種下你的數學，讓她生長
作者 ∣塞德里克·維拉尼
譯者∣歐陽順湘
來源 | 可樂數學
譯者按：作者系2010年度菲爾茲獎獲得者，里昂大學數學教授與彭加萊研究所所長。文章來自他的個人主頁（http://cedricvillani.org/plant-your-math-and-let-it-grow/），介紹了他與合作者研究最優輸運問題、刻畫里奇曲率的工作的歷程，最後還由此總結了一些有啟發的研究體會。
幾天之前，我在東北大學做高木講座[1]。我為此寫了一篇綜述文章《里奇曲率的綜合理論》（http://cedricvillani.org/wp-content/uploads/2015/07/takagi-2.pdf）。里奇曲率理論是一個在過去多年間蓬勃發展的研究主題。
什麼是綜合理論呢？我們在中學學習過，有多種方法做平面上的初等幾何。平面幾何可以用方程與笛卡爾坐標來做（直線由方程ax+by+c=0來描述，圓由ax^2+by^2+cx+dy+e=0這樣的方程來描述，等等）。但平面幾何也可以用古希臘的方式來做：使用公理以及三角形、直線等的性質，但不寫下任何方程。第一種方法是解析法（可以計算，並使用方程），第二種方法是綜合法（使用概念與性質）。兩種方法各有千秋，分別有其優點與缺點。一般來說，解析法更加系統，而綜合法更加漂亮。用解析法常常能得到更多定量結果，而綜合法可以提供更好的理解。認識到平面幾何可以有兩種等價的方法來處理，是高中生的數學教育上的一個重大的概念進步。
什麼是里奇曲率呢？顯然，它是一個有關曲率的概念，也顯然是由以一位叫里奇的人的名字命名的。確實，格雷戈里奧·里奇-庫爾巴斯托羅（Gregorio Ricci-Curbastro）是20世紀初義大利幾位重要的幾何學家之一，以他的名字命名的曲率是幾個最重要的曲率概念之一。曲率是自高斯與黎曼以來都使用的用來定量刻畫一種幾何與歐幾里得幾何差別多大的概念。里奇曲率反映非歐幾何中體積的扭曲。它也以在愛因斯坦的的廣義相對論中起作用而最為知名。粗略地說，若你生活在一種里奇曲率為正的幾何中，則由於光線偏移（因為光線彎曲而非直射），你所見到的明物總是比真實的要大（指更大的體積）。
格雷戈里奧·里奇-庫爾巴斯托羅（1853 – 1925）
里奇曲率是在非歐幾何上做研究的概率學者的最愛，在20世紀里，它主要被用分析的方法——使用方程——來處理。但從90年代以來，專家開始考慮如何用綜合方法來理解里奇曲率不等式。同時，與此相應的是，截面曲率的綜合處理取得了很多成功。在解決這問題的過程中，有一些美麗的偶遇，以及多年的共同努力。
大約15年前，在這個理論開始之初我就參與其中。當時只有幾篇文章。現在這個領域已有許許多多的文章，成千上萬的頁面。然而，寫下它是如何開始的，仍然非常有意思。
回到1998年，我剛好博士答辯完，我去參加一個由我的導師（tutor）Yann Brenier組織的一個關於最優輸運的研討會。這是一個關於將一定量的物質從某個初始位置重組織到另一個位置的理論。研討會的參與者來自不同方向：統計物理、等周理論、流體力學；但他們都由最優輸運這一共同興趣而來到一起。
加斯帕·蒙日（1746－1818）
蒙日的「挖」與「填」（圖片來自維拉尼的書《最優輸運：舊識與新知》第一版第42頁）
最優輸運問題最早由蒙日（Gaspard Monge）在他1781年的一篇著名文章中提及，這篇文章討論關於「挖(déblais)」 與 「填（remblais）」——尋求最優的方式來輸運與重組織給定分布的一定量的物質。蒙日是畫法幾何與巴黎綜合理工學院之父，拿破崙之友，遠見卓識的幾何分析專家。關於蒙日的更多信息，讀者可以參考étienne Ghys 的美文（http://images.math.cnrs.fr/Gaspard-Monge.html）以及有關最優輸運的誕生的文章(http://images.math.cnrs.fr/Gaspard-Monge,1094.html)。值得一提的是，運籌學專家說，這也是運籌學中在某種意義上被解決了的最古老的問題。
由於蒙日問題的數學性質，可以考慮任何類型物質的輸運。在我深愛的書《最優輸運：舊識與新知》（Optimal Transport,old and new）中，作為對我曾經最愛的蒙日麵包店（Boulanger de Monge）的敬意(哎，現在不是從前那樣了！)，我採用了羊角麵包。問題如下：假設你有一些散布在巴黎的麵包店，每天生產羊角麵包，同時又有一些咖啡店，同樣散布在各處，每天提供給消費者新鮮羊角麵包。麵包店的生產量和咖啡店的銷售量都是已知的。每次一籃羊角麵包從某麵包店運到一個咖啡店，根據不同的地理位置，有不同的輸運費用。怎樣分布麵包店和咖啡店以使總運費儘可能最小呢？
