許寶騄
中國科學院院士
許寶騄(1910年9月1日—1970年12月18日),字閑若,出生於北京,數學家,中國科學院院士,北京大學數學系教授。
1928年許寶騄考入燕京大學化學系;1929年轉入清華大學數學系;1933年從清華大學畢業並獲得理學士學位,畢業后考取留英名額,因體重不合格未能成行,因而在北京西山休養一年。1934年至1936年擔任北京大學數學系助教;1936年再次考取了赴英留學,派往倫敦大學學院攻讀博士學位;1938年獲得哲學博士學位;1940年獲得科學博士學位,之後從英國回到中國,擔任北京大學數學系教授,執教於昆明西南聯合大學;1945年至1947年先後在美國加州大學伯克利分校、哥倫比亞大學、北卡羅萊納大學任訪問教授;1947年至1970年擔任北京大學數學系教授;1948年當選為中央研究院院士;1955年當選為中國科學院學部委員;1970年12月18日逝世於北京。
許寶騄從事數理統計學和概率論研究,最先發現線性假設的似然比檢驗(F檢驗)的優良性給出了多元統計中若干重要分佈的推導,推動了矩陣論在多元統計中的應用,與H.Robbins一起提出的完全收斂的概念是對強大數定律的重要加強。
1910年9月1日,許寶騄出生於北京,原籍浙江杭州。許寶騄幼年隨父赴任,曾在天津、杭州等地留居,大部分時間都由父親聘請家庭教師傳授,攻讀《四書》、《五經》、歷史及古典文學,10歲后就學作文言文,因此他的文學修養很深,用語、寫作都很精練、準確。
1925年,許寶騄進入北京匯文中學,從高一讀起。
1928年,匯文中學畢業后考入燕京大學理學院。由於中學期間受表姐夫徐傳元的影響,對數學頗有興趣,入大學后了解到清華大學數學系最好,決心轉學念數學。
1933年,畢業獲理學士學位,經考試錄取赴英留學,體檢時發現體重太輕不合格,未能成行。於是下決心休養一年。
1934年,任北京大學數學系助教,擔任正在訪問北京大學的美國哈佛大學教授奧斯古德的助教,前後共兩年,奧斯古德在他後來出版的書中,提到了許寶騄的幫助。奧斯古德是分析方面的專家,在這兩年內許寶騄做了大量的分析方面的習題,也開始了一些研究,1935年他發表了兩篇論文,其中一篇是與江澤涵合作的,都是分析方面的論文。那時芬布爾和阿蒂肯合寫的《標準矩陣論》已出版,許寶騄熟練地掌握了矩陣的工具,尤其精通分塊演算的技巧。所以這兩年內他在分析和代數兩方面都打下了紮實的基礎。
1936年,許寶騄再次考取了赴英留學,派往倫敦大學學院,在統計系學習數理統計,攻讀博士學位。
1938年,許寶騄共發表了3篇論文。當時倫敦大學規定數理統計方向要取得哲學博士的學位,必需尋找一個新的統計量,編製一張統計量的臨界值表,而許寶騄因成績優異,研究工作突出,第一個被破格用統計實習的口試來代替。1938年他獲得了哲學博士學位。同年,系主任內曼受聘去美國加州大學伯克利分校,他推薦將許寶騄提升為講師,接替他在倫敦大學講課。
1939年,許寶騄又發表了兩篇論文。
1940年,又發表了3篇。其中兩篇文章是數理統計學科的重要文獻,在多元統計分析和內曼-皮爾遜理論中是奠基性的工作,因此他獲得了科學博士的學位。
1940年,到昆明,在西南聯合大學任教。鍾開萊、王壽仁、徐利治等均是他的學生。
1945年秋,他應邀去美國加州大學伯克利分校和哥倫比亞大學任訪問教授,各講一個學期,學生中有安德森,萊曼等人。
1946年,到北卡羅萊納大學任教。一年後,他決心回國,謝絕了一些大學的聘任,回到北京大學任教授。
1948年,當選為中央研究院院士。回國后不久就發現已患肺結核。他長期帶病工作,教學科研一直未斷,在矩陣論,概率論和數理統計方面發表了10餘篇論文。
1955年,當選為中國科學院學部委員。
