随机网及其计算陈旻硕士
1989年在具有局部内存和互联开关结构的并行机上求解线性和非线性方程组的数值方法迟学斌博士
——Hamilton系统辛算法及其对非线性Schrodinger方程的应用唐贻发博士
——Hamilton系统辛几何算法KAM定理及其相关方面的研究尚在久博士
——无穷维Hamilton系统的半离散理论与计算王双虎博士
——紧致Riemann流形上的Hamilton系统和Hamilton算法唐贻发硕士
——Contact系统的辛化、约化、生成函数舒海斌硕士

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