《最優輸運：舊識與新知》封面
這個問題也引發涉及經濟利益的問題：例如，假設麵包店向咖啡店的收費依賴於運費，則最好的定價方式是什麼？俄羅斯數學家和經濟學家列昂尼德·康托洛維奇（LeonidKantorovich）, 難以分類的小說《紅色財富》[2]中英雄人物之一，按照這個角度研究了蒙日最小化問題。他實際上夢想設計一種理性價格理論——在他所工作的時代和地方，這幾乎相當於向古拉格(前蘇聯勞改集中營)或處決表中預約地方。然而，由於康托洛維奇在關鍵的政府計劃中的用處而得以倖存，並在1975年獲得諾貝爾經濟學獎。
現在，最優問題被稱為蒙日-康托洛維奇問題, 許多人都很熟悉它。被運送的東西可能是物質，氣體分子或其他東西。在1998年的研討會上，我報告了Hiroshi Tanaka的工作，其中討論的被運送的物質是稀薄氣體(模型)。Tanaka在70年代證明，如果給定兩種氣體分布，兩者按照某物理模型（確切地說，馬克斯韋爾分子的空間齊次玻爾茲曼方程）演化，則隨著時間的推移，一種分子分布輸運到另一種分子分布的總費用總是下降的。我把這個貢獻也寫入了我的第一本關於最優輸運的的書的7.5節中（http://cedricvillani.org/for-mathematicians/surveys-books#tot），也在我關於碰撞動力學理論的綜述的4.2節中（http://cedricvillani.org/for-mathematicians/surveys-books#collisional）。
玻爾茲曼
在這次研討會的參與者中，有一位來自的德國的年輕數學家，Felix Otto。那時他在申請美國加州大學聖巴巴拉分校的職位；後來他取得了波恩和萊比錫的位置。他已經與Richard Jordan 和 David Kinderlehrer做了非常原創性的工作：基於玻爾茲曼熵和最優輸運的熱方程的性質，給出了熱方程的新解釋。現在他在考慮進一步將此推廣到擴散型非線性方程。就如好的博士生應該的那樣，我仔細地聽著，當天晚上我還和Felix好好地討論了一番。
Felix Otto (1966-)
圖片來自：http://www.madrimasd.org/blogs/matematicas/files/2012/05/EroeffnungsfeierHausdorff.jpg
幾周之後，夏天，我在家中讀Michael Ledoux的講義。那時，Michael Ledoux正在寫他的有關集中性理論的書。Eric Carlen，我的博士論文答辯委員會成員之一，曾建議我去找圖盧茲的Michael。我對第一次在寬廣的圖盧茲大學找路的艱難時刻仍然記憶猶新。Michael很有興緻地想聽我有關玻爾茲曼方程的工作，還給我了這些講義，以滿足我對他的工作的好奇。
Michael Ledoux（1958-）
圖片來自http://www.ut-capitole.fr/videos/medias/Michel%20Ledoux.jpg
我在閱讀Michel的講義過程中，很驚訝於他的敘述的漂亮與優美，一些東西吸引了我的注意：一些我熟悉的關鍵詞和關鍵概念出現了，最優輸運也在這裡再次出現了。冥冥中我覺得這應該和Felix的工作有些關係。只做了兩次嘗試，幾分鐘的時間，我就找到了其中的聯繫。這是不多的可以改變一位研究者的命運的寶貴的突發靈感……
我寫下一個綱要，將第一個結論發給Michel，Michel給了熱烈的響應。我決定和Felix就此合作一篇文章。對我而言，這個合作是極其寶貴的，因為作為剛出道的數學家，我的嚴格標準和寫作技巧都有待完善，而與Felix的合作是發展這些技巧的良好機會。我們只花了幾個星期就完成了我們的文章。（不過，另一項幾乎同時開始的合作，卻花了近10年的功夫，而且外加了兩位合作者來完成。）
在我們的論文中，我們得到了如下幾個結果（讓我們用幾個大名詞）：
證明對數索伯列夫不等式總能導出一個Talagrand不等式，因而為Herbst-Ledoux 原理提供了泛函基礎。由Herbst-Ledoux 原理，對數索伯列夫不等式能導出高斯集中界；
得出概率測度滿足Talagrand不等式的簡單充分條件；
