林氏方法與科學精神

今年7月是林士諤先生誕辰100周年紀念。

　　林先生是我國航空自動控制學科和陀螺慣導學科的奠基人。上世紀三十年代，他在美國麻省理工學院（MIT）隻用兩年時間就取得了博士學位，是那批公派留學生中較早取得博士學位的。1939年論文答辯后，他即離美抱著航空救國的理想回到抗戰中的祖國。他的博士論文名為《飛機自動控制的數學研究》，其中的核心創新點就是后來被譽為“林氏方法”的高階多項式求根方法。

　　在研究飛機控制穩定性時需解微分方程，最后化為求多項式根的問題。當時，沒有現成的方法求解高階多項式的根，他隻好自己想辦法。發現用計算尺試湊幾次后，先求出兩個根，可把多項式降階，逐次做下去，求出全部根，這就是劈因子求解法，以后又將試湊法系統化、公式化，就成為一種方法。當時只是為作論文所用。

　　他的導師德雷伯（Draper）教授很賞識他所提出的解高階多項式根的方法，曾讓他在MIT的有關領域內作過報告。錢學森先生在MIT是林先生的同學，並聽過林先生的報告，還說“林氏方法”對他很有用。林先生告訴我，在他回國后，德雷伯教授將他的方法整理成論文以林士諤的名義發表在MIT的《數學與物理》雜志。德雷伯教授在自己的著作中將該方法命名為“林氏方法”。我被林先生講的故事深深地吸引住了。林先生的導師是一位多麼值得尊敬的具有崇高科學道德的學者！現實中我所知道的是學生寫文章署上老師的名字，而這位外國教授指導中國留學生完成了博士論文，將論文中的創新成果幫學生寫成學術論文、用學生的名義將該成果公布於世，並用中國人的名字命名該成果，可以說這是那個年代唯一的一個用中國人名字命名的方法。要知道那時的時間坐標是1939年，中華民族正處於被日本帝國主義侵略的深重災難之中，華人在世界上受盡歧視欺辱的年代。

　　“林氏方法”的問世讓我們見識了一種多麼清澈透明的“純學術境界”，多麼值得向往的高聳入雲的“學術道德”巔峰！這種科學道德精神之高尚用什麼美好的詞匯來形容都不會過分。

　　愛因斯坦曾說過“許多人都以為是才智造就了科學家，他們錯了，是品格”。這位有高尚品格的德雷伯教授就驗証了這一點。德雷伯教授后來成為了一名國際陀螺慣導領域的著名學者。他與一些學生和技術人員成立的MIT儀表實驗室也就是林士諤先生曾工作過的地方。他為美國的宇航事業研制出過許多高度創新的裝置，成功地用於阿波羅的領航等，1973年，該實驗室獨立於MIT，被命名為德雷伯實驗室。

　　“林氏方法”於1941年、1943年和1947年發表於麻省理工學院的《數學與物理》雜志上。該方法不僅比美國航空顧問委員會技術報告論述過的各種解根法簡便，而且比1939年英國教授貝爾斯特（L. Bair-stew）的著作《應用航空動力學》中介紹的解根法簡捷。因而當時即得到美國學術界廣泛的重視和應用。

　　雖然林士諤先生首創“林氏方法”時的研究背景是飛機的縱向和側向運動控制的穩定性分析，實際上他解決的是高階多項式求解的數學問題。工科的學者知道這類問題在工程中十分常見。故“林氏方法”從五十年代起先后編入我國的“計算方法”和“數學手冊”內。國外出版的“自動控制理論”、“慣性導航”、“儀表工程學”等專著內也引用了“林氏方法”。例如，1952年德雷伯教授等所著《儀表工程學》第二卷詳細論述了如何將“林氏方法”用於Routh-Hurwitz穩定性判據來判斷控制系統的穩定性。1976年美國出版的《控制理論與生理回輸機理》、1960年蘇聯發表的《頻率自動控制理論》、1965年美國出版的《飛機和導彈的自動控制》等，都用“林士諤—貝爾斯特方法”編寫解算21階多項式的根值等。據不完全的檢索，1950—1989年期間至少有27篇SCI論文中引用了“林氏方法”，這些論文的作者中不乏國際知名的學者。值得一提的是，在我主編的北航、南航、西工大三院校研究生統編教材中講述了“林士諤—貝爾斯特方法”，遺憾的是這本書是1988年出版的，那時林先生已經去世，我隻能以此作為對他的一種懷念了。

　　林士諤先生從未滿足於他最初提出的“林氏方法”，他一直在研究如何改進“林氏方法”，使其更少地依賴使用者的經驗、使得計算過程更簡捷、使其更便於工程應用。林先生1963年在《數學進展》6卷3期中綜述了“林氏方法”並在參考文獻中列出數十篇有關的論著。可以說林先生的一生都在研究“林氏方法”的改進和應用。他謙虛地聽取團隊中青年教師們對“林氏方法”使用中的意見，給以耐心的講解。直至1980年及1981年，他還在《航空學報》、《力學學報》發表了“林氏方法”的改進和應用，並闡述了“根軌跡分析法近似解K值”的理論，受到國內外的重視。這是一個科學家對做學問的高度負責任的態度，是他身上的那種對科學問題鍥而不舍、無窮逼近真理的科學精神的表現。

