丹尼爾·斯皮爾曼（Daniel Spielman）通過(guò)認(rèn)真思考別的問(wèn)題來(lái)解決重要問(wèn)題。

他本科就讀于耶魯大學(xué)，并于2005年返回耶魯大學(xué)擔(dān)任教員，開始在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域取得一系列突破性成果。

作者：Mordechai Rorvig 2022-6-13

譯者：zzllrr小樂(lè) 2022-6-13

斯皮爾曼的簡(jiǎn)單辦公室坐落在耶魯大學(xué)令人印象深刻的圓頂和尖頂建筑物之間。他的書架上擺滿了高大的黑色筆記本，里面裝著幾十年的手寫筆記，墻邊是一張大而舒適的沙發(fā)，看起來(lái)特別好用。

“我有點(diǎn)像是坐著不動(dòng)而思考的”他承認(rèn)。

在校園的哥特式宏偉建筑中，他所想到的是一個(gè)稍微現(xiàn)代一些的話題：計(jì)算機(jī)科學(xué)。在他的職業(yè)生涯中，斯皮爾曼取得了一系列有影響力的結(jié)果，盡管正如他所描述的那樣，失敗是他最常見的結(jié)果?！瓣P(guān)鍵是你必須享受工作的過(guò)程，”他說(shuō)?！爸灰蚁矚g這個(gè)過(guò)程，那就沒(méi)關(guān)系——只要偶爾有成功。

斯皮爾曼最初來(lái)到耶魯大學(xué)讀本科，然后進(jìn)入麻省理工學(xué)院的研究生院，并于1995年獲得博士學(xué)位。在那里，他研究了用于保護(hù)通信免受干擾的方法，其中包括所謂的糾錯(cuò)碼。羅伯特·加拉格爾（Robert Gallager）在1963年展示了如何從圖（由線（邊）連接的點(diǎn)（頂點(diǎn)）組成的數(shù)學(xué)對(duì)象）構(gòu)建這些代碼，但在斯皮爾曼的時(shí)代，這種方法在很大程度上被遺忘了。斯皮爾曼和他的導(dǎo)師邁克爾·西普瑟（Michael Sipser）是少數(shù)幾個(gè)恢復(fù)它，以創(chuàng)建由稱為擴(kuò)展圖（expander graphs）的特殊圖形構(gòu)建的新代碼的人之一。他們發(fā)明的代碼成為編碼理論后續(xù)工作的基礎(chǔ)，包括最近的重大突破。

在麻省理工學(xué)院期間，斯皮爾曼遇到了研究員Shang-Hua Teng，現(xiàn)在在南加州大學(xué)，他的職業(yè)生涯將與他自己的職業(yè)交織在一起。他們最富有成效的合作之一是解釋了一種廣泛使用的算法，稱為單純形方法（simplex method），為此他們獲得了哥德爾獎(jiǎng)（G?del Prize），這是一個(gè)針對(duì)理論計(jì)算機(jī)科學(xué)中杰出工作的每年評(píng)選一次的獎(jiǎng)。

兩人繼續(xù)贏得第二個(gè)哥德爾獎(jiǎng)，因?yàn)樗麄兲岢隽丝梢钥焖偾蠼獯罅亢?jiǎn)單線性方程的算法。每當(dāng)科學(xué)家對(duì)簡(jiǎn)單的物理系統(tǒng)（如熱流或電流）進(jìn)行建模時(shí)，他們研究的方程組就會(huì)出現(xiàn)，這使得他們的算法具有重要的實(shí)際意義之一。

由于這些結(jié)果，斯皮爾曼在2010年被授予Rolf Nevanlinna獎(jiǎng)（該獎(jiǎng)項(xiàng)，每四年頒發(fā)給一位不到40歲的杰出信息科學(xué)家，后來(lái)更名為IMU算盤獎(jiǎng)?wù)拢?/p>

最近，斯皮爾曼將注意力轉(zhuǎn)向了隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)背后的數(shù)學(xué)，這是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的基礎(chǔ)。這些試驗(yàn)的組織者試圖將研究對(duì)象隨機(jī)分為接受實(shí)驗(yàn)治療的測(cè)試組和不接受實(shí)驗(yàn)治療的對(duì)照組。然而，有限大小的群體總是在某些類別中出現(xiàn)不平衡，例如年齡或體重或血壓。斯皮爾曼和他的研究小組一起致力于尋找實(shí)現(xiàn)更好平衡的算法。盡管起步緩慢，但該項(xiàng)目的表現(xiàn)比斯皮爾曼預(yù)期的要好?！拔覀冞€沒(méi)有宣布它是失敗的，”他說(shuō)。

“對(duì)于我解決的大多數(shù)問(wèn)題，我可以識(shí)別（解決的）時(shí)刻并講述某個(gè)解決方案進(jìn)入我腦海中的那一刻的故事，”斯皮爾曼說(shuō)?！暗侵皇且?yàn)槲一穗x奇的時(shí)間在它們身上。

