数学的价值
数学是研究空间形式和数量关系的科学,是刻画自然规律和社会规律的科学语言和有效工具。数学科学是自然科学、技术科学等科学的基础,并在经济科学、社会科学、人文科学的发展中发挥越来越大的作用。
一、认识数学的应用价值
1、数学生物学:生命是数字游戏
"21世纪将是生命科学的世纪",近代生物科学的发展可以说有两个特点:
一是微观方向的发展,如"细胞生物学"、"分子生物学"、"量子生物学"的发展等等,显微镜的出现使得生物科学向微观方向发展得到了可能,显微镜下人们可以看到生物的细胞和细胞的结构,但是显微镜下无法使人们了解各种细胞群体之间的互相关系。作为一个系统,它的发展过程以及发展趋势,就必须用数学的方法来研究。人们可以通过显微镜观察和实验去了解生物细胞的各种特性,但是显微镜和实验都不能得到综合的结论,而这种结论也必需用数学的方法来进行,因此也可以说生命科学的微观方向发展必不可少的要引用数学方法。
另一发展特点是宏观方向,从研究生物体的器官、整体到研究种群、群落、生物圈,生物体、生物器官、细胞分之的研究,我们都可以通过观察和实验来进行,但是对于生态学的研究则不完全是这样,数学的推理显示了特别的重要性,可以说生态学是一个以推理为主体的科学,所以有人说"生态学就是数学"
人们深信数学也将象显微镜一样帮助人们去揭示生命的奥秘,生物数学的研究就是通过数学模型来实现的,只要模型的建立符合生物发展规律,然后通过对模型的数学推理,进而发现新的生命现象。就如人们周知的事实一样,再天体力学的发展史中曾有利用万有引力的假设,依靠数学模型和严格的数学推理,准确的预测尚未被人们发现的天体的具体位置和大小,人们也深信数学在生命科学中的地位。数学模型不但可以帮助人们去研究生物体、了解生物体,而且可以帮助人们去把生物现象与工程联系起来,为生物工程的理论工作展现出美好的前景。
数学推动了生物的发展,生物数学研究工作本身也推动了数学的发展。人们发现,不但以前许多数学中的古典方法在生物科学中得到了很好的利用,而且对生物科学问题的研究,也给数学工作者提出了许多新的课题。例如近年来人们很有兴趣的关于混沌现象的研究等等,这种新的课题的出现并非偶然,因为数学从研究非生命体到研究生命体是从简单到复杂的一个飞跃。
2、战争中的数学应用
1)方程在海湾战争中的应用
1991年海湾战争时,有一个问题放在美军计划人员面前,如果伊拉克把科威特的油井全部烧掉,那么冲天的黑烟会造成严重的后果,这还不只是污染,满天烟尘,阳光不能照到地面,就会引起气温下降,如果失去控制,造成全球性的气候变化,可能造成不可挽回的生态与经济后果。五角大楼因此委托一家公司研究这个问题,这个公司利用流体力学的基本方程以及热量传递的方程建立数学模型,经过计算机仿真,得出结论,认为点燃所有的油井后果是严重的,但只会波及到海湾地区以至伊朗南部、印度和巴基斯坦北部,不至于产生全球性的后果。这对美国军方计划海湾战争起了相当的作用,所以有人说:“第一次世界大战是化学战争(炸药),第二次世界大战是物理学战争(为原子弹),而海湾战争是数学战争。”
2)巴顿的战舰与浪高
军事边缘参数是军事信息的一个重要分支,它是以概率论、统计学和模拟试验为基础,通过对地形、天侯、波浪、水文等自然情况和作战双方兵力兵器的测试计算,在一般人都认为无法克服、甚至容易处于劣势的险恶环境中,发现实际上可以通过计算运筹,利用各种自然条件的基本战术参数的最高极限或最低极限,如通过计算山地的坡度、河水的深度、雨雪风暴等来驾驭战争险象,提供战争胜利的一种科学依据。
