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吴晓群:发掘复杂网络中的美丽新世界

中华英才 作者:齐殿斌 2018-09-17 13:38

核心提示: 专访第十四届“中国青年女科学家奖”获得者、武汉大学数学与统计学院应用数学系教授吴晓群。

她自诩“小教师”,却站上了数学的巅峰。她潜心科研应用数学领域复杂网络的结构,推开了互联网大数据底层建模理论支撑的大门。她坚持20年拼搏,用超强大脑推演运算,建立起多层网络理论王国,走在了世界科技的前沿。她认为,“科研之路是循序渐进的,潜下心来做自己看中的方向,终将会做出成果。”

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吴晓群为她的学生上课

随着互联网的飞速发展,复杂网络研究的重要性日益凸显。致力于发掘复杂网络中的美丽新世界,这是武汉大学数学与统计学院应用数学系教授吴晓群和她的团队正在做并不断有新发现的科研课题。而她个人也因为长期致力于研究复杂网络的控制与同步、拓扑结构识别及同步域分岔,及多层网络领域卓有成效的研究,在2018年年初荣获第十四届“中国青年女科学家奖”,并由此成为武汉大学首位获得此项奖励的女科学家。

在吴晓群这位遨游“浩瀚的数学海洋”20年的湖北妹子看来,互联网让世界变得很小,网络科学让复杂的世界更简单,数学则永远是创新思想取之不尽的宝库。她感慨,作为这个大网络中的小小个体,能获得此“中国青年女科学家奖”荣誉十分幸运。

在数学的王国里很辛苦也很开心

现任武汉大学数学与统计学院教授,兼应用数学系系主任的吴晓群祖籍湖北红安,那是一片“红色的土地”。从小酷爱数学的她2000年获得武汉大学应用数学学士学位,2005年获得武汉大学计算数学博士学位。有些人常常认为,理科是男生的强项,作为武汉大学数学与统计学院应用数学系的女生,吴晓群用实际行动打破了这种偏见。科学世界的吸引力让她为之陶醉、为之奋斗,当她博士毕业之时,便以优异的成绩留校任教。

在科学研究领域,女性工作者仍是少数的存在,她们在日常工作学习中,便无形地背负了一个重任,那就是向世人证明自己的能力,证明女性与男性一样都可以成为优秀的科研工作者。吴晓群就是这样一位优秀的女性科研工作者。

从2000年攻读硕士学位以来,吴晓群从事非线性系统的控制、同步、参数识别、界的估计及分岔分析,进而研究复杂网络的控制与同步、拓扑结构识别及同步域分岔,到近期多层网络领域,走着一条循序渐进的科研之路,取得了一系列创新性的成果。

做数学科学研究以来,吴晓群先后发表论文70余篇,其中SCI收录57篇,Google学术引用2700余次,Web of Science引用1500余次,其中单篇引用最高180次,7篇论文单篇引用超过80次。共主持4项国家自然科学基金项目和1项教育部博士点基金。曾获湖北省自然科学一等奖、二等奖及教育部自然科学一等奖。2013年入选武汉大学“珞珈青年学者”人才计划;2017年获批湖北省自然科学基金杰出青年项目;2018年获得第十四届“中国青年女科学家奖”。

“我很幸运,从事了自己少女时代喜爱的事情,在数学的王国里很辛苦也很开心。”吴晓群说,曾经为了一个课题一篇论文持续奋战了4年多时间,论文发表的时候,她和她的老师都激动得落泪了。很多人认为数学科研很寂寞、很枯燥,但她却很享受这个推演运算建立模型的过程。日复一日从学生到教师,从教学到科研,不是在教室就是在图书馆,科研的奋斗让吴晓群觉得很幸福。

