2009/2/22 7:49:16 | [分享]林家翹先生提醒青年學者：千萬不要Garbage in, garbage out
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我第一次聽見“Garbage in, garbage out”這個說法是在1983年10月，那時美國科學院院士林家翹先生正在清華大學講學，我和李家春應邀參加了接待工作。林先生在一次演講中提及這一語匯。我當時查《牛津高階現代英語詞典》第三版（1974），沒查到該語匯；十幾年後，在該詞典第四版（1989）上查到了，此語匯的英文注釋是：“(in computing) if you input wrong data, the output will also be wrong”；在以它為藍本的《牛津高階英漢雙解詞典》（第四版，1994）中的漢譯是：“（計算機運算中）錯進，錯出（若輸入錯誤數據，則輸出亦為錯誤數據）”。
林家翹先生是何種情況下提到這個語匯的？對我們科研工作者有何啟示？這裏作一些概略描述。
林先生在那次為時一個月的講學中，係統地講授了漸近分析及其在流動穩定性和星係密度波研究中的應用。在一次關於星係結構的演講中，他首先簡述了問題的背景。原來，在宇宙中，許多星係呈螺旋結構，譬如，我們太陽係所在的星係——銀河係，其星係盤就有一種雙臂螺旋結構。這種結構是怎樣形成和維持的？在天文學中是一個多年懸而未決的難題。然後，他闡述了從流體力學和應用數學的角度對這個問題進行數學建模的過程，說明了用漸近方法求解問題出現的難點。最後，他介紹了相應的數值模擬過程，並演示了模擬結果。
最令人歎為觀止的是他的現場演示。隻見他在屏幕上，隨機地放上一萬顆“恒星”（小圓點），調出程序，輕輕地一按鍵盤上的一鍵，經過一兩分鍾，那些原本雜亂無章的“恒星”，乖乖地聽從“指揮”，走向有序，最後形成一種雙臂螺旋結構，與實際拍攝的星係盤的（俯視）天文照片一摸一樣。這個結果一出來，立即贏得了滿堂喝彩！難怪林先生在哥本哈根的天文學界一次重要會議上報告這個結果時，引起了一種石破天驚般的震撼。
在報告後的提問時間裏，有一位青年學者提問：“你的結果是否表明，現在我們有了先進的計算技術，憑它就可以輕而易舉地解決一切難題。”林先生立即回答：“你的看法是片麵的，甚至是要不得的！單憑先進的、高速運行的計算機，不可能解決任何問題。如果你對問題不進行科學的預處理，那麽必然的結果是Garbage in, garbage out！也就是說，你往計算機輸入一堆垃圾，輸出的一定是一堆垃圾數據！”他接著說，“進行理論研究的正確做法是，首先對所研究的物理或工程問題進行深入細致的考察，通過觀察、實驗和通讀文獻，掌握足夠的原始資料，洞察問題的內在本質和症結所在；然後，抓住主要因素，建立正確的、能反映事物本質的數學模型，並對其中出現的參數進行標定；接著對簡化的數學問題進行初步的解析處理，了解其中的關鍵難點；最後進行數值模擬，歸納整理所得的結果，加以演示和分析，並與觀察結果或實驗結果進行比照驗證。一般來說，這樣的過程要循環往複多次。隻有這樣做，才可以在數值模擬中不至於Garbage in, garbage out。”（由於當時的筆記未能保存下來，以上的記敘僅為大意；也請參看：袁旂，我認識的林家翹先生，《力學進展》2006年第30卷第六期，見2009－1－28的博文）。
因為1979年我聆聽過林先生前一次講學，當時他闡釋過理論研究的“應用數學過程”，所以馬上體會到，他給大家講述的實際上是“應用數學過程”的絕妙實例，感到茅塞頓開！實際上，錢偉長先生在指導我校我所的科研工作的過程中，也反複強調了這一“應用數學過程”。有鑒於此，我後來在給研究生講課時總是努力闡釋“應用數學過程”，而且用上述實例作為佐證。（詳見2009－1－8的博文）。
從以上敘述，我們可以得到如下啟發：
1. 在對一切物理或工程問題進行理論研究時，必須進行充分的預處理：觀察、實驗、調研，透徹了解問題的本質和症結；
2. 在進行數值模擬之前，必須經曆如下過程：建模、解析分析、參數辨識、試算，事先預估可能的計算結果；
3. 在認定結果、下結論之前，必須反複驗證，比照可資利用的實驗、觀測數據，充分保證結論的基本上無懈可擊的正確性。
隻有這樣，年青學子才可避免“Garbage in, garbage out”，取得令人信服的科學結果，才會逐步走上正確的科研之路，把自己培育成有所作為的科技英才。
寫於2009年2月22日晨
此貼由 sqdai 在 2010/4/1 7:08:56 進行編輯...
