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2010年1月16日   刊登於《信報》
內容根據陳校長於2009年11月7日在香港科學館「2009當代傑出華人科學家公開講座」主講的同名講座。

關我「Maths」事?
香港科技大學校長陳繁昌教授
 

(本文不會有深奧的方程式,反而旨在以容易明白的角度來討論數學,說出數學在日常生活裏活活潑潑的面貌。)

在一次飛行旅途上,我與鄰座乘客聊天,他問我從事什麼職業,我說我是一名數學家。對方馬上露出一個既尊崇又敬而遠之的奇怪表情,彷彿我是不吃人間煙火的天外來客。他的表情告訴我,數學在一般人心中,深不可測。但我可以告訴大家,數學其實十分平易近人,每天都融入我們的日常生活。只不過我們沒有察覺,也許就像宋朝大文學家蘇東坡所說:「不識廬山真面目,只緣身在此山中。」

究竟我們怎樣定義數學?數學研究什麼?根據《維基百科全書》闡釋的定義,數學研究的對象是數量(Quantity)、結構(Structure)、空間(Space)和變化(Change)。數學試圖從中找出一個模型(Pattern)、得出新的猜想(Conjectures),並從公理和定理中,透過嚴格的演繹法得到真確的解決方案。

表面上,數學的確有一個「形象問題」,即入門困難、上手困難,要登堂入室更難。如今電腦無處不在,融入了大家的日常生活。所謂電腦、軟件甚至我們經常遇到的詞彙「算法」(Algorithms),都離不開數學。更有趣和重要的是,今天並非只有數學家才研究數學或從事計算工作。我自己的本科、碩士及博士學位均不是數學科,卻畢生從事數學工作,擔任過數學系系主任和數學研究所所長。可以說,醫學院、工學院、理學院都有「數學家」,數學在各個領域為一個真正的「幕後英雄」。

「幕後英雄」走向台前
現且讓我請這位「幕後英雄」走往台前——請看以下項目:

對沖基金;
搜尋引擎權威谷歌(Google)、全球衛星定位系統、JPEG2000、MP3、手提電話;
電子商貿(例如加密演算法RSA);
醫學造影:電腦軸切面漸層影像(CAT)、磁共振影像(MRI)、正電子發射計算機斷層掃描(PET);
最新諾貝爾獎:1997年經濟學獎得主(財務領域卓越表現)、2002年化學獎得主(核磁共振)、2003年醫學獎(磁共振影像)、2009年物理學獎(光纖);
還有華爾街經濟金融、博弈、互聯網、通訊、電子商貿、相機影像、醫療保健、學術研究、運動領域......都與數學相關。數學簡直無處不在。

磁共振成像病者救星
以2003年諾貝爾醫學獎得主為例,兩位得獎者分別為美國的保羅.勞特伯(Paul C Lauterbur)和英國的皮特.孟斯費爾德(Peter Mansfield)。他們發明了磁共振成像技術(Magnetic Resonance Imaging,簡稱MRI)。這項技術的出現,使人類能夠看清自己或其他生物體內的器官,為醫療診斷和科學研究提供了非常便利的手段。兩位得獎者背後的數學理念很簡約,他們想到磁場(Magnetic Field)有一個梯度(Gradient),由於這裏磁場的梯度與那裏的梯度迥異,根據數學分析和計數,便可精密將每一點的位置確定,並透過圖像呈現出來。

今年諾貝爾物理學獎得主高錕教授研究光纖,他首先也是從數學方程出發,計算得出通訊距離可無遠弗屆的數學證明,並進一步計算得出,光纖若用什麼材料,或者呈現弧形,會出現什麼結果。將光纖應用在通訊上,最終啟動了一場資訊通訊科技的巨大變化,開創互聯網和通訊的新時代。

對沖基金叱咜風雲
除了理科科學,我們不妨轉到1997年諾貝爾經濟學獎得主米勒(Robert Merton)和麥倫.休爾斯(Myron Scholes)身上。他們在期權等衍生金融商品定價上的研究,即在資本資產定價模型CAPM(Capital Assets Pricing Model)的基礎上所建立的Black-Merton-Scholes模型,名噪一時,並因此獲獎。這條短短的公式對金融市場衍生工具產品的定價變化有很大影響,甚至影響很多人的身家財產,數額動輒數以十億美元計。誰敢說數學無用?

在全球衛星定位系統的應用上,亦可見數學的威力。該系統由空間部分、地面監控部分和使用者接收機三大部分組成。空間部分使用二十多顆衛星組成衛星星座。衛星均為近圓形軌道,分布在多個軌道面上(每軌道面有幾顆)。衛星的分布使得在全球的任何地方、任何時間都可觀測到多顆以上的衛星,並能保持良好定位解算精度的幾何圖形(DOP)。這就提供了在時間上連續的全球導航能力,確認到地球大部分東西的位置。

「谷歌神話」成功竅門
我們再看「谷歌神話」。今天,我們只要登入谷歌,並打上要尋找資料的名稱,不出幾秒便會出現了一連串的資料網站。神乎其技的背後,還是要靠數學計算,透過「網頁級別」(Page Rank)完成。

請參看下圖,圖上有多個不同的圓圈。圓圈各自有箭頭互相指向。假如這些圓圈代表網頁,互相指向的箭嘴代表結連的方向,愈大的圓圈便表示「網頁級別」愈重要。谷歌把相關資料最重要級別的網頁按排序給搜索者選取,這樣讀者便可輕易取得所要的資料。但怎樣定出哪一個網頁最重要?這便是當中巧妙了。谷歌想到,如果很多箭嘴都指向「我」,當然表示「我」最重要,夠分量,為「眾矢之的」。這個邏輯可以成立。譬如,「我」Tony Chan,最多人指向我,「網頁級別」排第一,於是便第一個出現在搜索者眼前,第二個可能是另一個香港叫Tony Chan的人,如此類推。「網頁級別」這個簡單的數學計算締造出一個資訊科技世界的成功商業案例。

數學就在生活中
可以說,數學在我們日常生活中處處顯出力量。面對計算科學的興起,匈裔美籍數學家John von Neumann於1958年發表了《計算機和人腦》(The Computer and the Brain)一書,對電腦和人腦的運算力量作出比較。他研究的結果,我不打算在此論述,只想用已故美國總統約翰甘迺迪於1963年的一句話來作本文的結語,他說:「在所有的計算機當中,人類仍然是最出色的。」(Man is still the most extraordinary computer of all.)

 

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