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1946 年,他在陈省身的带领下,才正式开始了中央研究院数学所的工作,并在陈省身指导下从事拓扑学研究。至此,从事数学研究,便成为吴文俊生命的一部分。在陈省身看来,吴文俊「天资聪慧,有数学天赋。是一位杰出的数学家,他的工作表现出丰富的想象力及独创性。他从事数学教研工作,数十年如一日,贡献卓著…...」
1947 年,吴文俊赴法留学,师从埃里斯曼与嘉当,1949 年毕业于法国斯特拉斯堡大学,获得法国国家博士学位,随后在法国国家科学中心任研究员。
新中国成立后,吴文俊于 1951 年回国工作,先在北京大学数学系任教授,1952 年到中国科学院数学研究所任研究员, 直到 1980 年转入中国科学院系统科学所,1998 年转入新成立的中国科学院数学与系统科学研究院。他曾任中国数学会理事长(1985-1987),中国科学院数理学部主任(1992-1994),全国政协委员、常委(1979-1998),2002 年国际数学家大会主席,1993 年开始任中国科学院系统所名誉所长。
从 1946 年到 1951 年,吴文俊主要从事施蒂费尔-惠特尼示性类的研究工作;从 1953 年到 1957 年,他主要从事庞特里亚金示性类的研究工作。其后,吴文俊转向示嵌类的研究。由于他在拓扑学示性类及示嵌类方面的杰出工作,吴文俊获 1956 年国家首届自然科学一等奖(另两位获得者是华罗庚与钱学森),并于 1957 年增选为中国科学院学部委员 (院士)。1958 年吴文俊被邀请到国际数学家大会作分组报告(因故未能成行)。
从事数学研究,吴文俊特别强调数学思维,他曾说,」要创新,就要独立思考,就不能总是跟着人家亦步亦趋。」他在数学上的一系列成就,尤其是他运用机械化思想来考察数学,发现了数学的不同侧面,并建立了新模式,这其中就得益于他的另辟蹊径。
他曾经这样阐释「推陈出新」:没有「陈」哪来的「新」呢?一定要下了工夫,要下艰苦的工夫,要脚踏实地,一步一个脚印,痛下工夫。懂得「陈」,然后才可以提出新的看法来,得到新的成果,得到重大的创新。...... 我们想得到一些成果,不下苦功怎么行呢?要求「新」,这是所有人的愿望,可是这个「新」要寄托在「陈」字上面,要想办法把「陈」字啃透,然后才能从「陈」字里面推出「新」来。