用数学的方法寻找传染病源头

一条河流过风景秀丽的村庄,河中有两座小岛,七座石桥将河两岸与岛连接起来。有人突发奇想:能否每座桥只走一次,然后回到起点?这就是数学史上著名的“七桥问题”。伟大的数学家欧拉在1736年的论著中记载了新的数学分支——图论,解答了这个问题。如今,图论已经成为了研究复杂网络的重要工具。这些由问题驱动的数学研究正是应用数学重要的组成部分。

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吴晓群指导学生做科研

“什么是复杂网络?绝大多数人认识的网络,可能只是日常上网用的万维网,但网络的概念很大,我们实际上就生活在一个极其复杂的网络中。”吴晓群解释,每一个人可以看作是网络中的一个节点,而人与人之间的关系,以及人与事物的关系都可以用一条连边来表示,这样就形成了一个庞杂的网络。如今,很多数学家试图用数学的方式描述这个网络,研究它的几何性质、形成机制、演化过程、统计规律,以便更好地服务于现实需求,而这也恰恰是她和她的团队所要攻克的难题。

如果人类能通过观察网络的行为动力学,解释个体之间的关系,是否能更好的认识世界?吴晓群给出的答案是肯定的:它将推动全人类的进步,改变我们的世界和生活。

“当你沉浸在‘双11’狂欢中,淘宝用大数据为你推荐产品的背后,其实就有复杂网络理论的应用。”吴晓群解释说。

利用复杂网络的理论,把杂乱无章的信息建立起关联,人们就可以对模糊世界进行精准量化和预测,发现什么是重要节点,什么是边缘节点。基于复杂网络分析人们在不同时间、不同地点的行为,未来能够更容易处理复杂问题,例如疏导城市拥堵的交通、控制流行病传播等等。

吴晓群及其导师陆君安教授的团队一度与疾病预防控制中心进行合作,用复杂网络理论研究传染病的传播。他们利用医院提供的数据,将人与这些数据建立起一个网络,用数学的方法找到传染病的源头,发掘哪些人是易感染人群,哪些人是重点保护对象,从而更深入地了解疾病的传播方式及预防扩散方案。他们经过理论研究,将一些初步成果反馈给了疾控中心。有了理论依据,疾控中心就能更快、更准地开展防控工作。

事实上,生活中处处有数学,将数学与现实生活联系起来解决实际问题,正是吴晓群学习数学、从事应用数学研究的直接原因。“应用数学其实是一个交叉学科,用它解决其他学科中的数学问题,才能真正发挥数学的作用。”她说。

年轻科研人要受得了清贫,耐得住寂寞

如今,吴晓群已在武汉大学学习、工作了22年。近十年来,她几乎每年都有几个月在国外访学研究,再加上日常授课教学、各种学术会议,虽分身乏术,但她一直坚持做自己想做的研究。

今年大年初一,吴晓群顺产了第二个孩子,但科研工作却从不曾停歇。“我们搞数学的,随时都可以工作,生孩子完全不影响工作啊,有一台电脑就能搞研究。”大年初六,吴晓群就开始在家里回复博士生的论文……

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独具特色的武汉大学校门  齐殿斌摄

作为一名女性科研工作者,吴晓群很感激学校和家人的全力支持,这也是她与团队能将复杂网络研究不断创新,逐步走向世界前沿之列的重要原因之一。目前,她和她的团队正如火如荼地开展多层复杂网络这个前沿课题的研究。

除了自身科研梦想外,作为博士生导师,吴晓群对学生的培养也有自己的理解。她认为,在很多人眼里,女生学不好数学,而这只是学生自己给自己找的偷懒借口。科研之路是循序渐进的,年轻科研人要受得了清贫,耐得住寂寞,潜下心来做自己看中的方向,终将会做出成果,一切都会变得更好。

武汉大学数统学院2012级毕业生李密现在深圳华为公司工作。他回忆,吴老师治学严谨,教会学生把书读薄,那时的草稿纸都像笔记一样工整,数学学习让人受用终身。

吴晓群自诩“小教师”,却站上了数学的巅峰。她潜心科研应用数学领域复杂网络的结构,推开了互联网大数据底层建模理论支撑的大门。坚持20年拼搏,她用超强大脑推演运算,建立起了多层网络理论王国,走在了世界科技前沿,成为攀上数学高峰的女科学家。

