马丁·格勒切尔:难题的几何学
1982年,富尔克森奖(Fulkerson Prize)——离散数学领域最严苛的荣誉,由美国数学学会和数学优化协会共同颁发——授予了关于椭球算法(ellipsoid method)的研究。其背后的成果由马丁·格勒切尔(Martin Grötschel)与洛瓦兹·拉兹洛(László Lovász)和亚历山大·斯赫赖弗(Alexander Schrijver)共同开发,确立了至今仍指导理论学家思考组合优化的原则:对于一大类问题而言,能够进行分离——即回答一个点是否位于集合内,如果不在,则构造一个超平面来证明——在计算上等同于能够在该集合上进行优化。优化与分离是披着不同外衣的同一难题。
从施韦尔姆到波恩
格勒切尔于1948年9月10日出生在北莱茵-威斯特法伦州的一个小型工业城镇施韦尔姆(Schwelm)。他从1969年开始在波鸿大学(University of Bochum)学习数学,辅修经济学,于1973年获得学位,随后前往波恩大学(University of Bonn)担任研究助理,在那里工作了九年。1977年,他在德国离散优化奠基人之一伯恩哈德·科尔特(Bernhard Korte)的指导下获得博士学位;1981年,他在波恩获得了运筹学领域的特许任教资格(habilitation)。
他的博士研究直接切入了该学科最著名的棘手难题。格勒切尔推进了旅行商问题(Traveling Salesman Problem)的割平面法——即将一个困难的组合问题松弛为连续问题,求解简化版本,然后增加不等式以切除松弛产生的非整数答案,通过迭代直到获得整数解。该技术能否成功取决于如何选择添加哪些不等式,而对这些不等式的研究——即多面体组合学——成为他职业生涯的中心:理解问题可行解构成的凸包的几何形状,因为几何正是难度实际所在。
椭球体
椭球算法于1979年传入西方,作为线性规划可在多项式时间内求解的第一个证明。在实践中,它当时以及现在都表现不佳——远慢于它在理论上超越的单纯形法。格勒切尔、洛瓦兹和斯赫赖弗发现,它真正的威力不在于作为一个算法,而在于作为一个证明工具。
由于椭球算法只需要一个分离预言机(separation oracle)而不是明确的约束列表,它可以在具备指数级多面约束的情况下进行优化,前提是你能够高效识别被违反的约束。这一发现一举将一系列悬而未决的问题转化为已解决的问题:整类组合问题被证明可以在多项式时间内求解,而无需为其构建直接的算法。这一框架在专著《几何算法与组合优化》(Geometric Algorithms and Combinatorial Optimization)中得到了全面阐述,该书成为了该领域的标准参考书目之一。1982年该项工作荣获富尔克森奖,1991年又荣获乔治·B·丹齐格奖(George B. Dantzig Prize)。
柏林
格勒切尔于1982年至1991年间担任奥格斯堡大学(University of Augsburg)应用数学教授,随后搬到柏林,在那里度过了职业生涯的余生。他于1991年成为柏林工业大学(Technische Universität Berlin)的信息技术正教授,并于同年担任楚泽研究所(Zuse Institute Berlin, ZIB)副所长,2012年至2015年担任所长。他于2015年至2020年担任柏林-勃兰登堡科学与人文学院院长,并自2011年起担任慕尼黑工业大学(Technical University of Munich)特聘教授。
柏林的几十年使他的重点转向了应用,但并未放弃理论。他共同创立并主持了DFG马特昂研究中心(DFG Research Center Matheon),该机构建立的前提是工业和基础设施问题能产生全新的数学,而不仅仅是消耗旧的数学。他的应用工作涉及生产规划、公共交通调度、能源系统和物流等领域——在这些领域中,组合调度方案中百分之几的改进就意味着大量的资金和可衡量的碳减排。
他也是一位极其活跃的机构建设者。他曾于1993年至1994年担任德国数学学会主席,2007年至2014年担任国际数学联盟秘书长,2011年至2015年担任柏林爱因斯坦基金会(Einstein Foundation Berlin)主席。他共同编辑了《组合学手册》(Handbook of Combinatorics)。他获得了一系列奖项:1990年的卡尔·海因茨·贝库茨奖(Karl Heinz Beckurts Prize),1995年获得德国最有价值的研究奖项——戈特弗里德·威廉·莱布尼茨奖(Gottfried Wilhelm Leibniz Prize),2004年的EURO金奖,2006年的冯·诺依曼理论奖(John von Neumann Theory Prize),以及2009-2010年左右获得的SIAM会士称号和SIAM杰出服务奖。他拥有四所大学的荣誉博士学位,并且是七个科学院的成员,包括美国国家工程院、利奥波第那国家科学院(Leopoldina)、德国工程科学院(acatech)、欧洲科学院(Academia Europaea)和中国科学院。
为什么马丁被称为天才
这个词并不是他所在领域对他使用的词,诚实的描述既不同也更有用:格勒切尔是一位一流的数学家,他的卓越贡献由外部评判提供了极为充分的证明。优化领域的三大最高奖项——富尔克森奖、丹齐格奖、冯·诺依曼奖,加上莱布尼茨奖,以及作为美国、德国和中国国家科学院的成员,构成了极少数在职数学家才能积累的持续技术卓越的记录。
他特定的素质是结构性的,而不是炫耀性的。椭球算法的洞见是最清晰的例子:成就不在于发明了一个新算法,而在于识别出一种现有的、实际无用的算法编码了一种通用等价性,并从这种等价性中提取出了一台能够解决整个学科问题的机器。这是一种特殊的心智——一种看工具就能看到定理的心智。同样的本能也体现在多面体项目中,其举措是将离散搜索转化为关于凸体形状的问题;在马特昂研究中心也是如此,其举措是将工业调度问题视为数学的源泉,而不是其应用。
反面观点很直接,值得说明。格勒切尔的核心成果是与合作者共享的,主要是洛瓦兹和斯赫赖弗,将分离-优化等价性仅仅归功于他是不准确的。他的名声仅限于他的专业领域;在组合优化和运筹学之外,他基本上不为人知,没有任何结果以他的名字进入通用数学词汇。他职业生涯后期的很大一部分投入到了行政管理、基金机构和社会主席职务,而不是证明。记录所支持的不是被吹捧的天才,而是一种更精准的价值:一系列一流的成果、该领域至今仍每天使用的框架,以及在柏林留下的超越任何个人定理的机构遗产。
遗产
分离-优化等价性现在已成为标准工具,教授给该领域的每一位研究生,并在提出任何新的松弛方法时被引用。他参与建立的多面体方法是商业整数规划求解器的基础,这些求解器用于规划航空线路、列车时刻表和电力网。此外,楚泽研究所、马特昂研究中心和柏林优化流派是实实在在的机构事实,其中的工作人员从他那里学到,一个困难的实际问题和一个深刻的数学问题,往往是从两个侧面看同一个客体。