1963年,許寶騄帶病領導3個討論班(平穩過程、馬氏過程、數理統計),帶領青年人搞科研。他在60年代中期,對組合數學有濃厚的興趣,1966年初,與段學復教授聯合主持組合數學的討論班,因“文化大革命”而被迫中斷。
1970年12月逝世時,他床邊的小茶几上還放著一支鋼筆和未完成的手稿。
許寶騄
1936年到1940年,倫敦大學學院統計系正處於鼎盛時期,皮爾遜退休后,由費歇任高爾頓實驗室主任,皮爾遜當系主任。一些學者陸續前來訪問,包括美國的多元分析專家霍太林,威爾克斯,頻率曲線專家克萊格,概率專家費勒。教師中有內曼這樣的教授,所以許寶騄很快就接觸到數理統計方面科學前沿的情況。自30年代到40年代,正是N.P.理論(內曼-皮爾遜理論)的形成時期。對於點估計和假設檢驗,首次提出優良性的概念。如果說,N.P.理論形成以前,數理統計的研究主要是尋求解決問題的方法的話,那麼N.P.理論就明確地提出了應該尋求優良的方法,而優良性有客觀的標準。於是,馬上就會提出的問題是:現有的一些方法如t、F檢驗等是否具有優良性呢?也就是要問,它們的功效函數是否在一定範圍內就是最大的。1938年許寶騄導出了霍太林提出的T2檢驗在一定意義下是局部最優的,主要的困難是在零假設不成立時,如何導出T2的分佈,通常稱為非零分佈,有了非零分佈才能討論功效函數的大小。他的這一工作在N.P.理論和多元統計分析中都是佔有重要地位的先驅性工作。許寶騄的另一項重要工作是在1943年完成的,在討論檢驗方法的優良性時,對於線性模型的線性假設,第一次證明了似然比檢驗的優良性,是對多參數假設檢驗第一個非局部優良性的工作,如用λ表示似然比檢驗非零分佈中的非中心參數,他證明了:如果功效函數只依賴於λ,那麼似然比檢驗就是一致最強的。後來的研究發現這個條件等價於要求檢驗具有某一種不變性——這種不變性的要求是問題本身很自然的、合理的要求,因而就相當於證明了似然比檢驗是一致最強不變檢驗。萊曼在紀念許寶騄的文章中寫了如下的這一段話來論述這篇論文的意義:
“這篇文章開創了兩個發展方向。一方面,他的學生席瑪卡將許的方法用於多元問題(霍太林的T2及多元相關係數)……。另一方面,在這篇文章中,許提供了獲得全部相似檢驗的新方法。在許的建議下,席瑪卡和萊曼將這個方法用於其他問題,後來萊曼和謝飛形成了完備性的概念。”
這足以說明許寶騄在這一方面的工作對後來的研究有多大的影響。
在參數估計方面,當時大部分人關心的是均值估計的優良性,尋找極小方差的無偏估計。1938年許在論文中第一個討論線性模型中參數б2的優良估計問題。在二次無偏的估計類中,如要求估計量的方差與期望值參數無關,他證明了通常的無偏估計S2具有一致最小方差的充分必要條件是4階矩具有與正態相同的關係式(這一條件在現在的文獻中稱為準正態分佈)。這個工作直到1952年,拉奧才從另一個角度——限定二次估計是非負的——重新討論了這個問題,得出了另一種充分必要條件。到了70年代末期,方差分量的模型引起了統計界的廣泛注意,許寶騄的工作是這個方向的起始點,而且他提出的方法仍然是處理更加複雜問題的有力工具,有的論文就用許氏模型這一名稱來代表這類問題。
此外許寶騄在尋求統計量的極限分佈,在次序統計量的極限律型方面,都有重要的貢獻。在1949年的一篇論文中,他考慮了樣本均值ū1,…,ūk的函數f(ū1,…,ūk),利用泰勒展開,就可以用線性函數或二次函數去近似。並且用許多例子說明,當零假設成立時,線性部分依概率收斂於零,極限分佈是正態變數二次型的分佈,在很多情況下,正好是x2分佈;當零假設不成立時,線性部分是主要的,因此極限分佈是正態。在這篇長達40多頁的論文中,他給出了許多統計量(尤其是多元分析中常見的)的漸近分佈。60年代初,許寶騄領導了一個討論班,帶動一批學生用類似的方法,獲得了次序統計量的各種情況下的極限律型,無論是單項的還是多項的,是固定名次的邊項還是非固定名次的邊項,是正則的還是非正則的中項,發表了幾篇論文。這些文章都是用筆名或他的學生的名義發表的,而基本的方法和思想都是他提出的。