基於最優輸運，對幾個本領域中的已知定理提出新的證明；
找到一個新的資訊理論插值不等式，由此可知，相對熵由部分玻爾茲曼熵和部分最優輸運控制；
發展Otto的形式，解釋如何將概率測度空間解釋為非歐幾何；
將McCann的「位移凸性（displacement convexity）」和里奇曲率聯繫起來，其中的想法是，僅當里奇曲率為負時，玻爾茲曼相對熵函數的凸性為沿著最優輸運的測地線凸。這被當做一個猜想來敘述：我們給出了一些理由來支持這個想法，但缺乏一些關鍵的東西來完成證明。
當時我並未意識到，這是一個付出甚少的巨大豐收。論文投稿到《泛函分析雜誌》，第二天就被Paul Malliavin接受。Malliavin顯然比我們還更加感覺到我們的工作的重要性。事實上，這篇文章也成為我被引用得最多的論文。在某種意義上，這也是將導致對里奇曲率的新觀點，以及里奇曲率界的綜合方法的一整套理論的起點。
故事在繼續，有許多驚喜和合作；來自法國、加拿大、德國、義大利、日本、美國、俄羅斯、中國的研究人員都投身其中。另一件對我而言是決定性的事件是2004年與John Lott在伯克利的相遇。就如Karl-Theo Sturm在波恩所做的一樣，我們很明確地要研究里奇曲率的綜合理論。我們所定義的幾何，現在常常被稱為LSV空間（LSV = Lott-Sturm-Villani）。看著你的名字變為定義，總是令人有所觸動的！這個故事也是我寫作我的《最優輸運：舊識與新知》的契機，這本書使我獲得了美國數學會頒發的杜布獎（http://www.ams.org/profession/prizes-awards/ams-prizes/doob-prize）[3]。
我不打算過多敘述進一步的發展，系統介紹可以參考我講座的講義《里奇曲率的綜合理論》。不過，讓我們回到前面的故事，抽取一些結論和建議，這或許對一些人有益。
第一: 你在研究中付出的努力並不總是最重要的；有的時候重要的只是在正確的地方有了正確的想法，與正確的人有聯繫（正如價格並不總是由生產過程中投入的勞動量來決定，儘管蘇聯政府會如此告訴康托洛維奇）。
第二: 對事物，即使不與你的領域直接相關的東西，保持好奇總是（或幾乎總是）有益的。Felix的報告，Michael的課程，都不屬於我的博士論文主題——氣體的動力學理論。但我還是很感興趣。
第三：一個大的進展不總是新的定理或結論。它可能是一個新的證明，或者一個新的看法。作為數學家，我們的工作不只是證明東西，更一般地，它提供更好的理解，這也可能依賴於新的觀點。
第四：研究，特別是基礎研究，是不可預測的：沒有人能夠預測到這種非歐幾何、最優輸運與熵的相遇（我也沒有預料到！）。但現在，這是一個很有成果的領域，也解決了該領域中的幾個大問題。
最後一個評論是關於研究的性質。無疑，研究系統關心發表、基金、職位、科學管理機構、研究策略、實驗室網以及億萬計的美元、歐元、人民幣等。但最終，關鍵的時刻是，某處、某頭腦中、某個火花的點燃。整個複雜的研究生態系統的一個有意義的目的是，增加這種珍貴的、脆弱的、難以預測的種子急切地成長為完整發展的理論的機會。
[1]高木講座（Takagi lectures）是日本以高木貞治（Teiji Takagi，1875--1960）之名命名的講座，也是日本第一個以人名命名的講座。高木貞治被譽為日本現代數學第一人。高木講座自2006年開始，歷屆演講可以參考講座主頁http://www.kurims.kyoto-u.ac.jp/~toshi/jjm/JJM_HP/contents/jjm-takagi.htm。維拉尼是6月27-28日在東北大學（Tohoku University）舉行的第15屆高木講座的三位演講人之一。
[3]維拉尼獲得2014年度杜布獎。這個獎是哈爾莫斯（Paul Halmos，1916-2006）及其夫人（Verginia Halmos）於2005年捐贈的，後為紀念杜布（Joseph L. Doob）而改為杜布獎。哈爾莫斯是杜布的第一位博士生。杜佈於1932年從哈佛大學獲得博士學位，三年後加入伊利諾伊斯大學直至於1978年退休。他的研究領域是概率論，曾在1963-64年任美國數學會主席，1984年 「因其在使概率論成為數學的一個分支中的基礎工作」而獲美國數學會Steele獎。
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