差不多九年后的 1982 年,我在南京大学的教学大楼里与硕士导师何旭初教授的几个同门弟子及南京师范学院的一位旁听研究生,作为最优化理论研究方向的专业基础课,注册修读了李天岩教授早九年旁听过的同名研究生课程。开讲此课的沈祖和老师很会教书,他选用的教材,恰好就是 1970 年出版的马里兰大学计算数学家 James M. Ortega(1932 - )和 Werner C. Rheinboldt(1928 - 2024)两教授撰写、现已成为经典的一本厚书《多变量非线性方程组的迭代解》(Iterative Solution of Nonlinear Equations in Several Variables)。我没问过李教授当凯洛格教授于 1973 年讲授该课时有没有将其本校同事的这本著作指定为教材或列为参考书,但当我于 1986 年留学密歇根州立大学数学系读博士学位而修了几年课,才知道美国大学和当时的中国做法经常不一样:许多教授讲授的研究生课程没有专门的教科书而只列出参考书,有的连参考书都没有,全靠教授依据自己准备的讲义,靠他的三寸不烂之舌来兜售知识。可是,这种看似不甚统一的做法,却至少会让有创造性思维倾向的一些听课者受益无穷。
为什么呢?因为那部分研究型教授在教学中由于知识常新,会有意或无意地将与课程内容相关的思想浪花泼洒在学生的头顶上,而这正是凯洛格教授在班上所做的。他的课中有一节讲的是布劳威尔不动点定理。这是以其主要发现者荷兰拓扑学家布劳威尔(L. E. J. Brouwer,1881-1966)的名字命名的一条大定理,其叙述语言稍微简单一点的某个版本是:n 维欧几里得空间中的单位闭圆球到其自身的任何光滑映射必有不动点。既然此定理极其重要,且应用十分广泛,从它问世后的几十年间人们找到了多种多样的证明也就不足为奇了。沈祖和老师发给我们听课研究生的教科书中有一章,专讲非线性映射的度理论,作为该分析学重要数学工具的一个直接应用,布劳威尔不动点定理自然而然地就被推理了出来。我当时学习完这一段内容后,虽然惊叹于度理论之精妙,却根本想不到,也可能无从想起,从这里可以再闯出一条探索之路来。盖因那时的我还没有懂得怎样做研究,同时,周围的教学环境也没能向我提供浸润于创造性思维的良好机会。
在图中,由于反证法假设,闭圆盘上任一点 x 不等于 f(x) ,其中 f 是给定的将闭圆盘映到自身的光滑映射,故可将从点 f(x) 到点 x 的有向线段延长到与圆周的交点 F(x) 。这就构造出了一个光滑映射 F ,它将闭圆盘映到圆周,并保持圆周各点不变。但微分拓扑学中的一个基本事实却阻止了它成真。
仅仅旁听凯洛格教授这门课的中国青年李天岩,却没有像正式注册此课的其他研究生一样,对赫希的证明“一听了事,下课就走”,而是深深陷入探索性的苦苦思索之中。这或许就是浅尝辄止学习者和刨根问底学习者的分水岭。他在想,虽然那个将闭圆球映到圆球面的映射(在上图中标记为 F )无法在整个闭圆球上的每一点处都能有定义(因为不动点存在!),却能在将闭圆球中所有不动点(至少有一个)去掉之后的那个集合上处处可定义,那么,根据微分拓扑学中的沙德定理,随机地在圆球面上取一点(所构造映射的“正则值”,在球面上几乎处处存在),它在这个余维数为一的映射下的逆像是一条维数为一的光滑曲线,它起始于该点,最终将会趋向于原先映射的所有不动点组成的集合。如果从所取初始点出发,数值上沿着这条曲线向前推进,就有可能计算出一个不动点来。这同时也可形成布劳威尔不动点定理的一个“构造性证明”。
李天岩教授对他的博士论文导师约克教授推崇备至,认为自己对数学及其研究的品味极受后者的影响。赴美留学前,尽管在台湾清华大学数学系本科四年的成绩单拿出来十分耀眼,几乎门门五分,但他却在几十年后的文章《回首来时路》中,剖析自己当年对数学“一窍不通”,只会“背定义背定理”,而大学成绩自称“ C 或 C 以下”的约克教授,在他眼里却是数学武林中的“一代宗师”。
约克被弟子如此仰视,一个重要原因是,如同他十年前在电邮中告诉过我的:“我在高中起就学会了怎样学数学”。这个怎样学数学的真谛,再用他对我说过的另一句话说,就是“理解重要定理证明中的关键想法比理解定理本身更重要”。我想,正是透彻理解了混沌之父洛伦兹(Edward N. Lorenz,1917 - 2008)关于长期天气预报不可预测性的那篇论文《确定性非周期流》(Deterministic Nonperiodic Flow)中的关键想法,他的大脑中才提炼成“周期三意味着混沌”的伟大猜想,而他的弟子则抓住了这个猜想反射出的迭代内涵,运用微积分手段破解了它,变合理猜想为深刻定理,三十年过后被卓越的理论物理学家戴森(Freeman Dyson,1923 - 2020)在其“爱因斯坦讲座”文章《鸟与蛙》(Birds and Frogs)中赞叹为“数学文献中的不朽珍品”。
李教授常提及朱天照的第二个用意,是介绍这位优秀弟子在数值代数领域率先用同伦思想处理矩阵特征值问题的新颖想法。我们这几个大陆弟子同年进校后,最后写出的博士论文除了两人之外,都聚焦于矩阵特征值同伦延拓法计算,其最基本的想法出现在朱博士早他们几年发表的那几篇论文中。同伦延拓的思想用于计算数学的不同领域,就会催生出能保证全局收敛性的新算法,对于特征值问题,它还有计算过程可以实现并行化的额外优势。李教授深信,矩阵特征值同伦算法具有与在数值代数中占有老大地位的经典 QR 方法一比高低的潜能。于是,他率领手下兵马在那些年中,为实现这一目标做出了令人瞩目的成绩。