安德森在紀念許寶騄的一文中,一開始就寫道:
“從1938年到1945年,許所發表的論文處於多元分析數學理論發展的前沿。……1945年後,他在哥倫比亞大學和北卡羅萊納大學講授多元分析,在那裡他培養學生從事這一領域的研究。如同一個有高度素養的數學家那樣,許推進了矩陣論在統計理論中的作用,同時也證明了有關矩陣的一些新的定理。”
這一段話對許的工作給出了明確的評價,也闡明了其研究工作的特色。多元統計分析中,相當於一元統計中x2分佈的是正態總體樣本協差陣的分佈。維希特在1928年導出這一分佈時,用的是幾何方法,證明中依賴於一些直覺的結論。這一工作被認為是多元分析歷史的開始。如果能給出一個嚴格而清晰的證明,這在理論上是重要的。許寶騄解決了這一困難,他把矩陣演算融合於分析的積分計算之中,給出了一個漂亮的證明,得到了一個一般性的積分公式:當n≥p≥1時,有
使用這一公式,只需在左端用正態密度及樣本協差陣的函數代替函數f(.),右端就給出樣本協差陣函數的期望值,從而導出相應的分佈。這一公式現已稱為許氏公式。從這個公式很方便導出著名的巴特萊脫(Bartlett)分解。
多元統計分析中不少統計量都是與隨機矩陣的特徵根相聯繫的。30年代末,著名的統計學家費歇,勞(Roy),格爾希克等,都在尋求正態總體樣本協差陣特徵根的聯合分佈,許寶騄也參與了這一競爭,他們幾乎同時都獲得了預期的結果,各人的方法不同,以許寶騄的分析方法最漂亮,他用矩陣微分這一工具,嚴格而清晰地導出了聯合分佈。20年後,安德森在他的書中,專列一章,詳細介紹這一工作,並說明這些複雜的雅可比行列式的計算主要是許寶騄的功績。後來,他在北卡羅萊納大學講課時使這一方法更為系統,技巧也更成熟。1951年,由當時聽課的學生第默爾和奧肯根據筆記整理髮表在《Biometrika》上。
許寶騄在學術研究上,一直是知難而進,積極參與重大問題的探討,他力求問題的徹底解決。例如非中心維希特分佈的隨機矩陣W的全部特徵根,它們的聯合分佈是很困難的,從大樣理論來看,求得漸近分佈就可處理實際問題,而極限情況依賴於總體的協差陣Σ和非中心參數陣φ,這些特徵根的聯合分佈僅依賴於|φ-λΣ|=0的這些相對特徵根λ1≥…≥λp≥0,這些λi可以是0,又可以是重根,他完美地處理了最一般的情況,這就充分顯示了他在數學上的功力。
他不僅自己在多元分析方面有很多開創性的工作,他還培養了像安德森、奧肯等國際上多元分析學術帶頭人,所以許寶騄被公認為多元統計分析的奠基人之一。許寶騄的像片懸掛在斯坦福大學統計系的走廊上,與世界著名的統計學家並列。
許寶騄在倫敦大學學院攻讀學位時,熟讀了克拉美的《隨機變數與概率分佈》(1937年出版),掌握了特徵函數的工具,所以他對極限理論很有興趣。1947年他與羅賓斯合寫的論文《全收斂和大數定律》,第一次引入全收斂的概念。當時國際上在概率方面主要的興趣是獨立隨機變數之和的極限分佈,正在從古典的向近代結果轉化。一些著名的概率論專家如科爾莫哥羅夫,辛欽,格涅堅科,萊維和費勒等人都在攻這難題。1947年,許寶騄已獲得了主要的結果:每行獨立的無限小隨機變數三角陣列的行和,依分佈收斂到一給定的無窮可分律的充分必要條件。由於當時信息不通,他不知道別人的工作情況,當時他寫信給鍾開萊時說:“……我擔心正在進行的工作會和別人相重……”後來,他知道了格涅堅科和科爾莫哥羅夫的工作,就沒有再發表自己的研究。實際上許的方法和俄國人還是不同的,許的方法更為直接。1968年,當格涅堅科和科爾莫哥羅夫合寫的《獨立隨機變數之和的極限分佈》英譯本再版時,鍾開萊用附錄的方式第一次刊印了許寶騄的工作。然而許在生前並未看到這本書,他始終沒有看到自己的這一部分工作的公開發表。
