二十世纪六十年代初,西北黄河上的刘家峡大坝正待动工,坝体在巨大水压下各处应力如何分布,是设计中最硬的一块骨头。承担这项攻关计算的,是中国科学院计算技术研究所的一位数学家,叫冯康。他一九二〇年生于南京,祖籍浙江绍兴,一九四四年毕业于中央大学物理系,后赴苏联斯捷克洛夫数学研究所进修,归国后转向应用数学,此时正带领研究小组,在新中国自己研制的电子计算机上摸索求解大型工程问题的新路。
按老办法,先要写出描述物理过程的微分方程,再套离散格式计算;可刘家峡坝体几何复杂、边界条件多变,常规差分法网格生硬,误差难以控制。冯康敏锐地绕开旧路:不先写微分方程,而是直接从物理上的变分原理出发,与分片剖分、逐段逼近的离散模型挂起钩来,把整个大坝化整为零,拆成有限个简单小块分别计算,再拼合回去。一九六四年初方法上机实施,当年五一前后便得到满意结果,坝体应力分布第一次被精确算出,截流之后大坝运行与计算结论吻合。
他没有止步于一项工程。一九六五年,冯康在《应用数学与计算数学》上发表《基于变分原理的差分格式》,在极宽的条件下证明了这套方法的收敛性与稳定性,给出误差估计,为它奠下严格的数学基础。这就是后来通行世界的有限元法。当时中国与外部隔绝,他在外文资料几乎不可得的条件下独立走到这一步:西方学者在结构工程中提出同类方法略早数年,而他最早从数学上完成最一般的理论奠基,被国际学界公认为独立创始的最早之列;多年后法国科学院院士利翁斯仍称,中国学者在对外隔绝的环境里独立创始有限元方法,在世界上属最早之列。
此后他编制通用程序,用同一方法解决了十余座水坝、桥梁的设计计算,又在七十年代末发表间断有限元的理论;晚年更在一九八四年一次国际研讨会上首次公开提出哈密尔顿系统的辛几何算法,为长时间的天体与粒子轨道计算另辟新径,这项成果在一九九七年获得国家自然科学奖一等奖。一九八〇年,他当选为中国科学院学部委员。他的胞弟冯端是著名物理学家,兄弟二人一数一理,各成气候,常被传为学界佳话。
一九九三年八月,冯康病逝。数学家丘成桐后来谈及中国近代数学,把他的有限元计算与陈省身的示性类、华罗庚的多复变函数并列为能与世界并驾齐驱的几项工作。从一台初生的国产计算机起步,他带着小组在远比西方简陋的设备上做出了领先于世的原创工作。有限元如今已是工程与科学计算的通用语言,而这套语言的中国源头,写在他一九六五年那篇论文的标题里。
❝化整为零,裁弯取直,以简驭繁,化难于易。(大意)❞