　　林先生還是我國第一個膜盒式真空速表的發明和制造人。這種儀表在蘇式戰斗機上進行了試飛，蘇聯飛行員試飛數據証明，比國外后來使用的真空速表性能要好，發明也早。林先生為此獲當時航空委員會頒發的“光華發明獎”。早在1937年林先生在MIT就參加了無線電高度表的研制和測試工作，並在碩士論文中撰寫了“駐波理論”以解釋無線電高度表的地面測試現象，對該儀表的設計原理做出了貢獻。由此看出林先生這種從工程實際中發現問題將其中的理論問題提煉出來，經過理論的研究解決問題后，再應用到解決工程實際問題中的科學研究方法貫徹了他的整個科學人生，使得他的創新具有重要的科學意義和應用價值，也使得他不斷地獲得新的創新靈感和動力。

　　林士諤長期從事航空自動控制及航空儀表學的教學與科研工作。1958年以來他領導陀螺研究室從事液浮陀螺及動力調諧陀螺的基本理論與研制工作。為建立飛行控制與導航新專業，他先后編寫、講授了《航空儀表學》、《自動器元件》、《飛機設備》、《自動駕駛儀》、《陀螺穩定系統》、《慣性導航》、《動力調諧陀螺儀理論》等課程與教材。他還翻譯了《飛機儀表學》、《航空電機電器學》、《飛機設備》等教科書，並和其他同志合作，主編了《陀螺儀應用理論譯文集》兩集，《動力調諧陀螺譯文集》三集。還編寫了《慣性導論》（高等教育出版社出版，1962年），《動力調諧陀螺儀》。此外，他還發表了有關飛機自動控制理論，陀螺及慣性導航和航空儀表方面的論文十余篇（《北京航空學院學報》），並完成了《具有大氣溫度修正裝置的氣壓式高度表的設計與試飛》等論文。1969年他和陀螺研究室三位科研人員，參加和設計了地質儀表廠研制的石油勘探裝置中的陀螺穩定平台，完成了石油勘探任務並通過鑒定，投入小批生產。在他長期領導下的北航陀螺研究室研制的液浮陀螺和動力調諧陀螺移植至有關的研究所和工廠，得到了應用。

　　上世紀五十年代末到六十年代初， 林先生領導陀螺研究室成功研制了國內第一個液浮陀螺和動力調諧陀螺，並進行了相應的基礎理論研究。他和他的團隊翻譯和編著了大量有關著作和教材。推動了我國新型陀螺儀表的研制和應用。為他所領導過的研究室后來在光纖、激光等陀螺儀、GPS/慣性、天文/慣性組合導航系統和捷聯慣導系統等及時跟蹤國外高技術的發展奠定了基礎。

　　林士諤先生1946—1951年任廈門大學航空系主任和教授期間一直從事“飛機控制后之穩定性”研究，同時開設了“航空儀器及設備”、“空氣動力學”、“空氣動力設計”等課程。1952年，調到北京成為組建北京航空學院的八位奠基人之一。應該說，林士諤先生不僅是北京航空航天大學也是我國航空自動控制學科和陀螺慣導學科的奠基人。據北航原校長沈士團先生回憶，“在一次全國力學大會上，錢學森在主席台上主持大會，林先生坐在台下。大會開始時，錢學森看到林先生，就從主席台上跑下來，拉起林先生的手，將他請到主席台上。”可見錢先生對他的尊重。

　　林士諤先生在北航校慶三十周年時，曾題詞“愛我中華，志在航天”。我覺得這是對他自己一生最好的概括。林先生作為中國早期的“海歸”，他的愛國精神主要體現在“留學的目的是為了報國”。在災難深重的中國和優越的生活和工作條件的美國之中，他毫不猶豫地選擇了回國，隨即參軍投入了航空儀表研制和航空教育事業。

　　林士諤先生是一位有真才實學的大科學家，他在科研中的創新精神是我們的楷模。“林氏方法”的誕生充分說明了他善於從實際中提出問題，敢於鍥而不舍鑽研。他的創新完全是一個科研工作者“唯真求實”探索的結果，不參雜任何名利的雜念。他不是為名利去創新，取得成果后，也不去爭名利。他是在一種“純學術境界”中創新的，他是一位純粹的科學家。這樣的創新才是在科學上最有價值的。

　　在我的導師林士諤先生百年誕辰之際，我想起林先生“士諤”的名字（“千人之諾諾，不如一士之諤諤”出自《史記·商君列傳》），他一生踐行著敢為人先，著力創新的科學精神。我想起詩人臧克家的詩“有的人死了，他還活著”。林士諤先生他“還活著”：因為他發明的“林氏方法”一直在被人們使用﹔因為他崇高的科學道德和科學創新的精神還在作為我們的榜樣一代代傳承下去﹔因為他與祖國同患難的愛國精神還在作為民族脊梁的標杆激勵著我們﹔因為作為科學家和教育家他那“唯真求實”的基因已經傳承給他的學生並將一代代傳承下去。

　　我們的國家和民族應該記住我們曾經有林士諤先生這樣一位做出過重大貢獻的、有著高尚品格的、世界知名的卓越科學家和教育家。

　　（毛劍琴）（本文作者是北京航空航天大學教授）

(來源:科技日報)