张磊：以计算数学为翼，探索交叉科学的蓝海-凯发k8一触即发

2023年7月7日，2021、2022年度王选杰出青年学者奖颁奖典礼在北京大学百周年纪念讲堂李莹厅举行。北京大学北京国际数学研究中心博雅特聘教授张磊凭借原创的解景观理论获得了2021年应用数学领域的王选杰出青年学者奖。

颁奖现场，张磊向王选院士及王选院士的夫人陈堃銶教授致敬。他说道，王选院士锲而不舍、“顶天立地”的科研精神鼓舞着一批又一批青年科学工作者在科技自主创新的道路上奋力探索。

王选杰出青年学者奖颁奖典礼现场，校党委书记郝平教授和王选院士夫人陈堃銶教授共同为获奖者颁奖。右三为张磊

从北大数学科学学院出发，张磊的足迹延伸到北美大陆与中国香港，最终他选择回到母校为北大数学贡献自己的智慧力量。他也凭借着在应用数学及交叉性学科的诸多突破，获得了国家杰出青年科学基金的资助并成为国家自然科学基金创新研究群体的牵头人。

做“家谱”——构造复杂系统解景观

解景观（solution landscape）是张磊与合作者近年来的一项重要的原创性的理论构建。他告诉记者，很多物理和化学领域中复杂系统的问题都可以被归结为数学上求解具有多个变量的非线性函数或泛函的极小值问题。在这类多解问题中，对应的能量景观有很多的极小，每一个极小对应于一个（亚）稳态，函数的变量可能是蛋白质折叠中的氨基酸位置、原子簇的原子位置、嵌段共聚物自组装的连续场变量、神经网络中的网络参数等。这类多解问题通常具有多个极小，那么如何寻找全局极小和如何找到不同极小之间的关系一直是计算数学领域的两个关键问题。

解景观的示意图

张磊提出的解景观描述了不同的极小被相应的一阶鞍点连接，低阶鞍点被相应的高阶鞍点连接的层次结构图。“用通俗的话来说，解景观就相当于一个‘家谱’，比如我们的孩子就是极小点，父母作为一阶鞍点把孩子连接在一起，我们的孩子与他们的表兄妹之间可以由爷爷奶奶、外公外婆作为二阶鞍点连在一起，所以解景观的构造就是这样一个‘画家谱’的过程。”

解景观给出了求解非线性多解问题的一个新的方法框架，它能够展示复杂系统的全局结构，描述不同解之间的连接关系，同时，也克服了选取初值的困难并且降低了搜索空间的维度。“我们根据解景观的特征，利用发展的鞍点动力学，结合向下搜索和向上搜索方法，可以高效地构建出完整的解景观。比如，以软物质系统中的液晶和准晶为例，可以系统地构建向列相液晶的缺陷景观以及发现从晶体到准晶的成核过程。”张磊这样阐释解景观的特点及应用。

解景观的提出也并非一蹴而就，而是张磊在博士期间研究稀有事件的长期基础上，在加入北大国际数学研究中心后，又与张平文院士等合作者在解决液晶的应用问题中不断探索，最终萌发的新方法。“我非常有幸因为此项成果获得王选杰出青年学者奖，也非常感谢王选所搭建的这个交流平台。那时候，解景观刚刚提出来，这个奖项算是对我这样一个年轻学者的认可，对年轻学者阐释自己的原创思想是非常重要的鼓励。”张磊说道。

寻“交叉”——开拓生命科学的蓝海

从2001年从北大数学本科毕业，到2013年全职回到北大，张磊依次在中科院、美国宾州州立大学、美国加州大学尔湾分校、香港城市大学学习和工作过。加盟数学中心前，张磊在香港城市大学担任助理教授，事业于香江展开似乎代表着更高的薪水和较小的压力。然而，张磊还是选择回到北大。