量子雜志記者與斯皮爾曼在他的辦公室坐下來(lái)談?wù)撍伎嫉牧α浚鞘裁丛炀土顺晒Φ暮献?，以及研究如何像賭博一樣。為清晰起見，采訪經(jīng)過(guò)壓縮和編輯。

【編者按】

自2012年以來(lái)，斯皮爾曼從西蒙斯基金會(huì)獲得了研究經(jīng)費(fèi)，該基金會(huì)也為這個(gè)編輯獨(dú)立的出版物提供資金。

你是如何開始計(jì)算機(jī)科學(xué)的？

在中學(xué)時(shí)，圖書館里有一本關(guān)于計(jì)算機(jī)編程的書。我記得我讀過(guò)它，它讓它聽起來(lái)像是有史以來(lái)最神奇的事情。他們談?wù)摰氖悄闳绾螌?duì)機(jī)器人進(jìn)行編程——解釋你如何對(duì)所有這些基本任務(wù)進(jìn)行編程，并想出一些組織它的方法。從那時(shí)起，我完全想要一臺(tái)電腦。在某個(gè)時(shí)候，我的父母發(fā)現(xiàn)一位工程師正在出售一臺(tái)舊的Commodore計(jì)算機(jī)（當(dāng)時(shí)Commodore是與蘋果公司同時(shí)期的個(gè)人電腦公司，小樂(lè)譯注）。令人棒的是，我們不僅得到了電腦，還得到了所有工程師的雜志和書籍。我仔細(xì)研究了它們。我只是花了大量的時(shí)間閱讀所有這些東西并學(xué)習(xí)編程。

小時(shí)候獨(dú)自翻閱書籍聽起來(lái)很艱難。你是怎么渡過(guò)難關(guān)的？

我傾向于推動(dòng)一切。當(dāng)我年輕的時(shí)候，我真的很喜歡思考。但在我有一臺(tái)電腦之前，我沒(méi)有一些東西可以花那么多時(shí)間思考。我想你可以說(shuō)我傾向于癡迷于事物。我喜歡非常努力地做一些事情。我確實(shí)感到沮喪，但這并不能真正阻止我。

另一件讓我繼續(xù)前進(jìn)的事情可能與讓賭徒繼續(xù)前進(jìn)的事情是一樣的。我會(huì)認(rèn)為我有一個(gè)絕妙的主意，我會(huì)認(rèn)為我解決了一些問(wèn)題。我會(huì)對(duì)此感到非常興奮。我將無(wú)法入睡。我妻子的回答是：“去睡覺吧，你早上就會(huì)發(fā)現(xiàn)bug（軟件程序缺陷）。她知道，幾乎每次我認(rèn)為我已經(jīng)解決了什么問(wèn)題時(shí)，我都沒(méi)有。但是，當(dāng)你認(rèn)為你已經(jīng)解決了一些事情時(shí)，這是一個(gè)很大的內(nèi)啡肽熱潮。即使通常的結(jié)果是你錯(cuò)了，這種興奮感也是激勵(lì)人心的。

“我的記憶力非常糟糕，”斯皮爾曼說(shuō)。“當(dāng)我需要記住事情時(shí)，如果我讀我的筆記，記憶得更好。

是什么促使你完成了第一個(gè)關(guān)于糾錯(cuò)碼的大項(xiàng)目？

我的導(dǎo)師曾建議嘗試更好地理解概率可檢查的證明——這是當(dāng)時(shí)理論計(jì)算機(jī)科學(xué)的主要發(fā)展之一。我有一個(gè)想法，將它們與擴(kuò)展圖聯(lián)系起來(lái)，事實(shí)證明這實(shí)際上并沒(méi)有用 - 但我意識(shí)到它對(duì)于制作糾錯(cuò)碼很有用。因此，我們一直在研究一個(gè)問(wèn)題，但未能解決這個(gè)問(wèn)題，但是我們開發(fā)的東西對(duì)其他事情很有用。擴(kuò)展（圖）代碼感覺就像我們偶然發(fā)現(xiàn)的事故。

我的很多研究都是如此。很多時(shí)候，我做某事的方式并不是因?yàn)檫@是我打算解決的問(wèn)題。我打算解決其他問(wèn)題，但它沒(méi)有奏效。但我對(duì)知識(shí)圖景有足夠的了解，可以弄清楚我可以用它來(lái)做什么。

這就是Shang-Hua Teng（滕尚華）和光滑分析所發(fā)生的事情嗎？

這是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的項(xiàng)目。至少，當(dāng)時(shí)感覺就像這樣。其中一些是尚華實(shí)際上住在我們的公寓里做的。它確實(shí)來(lái)自另一個(gè)研究項(xiàng)目，我和尚華之前曾參與過(guò)那個(gè)項(xiàng)目，但失敗了。

你是如何開始進(jìn)行光滑分析的？

人們?cè)趯?shí)踐中做了很多事情，他們發(fā)現(xiàn)適用，但我們沒(méi)有一個(gè)很好的理論解釋。我們?cè)噲D理解其中一種經(jīng)常被使用的算法，稱為單純形方法。每個(gè)人都知道，有一些例子會(huì)失敗，但它仍然在實(shí)踐中非常成功地使用。我們?cè)噲D弄清楚如何解釋這一點(diǎn)。我們最終想到的想法是，它之所以有效，是因?yàn)樗〉乃星闆r似乎都非常非常脆弱。

