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平面几何的人工智能机器证明 -- 介绍丁孙荭的研究

已有 11095 次阅读 2013-6-30 02:45 |系统分类:科普集锦|关键词:学者| 人工智能, 平面几何

最近在博客讨论中涉及到元数学、平面几何公理系统、多元多项式方程组的相容性判定与求根等问题。这些,使我联想到我的同学丁孙荭的相关研究。

 

丁孙荭和我都是秦元勋教授文革后招收的首批研究生,开始的研究方向都是相对论,后来根据他的情况改为专攻微分方程定性理论。在读研(硕士)期间,他已获得出色的研究成果,发表在《中国科学》(丁孙荭,Liénard 方程在有限区间上极限环的唯n性定理,中国科学,A辑,9(1982),792-800)。

 

在读研期间,秦元勋先生根据其在二机部九院工作的切身体会(参考数学家秦元勋的传奇人生和主要学术成就《由自然与美谈起》),积极倡导在数学研究中使用计算机。1979年秦先生主导用计算机进行符号运算、实现了二次微分系统中心焦点判别公式的推导发现前苏联科学院院士巴乌金的著名结果有一个关键性符号错误,首次得到正确的全部参数的二次微分方程系统的判据Qin Yuanxun and Liu Zunquan, Mechanical deductionsof formulas of differential equations, (III) Kexue Tongbao, Vol.26, No.5, 1981,385-389。就我所知,这是我国第一个利用机器证明的方法解决重要数学问题的成果。秦先生的表率,对我们研究生影响深远。

 

在拿到硕士学位后,由于丁的家在四川,尽管已获得很好的研究成果,那时也很难留在北京。所以,秦先生不舍地将他介绍到中科院成都分院数理科学研究室工作。在那之后,我们联系较少(上世纪八十年代的主要联系方式是通过平信)。但不断有些消息说成都分院要精简、改制,要求从事数学理论研究的转向从事应用研究。后来,大约在九十年代,又听说他被调离分院,到该院附属的从事计算机应用研究、开发公司工作,由科研编制变到企业编制。

 

2002年年底,我们在北京相聚,了解到他在成都分院及后来的公司工作中,做了一项极有意义的研究工作:平面几何的人工智能机器证明

 

众所周知,平面几何问题的研究有两种方法:一种是经典的,通过公理体系,进行逻辑推理证明新的定理,做图,计算等。另一种方法是将平面几何问题化成解析几何问题,把几何问题转换成多元多项式方程组的相容性判定与求解问题。关于平面几何机器证明的研究大多基于后一种方法。

 

多元多项式方程组的相容性判定与求解是一个很复杂的问题。代数学经典名著, Algebra I-IIVanDer Waerden著),对相关的消元法有系统介绍。但在实际应用时,特别是变元多、次数高时,计算量极大,即使用计算机往往也难完成。我国吴文俊院士较早就系统研究解决办法,创造出很有成效的著名吴消元法(简称吴方法),该方法已用到平面几何问题的研究上。

 

后来,杨路教授,张景中院士等也给出了关于非线性代数方程组较好的算法(杨路,张景中,侯晓荣.非线性代数方程组与定理机器证明.上海:上海科技教育出版社,1996)。

 

特别要提到,九十年代,张景中还在美国维奇塔大学进行合作研究,出版以消点法为主题的英文专著《几何中的机器证明》。他吸取美国优秀教学软件《几何画板》的长处,给原有软件增加了大量新功能。2002年,数学软件《(Z+Z智能教育平台——超级画板》诞生了,取名“Z+Z”

 

值得一提的是,张景中、杨路也是在成都分院数理科学研究室工作,张景中还一度任该室主任,他们都比丁孙荭资格老。毫无疑问,他们的研究肯定会对丁孙荭的研究带来积极影响。

 

果然,就在张景中等取得上述辉煌成果的同一时期,丁孙荭则另辟蹊径,不是将平面几何问题转化成解析几何问题,而是将经典、传统的平面几何证明的人类智能推理方式转化到计算机实现(即本文所提到的“平面几何的人工智能机器证明”),研制出了《嘉科平面几何》智能教育软件。该软件突破性地,应用人工智能推理数据库技术生成,在推理过程中能智能地添加辅助线、自动显示图形和相应的数值动态变化、能进行逆向推理等。那时,他已主持一个小公司“成都嘉科数码科技发展有限责任公司”。

 

该软件在20023月通过了中国教育部中央电化教育馆组织的,以清华大学严蔚敏教授为首的(7人)专家鉴定组的鉴定。图12 分别是鉴定证书与具体意见。



               图 1


 

                             图 2

 

 


 

由于丁孙荭的公司是企业,必须自谋生路。除做一些其它应用开发工作外,他将该软件制成光盘作为教育软件在市场上销售。好在,他的工作得到了一位慷慨的投资者的经费支持。

 

了解丁孙荭的软件后,我和我爱人感到他做了件相当了不起的工作。特别,我们都从事过中学教学多年,我爱人还多年担任平面几何的教学工作,所以有兴趣检验他的软件。我们反复检验、使用该软件,并比较其它软件(包括“Z+Z”),发现其功能确如鉴定书所述“架构先进、技术含量高、功能齐全、实用性好”。比起其它软件,我们觉得该软件绝对不差,但它更容易使用,而且在智能上(例如做辅助线)更具独创性。

 

我们也曾设法帮助销售该软件。但,那时中学已不把平面几何当作必修课,一些学校干脆取消了该课程,有的学校则消减了内容。普通人和学生家长都对平面几何失去兴趣,市场上几乎没什么人问津这类软件(可能也包括“Z+Z”)。经历这些困难,再加上已近退休年龄(他比我小一岁),丁孙荭将精力放在维持公司的生存,从事一些其它开发、应用工作。我们之间的联系变得越来越少。

 

 

正如本文开始所述,由于近期的讨论使我联想到丁孙荭的研究。由于我不是从事人工智能研究的,无法判断他的工作的意义大小。但有一个强烈感觉,他的研究是有特色、并十分出色的,不应因为有其他人不同方法的光辉成果而被视而不见、被埋没

 

希望他能亲自介绍他的工作,并望有年轻人继承这一研究。




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