“那时候在和张平文老师、鄂维南老师等师长的交流中，我对北大国际数学研究中心有了憧憬。全职回来后，我发现自己的选择是非常正确的。”张磊在采访中，称赞这座由田刚院士等北大数学前辈学人辛苦创立的北京国际数学研究中心“能够让聪明的大脑在优美的环境中毫无世俗压力地工作”。他认为，正是数学中心努力营造的涵养人才的土壤，让青年科研人员们的智慧才干得到了蓬勃发展。

北大数学举办110周年校友论坛，张磊主持应用数学分论坛

“我的另一份幸运是北大定量生物学中心赋予的。”张磊表示。生命科学，是张磊在深挖复杂计算基础上，近年来所拓展的学术兴趣。在他心目中，数学问题是稳定发展的，像山一样，而生命科学的研究则充满了未知，似淙淙流水般川流不息。

作为定量生物学中心的研究员，张磊经常参加中心的各种交流活动。“我经常去汤超老师的组会，有一些合作成果就是在组会的火花中碰撞出来的。”定量生物学中心融合了生物学、化学、物理学、数学、医学等多领域的专家学者。“一开始的几个‘点’的合作有了成效，逐渐地一个‘面’就会打开，应用数学和生命科学的交叉大有可为。”

张磊感谢定量生物学中心为各种学科背景的学者提供的交流平台。“不同学科的学者在定量生物学中心可以互相交流，拓展学术视野，提升学术品位，同时，我们还可以招到不同学科背景的学生，比如我的学生里有学物理的、有学生物出身的，他们经常弥补我在相关学科背景上的短板。”张磊说道。

张磊在授课中

2023年8月，张磊牵头的国家自然科学基金创新研究群体项目“复杂生命系统的定量生物学”获批。张磊等一批年轻学者在汤超、欧阳颀、来鲁华等前辈学人的培养下，成为了用不同学科知识解决复杂定量生物学问题的主力人才。“来鲁华老师是上一辈交叉学科研究生命科学的核心成员，非常有幸这次的创新研究群体来老师还和我们年轻人一起，她起到了中流砥柱的作用。”未来，张磊和团队成员将发挥各自学科优势，在生物网络拓扑与功能的关系、细胞命运决定、胚胎发育的可计算建模等定量生物学的研究蓝海贡献自己的智慧成果。

守“初心”——赓续老一辈学人的科学家精神

北京大学王选青年学者奖励基金是由王选院士夫人陈堃銶教授于2008年12月代表北京大学王选计算机研究所（原北京大学计算机科学技术研究所）捐赠基金设立。2020年，北京大学王选青年学者奖励基金决定增设全国性科技奖项“王选杰出青年学者奖”，由北京大学、中国计算机学会和中国工业与应用数学学会联合评选出在计算机和应用数学领域中自主创新和应用成果极为突出的杰出青年学者各一名。

张磊非常珍视这个奖项，在他心目中，这个奖项不仅仅是对自己学术成果的肯定，也为自己能够和王选院士——这个自己从青少年时代就十分敬重的科学家联系在一起而感到荣幸和自豪。

王选杰出青年学者奖奖杯

在张磊心目中，王选院士代表的正是现在广泛提倡的“科学家精神”。“王老师一直强调我们中国人要做‘顶天立地’的科学技术，‘顶天’就是要做一流的原始创新科研成果，‘立地’就是科研成果的大量推广和应用。”张磊告诉记者，自己的科研攻关之路也从来不是一帆风顺，应用数学有各种难上加难的挑战。“越难越想要攻克它！”

作为世纪之交就在北大数学学习的“天之骄子”，张磊回忆起自己本科期间选择学习计算数学的初心，就是认为应用数学领域还有非常多的亟待解决的问题，同时解决这些问题的过程也能在一定程度上推动技术进步与成果的跨学科应用。“我本身是‘综合型选手’，数理化都非常喜欢，当时分专业的时候平文老师给了我很大的鼓舞，他告诉我们，计算数学虽然还在发展初期，但是已经有着非常充满希望的前景，有很多难题等着同学们去解决。”