在進(jìn)行研究時(shí)，斯皮爾曼使用各種方法，如鉛筆和紙計(jì)算，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)以及簡(jiǎn)單地坐著思考。

部分原因是我們一直在編寫所有這些示例。我們注意到，如果我們沒(méi)有對(duì)數(shù)字精度真正小心，那么突然之間，那些應(yīng)該破壞單純形方法的東西就沒(méi)有了。因此，我們就是這樣得出這樣的想法的：如果輸入中有一點(diǎn)隨機(jī)性，那么該方法就可以了。我們能夠證明這一點(diǎn)。這是一個(gè)有影響力的想法，因?yàn)樗鼛椭藗兝斫鉃槭裁催@個(gè)算法有效，也因?yàn)槿藗円呀?jīng)使用這個(gè)想法和概念來(lái)理解為什么許多其他算法有效。

你認(rèn)為為什么你和滕的合作如此成功？

當(dāng)我在麻省理工學(xué)院開始讀研究生時(shí)，他是那里的一名講師。我們從那時(shí)起就開始研究問(wèn)題，并且有一個(gè)非常寬容的工作方式。你會(huì)注意到我的辦公室里有一張沙發(fā)。在麻省理工學(xué)院的辦公室里，我有兩張沙發(fā)。這意味著尚華和我都可以工作——真的，整天躺著想一些事情，當(dāng)你有一個(gè)想法時(shí)，站起來(lái)談?wù)勊?。他很高興花很多時(shí)間思考事情和談?wù)搯?wèn)題。像我一樣，他很樂(lè)意解決我們可能無(wú)法解決的荒謬的難題。失敗是我們所做的任何事情的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果，即使我們已經(jīng)為此工作了多年。但沒(méi)關(guān)系。

圖在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)中是必不可少的，在斯皮爾曼的大部分工作中也是如此。

乍一看，對(duì)照試驗(yàn)的主題似乎比其他問(wèn)題更直接。將人們分成小組有什么難的？

這樣想吧。如果我給你一枚硬幣，你把它擲了10次，看看這些結(jié)果，即使它們是隨機(jī)生成的，你也會(huì)看到其中的模式，比如連續(xù)四個(gè)頭。如果你只給我?guī)讉€(gè)數(shù)量來(lái)衡量，比如年齡和性別，你給我100個(gè)人，如果你隨機(jī)分組，那么其中一個(gè)就會(huì)有差異。完全隨機(jī)幾乎從來(lái)都不是正確的做法。

所以你想走某種隨機(jī)性的鋼絲繩嗎？

我們稱之為“巧妙隨機(jī)”。我們將其描述為完全隨機(jī)和平衡你關(guān)心的數(shù)量之間的權(quán)衡。如果你正在衡量的東西（比如年齡或性別）對(duì)結(jié)果有很小的影響，那么最好平衡一下。我最初以為我們會(huì)平衡事情，但事實(shí)證明你只需要一點(diǎn)點(diǎn)平衡和很多隨機(jī)性。但這是最近的發(fā)展。大多數(shù)結(jié)果只是告訴你存在好的劃分，但它們沒(méi)有告訴你如何找到它們。這是Nikhil Bansal在2009年的突破性成果，它首先開始為我們提供有效的算法來(lái)做到這一點(diǎn)。在我們的工作中，我們正在利用理論計(jì)算機(jī)科學(xué)在高效算法上的結(jié)果來(lái)進(jìn)行這些平衡的劃分。人們以前沒(méi)有想過(guò)使用這些。

最終，為什么要首先解決如此困難的問(wèn)題，因?yàn)槭∷坪踅?jīng)常發(fā)生？

這是一場(chǎng)賭博。我最有動(dòng)力去做一些事情，如果我解決了它們，我會(huì)很高興去四處演講。一般來(lái)說(shuō)，我不會(huì)做其他事情。通常周圍有一些這樣的人。其他問(wèn)題，我沒(méi)有動(dòng)力花時(shí)間在它們上面。我也覺得所有的研究都很難——至少對(duì)我來(lái)說(shuō)是這樣。即使是看起來(lái)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，我仍然認(rèn)為很難解決。因此，如果我要做一些困難的事情，為什么不做一些影響很大的事情，或者其他人認(rèn)為也很難的事情呢？

【參考資料】

概率檢查證明：

https://www./how-computer-scientists-learned-to-reinvent-the-proof-20220523/

小樂(lè)數(shù)學(xué)科普：計(jì)算機(jī)科學(xué)家如何學(xué)會(huì)重新發(fā)明證明——譯自Quanta Magazine量子雜志

小樂(lè)數(shù)學(xué)科普：PCP定理簡(jiǎn)史——概率可檢驗(yàn)證明

相關(guān)報(bào)道：

https://www./researchers-defeat-randomness-to-create-ideal-code-20211124/

原文出處：

https://www./the-computer-scientist-who-parlays-failures-into-breakthroughs-20220613/