1942年10月,巴顿将军率领4万多美军,乘100艘战舰,直奔距离美国4000公里的摩洛哥,在 11月8日 凌时晨登陆。 11月4日 ,海面上突然刮起西北大风,惊涛骇浪使舰艇倾斜达42°。直到 11月6日 天气仍无好转。华盛顿总部担心舰队会因大风而全军覆没,电令巴顿的舰队改在地中海沿海的任何其他港口登陆。巴顿回电:不管天气如何,我将按原计划行动。
11月7日 午夜,海面突然息浪静,巴顿军团按计划登陆成功。事后人们说这是侥幸取胜,这位“血胆将军”拿将士的生命作赌注。
其实,巴顿将军在出发前就和气象学家详细研究了摩洛哥海域风浪变化的规律和相关参数,知道 11月4日 至7日该海域虽然有大风,但根据该海域往常最大浪高波长和舰艇的比例关系,恰恰达不到翻船的程序,不会对整个舰队造成危险。相反, 11月8日 却是一个有利于登陆的好天气。巴顿正是利用科学预测和可靠边缘参数,抓住“可怕的机会”,突然出现在敌人面前。
3)山本五十六输在换弹的五分钟
在战争中,有时候忽略了一个小小的数据,也会招致整个战局的失利。
二战中日本联合舰队司令山本五十六也是一位“要么全赢,要么输个精光”的“拼命将军”。在中途岛海战中,当日本舰队发现按计划空袭失利,海面出现美军航空母舰时,山本五十六不听同僚的合理建议,妄图一举歼灭敌方,根本不考虑美军4舰载飞机可能先行攻击可能。他命令停在甲板上的飞机卸下炸弹换上鱼雷起飞攻击美舰,只图靠鱼雷击沉航空母舰获得最大的打击效果,不考虑飞机在换装鱼雷的过程中可能遭到美机攻击的后果,因为飞机换弹的最快时间是五分钟。
结果,在把炸弹换装鱼雷的五分钟内,日舰和“躺在甲板上的飞机”变成了活靶,受到迅速起飞的美军舰载飞机的“全面屠杀”。日本舰队损失惨重。从此,日本在太平洋海域由战略进攻转入了战略防御。
战后,有些军事评论家把日本联合舰队在中途岛海战失败原因之一归咎于那“错误的五分钟”。可见,忽略了这个看似很小的时间因素的损失是多么重大。
二、应用数学意识的增强
自鸦片战争以后,西方列强的军舰与大炮使中国朝野看到了科学与教育的重要,部分有识之士还逐步认识到数学对于富国强兵的意义,从而竭力主张改革国内数学教育,同时派遣留学生出国学习西方数学。辛亥革命以后,这两条途径得到了较好的结合,有力地推动了中国现代高等数学教育的建制。
20世纪20年代,是中国现代数学发展道路上的关键时期。在这一时期,全国各地大学纷纷创办数学系,数学人才培养开始着眼于国内。
伴随着中国现代数学教育的形成,现代数学研究也在中国悄然兴起。中国现代数学的开拓者们,在发展现代数学教育的同时,努力拼搏,追赶世界数学前沿,1920年末和1930年,已开始出现一批符合国际水平的研究工作。
从20世纪初第一批学习现代数学的中国留学生跨出国门,到1930年中国数学家的名字在现代数学热门领域的前沿屡屡出现,前后不过30余年,这反映了中国现代数学的先驱者们高度的民族自强精神和卓越的科学创造能力。
经过老一辈数学家们披荆斩棘的努力,中国现代数学从无到有地发展起来,从1930年开始,不仅有了达到一定水平的队伍,而且有了全国性的学术性组织和发表成果的杂志,现代数学研究初具规模,并呈现上升之势。
改革开放以来的20多年是我国数学事业空前发展的繁荣时期。中国数学的研究队伍迅速扩大,研究论文和专著成十倍地增长,研究领域和方向发生了深刻的变化。我国数学家不仅在传统的领域内继续作出了成绩,而且在许多重要的过去空缺的方向以及当今世界研究前沿都有重要的贡献。
这一切表明,我国的数学研究水平比过去有了很大提高,与世界先进水平的差距明显地缩小了,在许多重要分支上都涌现出了一批优秀的成果和学术带头人。中国人在国际数学界的地位空前提高了。
中国数学的今天,是几代数学家共同拼搏奋斗的结果。2002年国际数学家大会在北京召开,标志着中国国际地位的提高与数学水平的发展。在众多中国科学家的共同努力下,中国数学赶超世界先进水平,并在21世纪成为世界数学大国的梦想一定能够实现。