在人工智能时代，计算数学发挥着更为深广的影响。张磊认为，随着技术的不断提升，数据量的“井喷”，人工智能成为科技发展的必然结果，“ai for science（人工智能应用于科学研究）”不仅仅是时髦的科研口号，而是实实在在能够助推科学发展的必要范式。在他看来，目前人工智能在生命科学研究方面成果最为明显。“因为生命活动是非常复杂的，如果想有所突破创新可能需要更高的实验条件和技术手段，人工智能能够辅助人类智能掌握更为深广海量的信息，做智能化的总结提炼和前瞻性的预判。当然，人工智能可以在很多科学领域作出贡献，包括大家一直认为是‘稳态’的数学研究，也很有可能不断突破人类的认知边界。”张磊说道。

张磊与课题组学生进行团建活动

如今，作为在计算数学领域和生命科学研究领域都卓有成果的杰出青年学者，张磊希望更多的青年学子能够继承发扬科学家精神，进行科学上的攻坚克难，做“顶天立地”的学术科研。“如果决心走学术，我鼓励大家先做好自己本领域的研究，高筑墙、广积粮。可能一开始会有迷茫，但是努力做下去，会逐渐积累信心，在领域内部能够有自己的‘话语权’，再多找机会与其他学科背景的学者沟通碰撞，共同支起一片广阔的学术天空。”张磊这样说道。

学者简介：

张磊在北京国际数学研究中心咖啡角

张磊，北京大学北京国际数学研究中心博雅特聘教授，定量生物学中心、国际机器学习中心pi。2009年在美国宾州州立大学数学系获博士学位。研究领域为计算和应用数学、交叉科学，包括稀有事件与解景观的算法与应用，数学与生命科学交叉，计算材料科学等。研究成果在prl、pnas、acta numerica、science子刊、cell子刊、siam系列期刊发表。主持国家基金委创新研究群体、国家杰出青年科学基金、科技部“生物与信息融合”重点研发专项、基金委原创探索计划、英国皇家学会牛顿高级学者、基金委优秀青年科学基金、中组部高层次青年人才计划等项目，同时担任siam j. appl. math、 science china mathematics、csiam trans. appl. math、the innovation、《计算数学》等多个国内外期刊的编委。

王选杰出青年学者奖介绍：

北京大学王选青年学者奖励基金由王选夫人陈堃銶教授于2008年12月代表北京大学王选计算机研究所（原北京大学计算机科学技术研究所）捐赠基金设立。之后，王选所硕士研究生刘振飞校友连续多年捐资注入本基金，是北大最早的针对青年学者所设的奖励基金。该基金下设“北京大学王选青年学者奖”，多年来奖励了北大一批在教学岗位和科研工作中作出重要贡献并具有巨大发展潜力的青年教师。

王选院士作为推动中国汉字和印刷技术迈入计算机时代的开拓者，是新时代知识分子的杰出代表和自主创新精神的楷模，他的崇高品格与精神风范值得永远铭记。为更好地纪念王选院士，发扬他坚持创新的科学精神和扶植新秀的高尚情怀，推动中国科技创新事业发展，扩大王选青年学者奖励基金的影响力，2020年，北京大学王选青年学者奖励基金决定增设全国性科技奖项“王选杰出青年学者奖”。该奖项实行推荐制，不受理个人（或单位）的申请或自荐，每年组织评选一次。候选者应满足以下条件：热爱祖国，有良好的社会公德和高尚的职业道德；在科研工作中作出重要贡献并具有巨大发展潜力，或者其科研成果得到重要应用或有重要应用前景；年龄在45岁以下的中国公民。每年由北京大学、中国计算机学会和中国工业与应用数学学会联合评选出在计算机和应用数学领域中自主创新和应用成果极为突出的杰出青年学者各一名，每人一次性奖励人民币50万元。

为开展好王选杰出青年学者奖的相关工作，确保该奖项的公正性、独立性和权威性，特设立王选杰出青年学者奖管理委员会、学术委员会、提名委员会及秘书处，学术委员会和提名委员会由数学、计算机理论与应用领域的著名专家担任，负责奖项的提名和评审工作，对候选人进行评议、表决后上报管理委员会审定。如当年度无合适人选，名额可空缺。