新中国成立了。消息传到美国，华罗庚毅然放弃了伊利诺大学终身教授的职务，以到英国讲学为名，设法为全家弄到了船票。他们绕道欧洲，然后从地中海经印度洋直奔东方。为了避免联邦调查局找麻烦，只带了随身换洗的衣物。
船到香港，他给留美的中国学生写了一封公开信：“朋友们！梁国虽好，非久居之乡，归去来兮！……为了国家民族，我们应当回去；为了为人民服务，我们也应当回去；就是为了个人出路，也应当早日回去，建立我们工作的基础。”
1950年3月16日，华罗庚到达北京，回到清华大学担任教授。回国后30多年来，华罗庚先后担任过中国科学院数学研究所、应用数学研究所所长，中国科学技术大学副校长，中国科学院副院长等职务。他为中国的数学科学研究事业作出了重大的贡献。他在典型域方面的研究中所引入的度量，被称为“华罗庚度量”。1957年1月，他以《多复变函数典型域上的调和分析》的论文获中国科学院自然科学一等奖。1957年，他的60万字的《数论导引》出版，在国际上引起了很大的反响。国际性数学杂志《数学评论》高度评价说：“这是一本有价值的、重要的教科书，有点像哈代与拉伊特的《数论导引》，但在范围上已越过了它。”
华罗庚的工作非常繁忙，他从不放过一点空隙时间思考问题，在上班的途中或是讲课、开会之前的十几分钟里，也不例外。因此，他的研究硕果累累，据不完全统计，数十年里华罗庚共写了152篇数学论文，9部专著，11本科普著作。
华罗庚除致力于数学研究外，还非常注意发现人才，培养人才。他热心地写文章，发表演讲，向青年们传授学习经验。
有一天，他收到一封信，署名是厦门大学图书馆管理员陈景润。信中就华罗庚的《堆垒素数论》中关于他利问题的几个地方提出了一些修改意见。华罗庚看了这封大胆而又坦率的来信，如获至宝，他兴奋地说：“这个年轻人真有想法。”他建议数学学会邀请陈景润来北京参加学术会议并宣读论文，还把陈景润从厦门调来北京中国科学院数学研究所作自己的研究生，亲自指导他继续深入地钻研数论。
在华罗庚的精心栽培下，数学研究所不断涌现出出类拔萃的人才。万哲先、陆启铿、王元等有成就的数学家都是他的学生。
1979年夏天，幽静的英国伯明翰大学突然热闹起来。报告厅前，小卧车川流不息，人们潮水一般涌入大厅。这天来听华罗庚做“优选法和统筹法”报告的，除了数学家，还有不少医学家、工程学家和机械学家。
报告刚一结束，人们热情地拥上讲坛，有的表示祝贺，有的要求同他合影，有的请他签名，有的数学家送上自己即将出版的预印本，请他提意见……然而，有谁清楚，这巨大成功的背后隐含着多少酸甜苦辣！(www.xing528.com)
知识从人民中来，应该回到人民中去。早自1958年，华罗庚就开始研究把优选法应用于工农业生产。运筹学是“运行和规划的科学”，它是在国民经济中选择最优化方法的一种科学。从1965年开始，在近20年的时间里，华罗庚为了推广优选法和统筹法，足迹遍及27个省、市、自治区的一百多个县，上千个工厂、矿山和村庄；六赴山西，七下龙江，六去大庆，总计行程约100万公里。“两法”的传播和推广，解决了一大批生产实践中的问题，在增加产量、提高质量、降低消耗等方面取得了良好的效果。同时，培养了一大批技术人员、工农骨干，使许多应用数学工作者得到了锻炼，摸索出了一条发展我国应用数学的道路。
推广“两法”既有跋涉之苦，还会遇到生命危险。在大西南，一天，华罗庚他们乘坐的汽车在狭窄的山路上盘旋前进，猛然间，一个车轱辘掉下去了，在这千钧一发之际，有人喊道：“谁也别动！”然后，有人侧着身子轻轻地爬到车子外面，一个个屏声敛气把人拉出来，才得以脱险。大家探头往下一看，汹涌澎湃的大渡河正奔腾在山下。
1982年，已经72岁的华罗庚冒着盛暑三下淮南，为两淮煤矿培训生产骨干。旅途的颠簸，艰苦的煤矿生活，使他第二次得了心肌梗塞，因病情危急被连夜护送到北京医院。
他的病情稍有好转，便偃卧在病床上，为《数学方法与国民经济》一书写下了动人的序言。他写道：“党下达了‘全面开创社会主义现代化建设新局面’的动员令……每个炎黄后裔的科学家无不磨拳擦掌要为之竭其能，尽其力，奋不顾身地奋斗……考虑到与生命抢时间，尽心尽力为祖国，我将我血荐轩辕！”
就是这样一位对祖国和人民充满情和爱的老科学家，在“十年动乱”中也未逃脱“四人帮”的魔爪。1966年的一天，华罗庚正在南方推广“两法”，突然被一封加急电报叫回到北京，有关方面宣布了不许他们再出去推广“两法”的禁令，华罗庚被当作“资产阶级学术权威”受到了批判。他在中国科技大学的柜子被撬，花了大量心血写就的数学手稿也被盗走了。“四人帮”又扣压了他写的推广统筹法的文章，不让拍摄和放映有关的科教电影。后来，周总理出来干预，才算放行。
在周总理的支持下，1970年6月，华罗庚和他的助手得以到上海搞试点。张春桥对华罗庚的做法十分恼火，叫嚷说：“宣传优选法，就是引导青年崇拜资产阶级知识分子！”企图把华罗庚从上海赶走，赶不走就批，因为华罗庚是“周总理派到上海的”。
而华罗庚呢，与“四人帮”针锋相对，他把满腔的怒火都化做了工作的动力，冒着酷暑，精心研究，和大家一起，硬是使用统筹法，在短短6天的时间里，一鼓作气完成了20天的工作量，一下就为国家多创造价值20万元。“为了得到一些与人民有利的东西，哪怕丢掉半生英名！”这就是华罗庚的博大胸怀。
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