50年代中期,許寶騄對馬爾可夫過程有相當的興趣,他用純分析的方法研究了跳過程轉移概率函數的可微性,他曾做過一些馬氏鏈的極限定理,但未發表,又因“大躍進”中斷了討論班。1959年以後,他的興趣已轉向組合設計。還應一提的是他於1945年完成的一篇論文。這篇文章第一次用特徵函數方法來近似處理兩個高度相關的隨機變數的分佈,給出了樣本方差的漸近展開和余項的估計。這裡的難點是要處理二維的分佈,這是數理統計的問題,但方法和工具是概率論中常用的特徵函數。這一工作在70年代以後引起了國際上許多深入的研究。
許寶騄晚年對組合數學的興趣是由張里千三角方案的工作引起的。他感到可以把矩陣的方法系統地引入組合數學。從1961年起他就主持了一個試驗設計討論班,報告這一方面的工作,開展研究,用筆名班成在《數學進展》上發表的文章是這一討論班的成果。文中用一條矩陣的引理,統一處理了υ=2的各種方案的唯一性和非唯一性(把張里千的結果包括在內)。後來在1966年初,他又在討論班上系統報告了BIB的工作。“文化大革命”中,他並未中斷研究,當時看不到任何雜誌,直到1970年,才允許他看雜誌,那時他已癱瘓。在兩個月內,他翻閱了1966年“文化大革命”以後的全部《數理統計紀事》,了解國際上的學術動態,寫下了最後一篇關於BIB與編碼的論文,並將這篇文章的手稿託付給段學復教授。
許寶騄的天賦很好,掌握外語的能力很強,中學時利用課餘時間學習法語,兩年後就能寫短文與會話。除了課堂上學的英語外,他還自學了德語與俄語。解放初期,為了翻譯大批的蘇聯教材,他刻苦自學鑽研,短期內就能翻譯一些重要的教材,如菲赫金戈爾茲的三卷本《微積分學教程》和格涅堅科的《概率論教程》都是他負責校訂的。很多教學內容,他也是自學掌握的,如勒貝格積分、測度論、泛函分析等。他的成就,除了天賦外,勤奮刻苦,鍥而不捨是一重要的原因。在昆明西南聯合大學任教時,生活很清苦,資料又匱乏,要找一本參考書有時都很困難,他的書架上擺著他那時手抄的蒂奇馬什的整本《函數論》。
50年代,他已是著名的大教授了,一旦看到好的書,他就仔細閱讀,大量做題,他曾逐章逐題去解答那湯松著的《實變函數論》和安德森的《多元統計分析引論》的練習題。他能把一些習題深化,變成小的研究習作,有的就可以變成論文。他對論文的發表要求很嚴,他曾說過這樣一句話:“我不希望自己的文章登在有名的雜誌上而出名,我希望雜誌因為登了我的文章而出名。”儘管他自己是學部委員,可以推薦論文儘快在《科學記錄》上刊登,然而他自己的論文大部分都刊登在北京大學的學報上。他的論文有的長達幾十頁,有的短到一頁多一點,都是以解決問題為目的,樸實無華,簡明扼要。他一生正式被刊出的論文在生前只有30多篇,然而其中絕大部分都是很有分量的工作。一些小的結果他往往批註在書的邊頁上,並不認為是值得發表的。
1962年他在討論班上講授正態變數二次型分佈是x2的充分必要條件時,對退化的情況已作了處理,而這一結果在1966年在國外才作為一篇論文單獨發表。他對引用的結果都非常認真,自己必須能完全給出證明。他在研究工作中,有兩點是非常明顯的。一是追求初等的證明,他認為初等的方法比艱深的方法更有意義,所以他的講課能吸引很多人來聽,他把問題剖析得非常清楚,問題的解決似乎是自然而容易的。另一特點是要求證明演算化,不要藉助任何幾何的直覺。為了充分闡明他的這一觀點,1964年冬,他在討論班上系統講授點集拓撲時,每個證明都是由集合運算導出的,後來由於社會主義教育運動,未能講完就中斷了。在教學上,他主張“良工示人以朴”,應把原始的,真實的思想講解給學生,而在形式上,在證明方法上要力求簡明無冗言贅文。他的講課是深刻的思想與完美的形式十分良好的結合,他的中外學生稱讚說:“他的講授是完美的。”作為教師和科學家,他對於學生和同行都有強烈的影響。一些人回憶說:“許寶騄堅持深入淺出,毫不迴避困難。特別是沉著、明確而又默默地獻身於學術的最高目標和最高水平,這種精神吸引了我們。”
他頑強地長期帶病搞科研和教學,為祖國的科學事業工作到最後一息。1970年12月18日清晨,他病逝於北京大學的勺園佟府。
施普林格出版社刊印《許寶騄全集》后,書評中有這樣一句話:
許寶騄被公認為在數理統計和概率論方面第一個具有國際聲望的中國數學家。
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數學發展史
1919年五四運動以後,中國近代數學的研究才真正開始。近現代數學發展時期這一時期是從20世紀初至今的一段時間,常以1949年新中國成立為標誌劃分為兩個階段。
中國近3年留日的馮祖荀,1908年留美的鄭之蕃,1910年留美的胡明復和趙元任,1911年留美的姜立夫,1912年留法的何魯,1913年留日的陳建功和留比利時的熊慶來(1915年轉留法),1919年留日的蘇步青等人。他們中的多數回國后成為著名數學家和數學教育家,為中國近現代數學發展做出重要貢獻。其中胡明復1917年取得美國哈佛大學博士學位,成為第一位獲得博士學位的中國數學家。隨著留學人員的回國,各地大學的數學教育有了起色。
最初只有北京大學1912年成立時建立的數學系,1920年姜立夫在天津南開大學創建數學系,1921年和1926年熊慶來分別在東南大學(今南京大學)和清華大學建立數學系,不久武漢大學、齊魯大學、浙江大學、中山大學陸續設立了數學系,到1932年各地已有32所大學設立了數學系或數理系。
三十年代出國學習數學的還有江澤涵(1927)、陳省身(1934)、華羅庚(1936)、許寶騄(1936)等人,他們都成為中國現代數學發展的骨幹力量。同時外國數學家也有來華講學的,例如英國的羅素(1920),美國的伯克霍夫(1934)、奧斯古德(1934)、維納(1935),法國的阿達馬(1936)等人。
1935年中國數學會成立大會在上海召開,共有33名代表出席。
1936年《中國數學會學報》和《數學雜誌》相繼問世,這些標誌著中國現代數學研究的進一步發展。
解放以前的數學研究集中在純數學領域,在國內外共發表論著600餘種。
在數論與代數方面,華羅庚等人的解析數論、幾何數論和代數數論以及近世代數研究取得令世人矚目的成果;
在幾何與拓撲學方面,蘇步青的微分幾何學,江澤涵的代數拓撲學,陳省身的纖維叢理論和示性類理論等研究做了開創性的工作:
在概率論與數理統計方面,許寶騄在一元和多元分析方面得到許多基本定理及嚴密證明。
此外,李儼和錢寶琮開創了中國數學史的研究,他們在古算史料的註釋整理和考證分析方面做了許多奠基性的工作,使我國的民族文化遺產重放光彩。
1949年11月即成立中國科學院。
1951年3月《中國數學學報》復刊(1952年改為《數學學報》)
1951年10月《中國數學雜誌》復刊(1953年改為《數學通報》)。
1951年8月中國數學會召開新中國成立后第一次全國代表大會,討論了數學發展方向和各類學校數學教學改革問題。50年代初期就出版了華羅庚的《堆棧素數論》(1953)、蘇步青的《射影曲線概論》(1954)、陳建功的《直角函數級數的和》(1954)和李儼的《中算史論叢》(5輯,1954-1955)等專著,到1966年,共發表各種數學論文約2萬餘篇。除了在數論、代數、幾何、拓撲、函數論、概率論與數理統計、數學史等學科繼續取得新成果外,還在微分方程、計算技術、運籌學、數理邏輯與數學基礎等分支有所突破,有許多論著達到世界先進水平,同時培養和成長起一大批優秀數學家。
60年代後期,中國的數學研究基本停止,教育癱瘓、人員喪失、對外交流中斷,后經多方努力狀況略有改變。
1970年《數學學報》恢復出版,並創刊《數學的實踐與認識》。
1973年陳景潤在《中國科學》上發表《大偶數表示為一個素數及一個不超過二個素數的乘積之和》的論文,在哥德巴赫猜想的研究中取得突出成就。此外中國數學家在函數論、馬爾可夫過程、概率應用、運籌學、優選法等方面也有一定創見。
1978年11月中國數學會召開第三次代表大會,標誌著中國數學的復甦。
1978年恢復全國數學競賽,1985年中國開始參加國際數學奧林匹克數學競賽。
1981年陳景潤等數學家獲國家自然科學獎勵。1983年國家首批授於18名中青年學者以博士學位,其中數學工作者佔2/3。
1986年中國第一次派代表參加國際數學家大會,加入國際數學聯合會,吳文俊應邀作了關於中國古代數學史的45分鐘演講。近十幾年來數學研究碩果累累,發表論文專著的數量成倍增長,質量不斷上升。
1985年慶祝中國數學會成立50周年年會上,已確定中國數學發展的長遠目標。代表們立志要不懈地努力,爭取使中國在世界上早日成為新的數學大國。
許寶騄的祖父曾任蘇州知府,父親曾任兩浙鹽運使,系名門世家。兄弟姊妹共7人,他最幼。其兄許寶駒、許寶騤均為專家,姊夫俞平伯是著名的文學家、紅學家。
興趣特長
許寶騄的天賦很好,掌握外語的能力很強,中學時利用課餘時間學習法語,兩年後就能寫短文與會話。除了課堂上學的英語外,他還自學了德語與俄語。解放初期,為了翻譯大批的蘇聯教材,他刻苦自學鑽研,短期內就能翻譯一些重要的教材,如菲赫金戈爾茲的三卷本《微積分學教程》和格涅堅科的《概率論教程》都是他負責校訂的。很多教學內容,他也是自學掌握的,如勒貝格積分、測度論、泛函分析等。他的成就,除了天賦外,勤奮刻苦,鍥而不捨是一重要的原因。在昆明西南聯合大學任教時,生活很清苦,資料又匱乏,要找一本參考書有時都很困難,他的書架上擺著他那時手抄的蒂奇馬什的整本《函數論》 。
健康狀況
1947年,許寶騄回國后不久就發現已患肺結核。他長期帶病工作,教學科研一直未斷,在矩陣論,概率論和數理統計方面發表了10餘篇論文。
1963年發現肺部有空洞,他的結核菌已有抗藥性時,組織屢次安排他休養,他均謝絕。
許寶騄塑像
許寶騄在中國開創了概率論、數理統計的教學與研究工作。在在內曼-皮爾遜理論、參數估計理論、多元分析、極限理論等方面取得卓越成就,是多元統計分析學科的開拓者之一。
1983年,德國施普林格出版社刊印了《許寶騄全集》,全集是由鍾開萊主編的,共收集了已發表的、未被發表的論文40篇。1980年與1990年秋,北京大學兩次舉辦紀念會,並出版了《許寶騄文集》。
北京大學許寶騄講座
北京大學許寶騄講座是為紀念已故數學家許寶騄先生而設立的。為緬懷先哲、激勵後學,2009年北京大學數學科學學院和北京國際數學研究中心決定聯合主辦一年一度的北京大學許寶騄講座,每年邀請一名學者到北京大學訪問,做一次公眾演講。歷年演講人分別是山東大學彭實戈教授(2009),斯坦福大學黎子良教授(2010),英國倫敦經濟學院的湯家豪先生(2011),美國喬治亞理工學院吳建福教授(2012)和美國斯坦福大學王永雄教授(2013)。