在“中国青年女科学家奖”颁奖典礼上,吴晓群的发言充满了感激之情。她动情地说,感谢武汉大学对我的培养和支持,感谢我的导师陆君安教授把我引入这片科研“乐土”,感谢我们小组所有成员的共同努力,感谢我的家人默默地支持,感谢所有给过我帮助和关爱的人……

对科学的探索,对未知世界的好奇,一直是吴晓群保持创造力的秘诀。“科学工作者,一定要保持一颗好奇之心,不断提出问题,这样才能锐意进取,才能在科研领域有新的发现。”吴晓群经常这样教导她的学生,而这也是她对自己成功之道的一种概括。

吴晓群

1978年1月出生,武汉大学数学与统计学院应用数学系主任、教授,博士生导师,武汉大学数学协同创新中心成员。2000年获得武汉大学应用数学学士学位,2005年获得武汉大学计算数学博士学位。一直从事复杂网络理论与应用的研究,传染病模型及其预防与控制,时间序列分析等方面的研究。先后多次在香港理工大学、香港城市大学、香港浸会大学及澳大利亚西悉尼大学从事相关方面的研究。获得过湖北省自然科学一等奖(“复杂网络的同步、控制与拓扑识别”,2013)、教育部自然科学一等奖(“几类混沌系统的论、控制及其应用”,2007)和湖北省自然科学二等奖(“几类典型复杂系统的建模、分析与应用”,2006)。主持过国家自然科学天元数学基金、教育部博士点新教师基金、国家自然科学青年基金、国家自然科学基金面上项目, 共发表文章50余篇,其中SCI 杂志论文40余篇。

通俗理解复杂网络

什么是复杂网络?

复杂网络(Complex Network),是指具有自组织、自相似、吸引子、小世界、无标度中部分或全部性质的网络(著名科学家钱学森给“复杂网络”作的定义)。对普通人而言,提到复杂网络首先想到的是互联网,实际上网络已经成为Internet的代名词,确实Internet从只有几个结点的简单的网络,发展到今天Internet的用户已经数以亿计,即使不考虑终端用户,路由器的用户也是几万人,确实是复杂的网络,而且对互联网我们缺少统一的行政管理机构,可以说到今天已经没有任何一个人能够知道互联网上所有的路由器到底是怎么联结在一起,就是没有互联网联结一张很完整的清晰的地图。

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复杂网络示意图

世界上除了互联网以外,复杂网络的例子在我们生活中比比皆是,比如说我们把一个万维网作为一个结点,可以说至少和我们人类的数目相当,所以万维网也是极其复杂的网络。就我们人体而言,我们人体当中实际上有各种各样的复杂网络,我们大脑当中的神经网络,实际上就是有数量高于十次方以上大量的神经源互相连接在一起,我们人体还有各种各样的新陈代谢网络。那么一条江河里面构成的食物链也是网络,甚至大型软件系统都可以看成是小的对象类通过互相调用构成的复杂网络,因此可以说绝大部分的事物都可以看成是复杂网络。

复杂网络的复杂性到底体现在哪些方面?

1、直观而言,就是网络的结构非常复杂,比如说互联网、路由器和路由器怎么连接,我们没有很清晰、很规则的概念;

2、网络是不断演化的,以互联网而言,网络上我们可以说路由器是不断地增加,路由器与路由器之间的连接也是不断增长的;

3、连接的多样性。就像人类朋友的关系,朋友也有亲密和疏远之分;还有网络动力学的复杂性,互联网每一个路由器的动力行为,实际上都是在不停地变化,而且不同的结点都有不同的动力行为,这些都是网络复杂的因素。

网络结构研究有什么意义?

一个系统的结构、一个网络的结构与它的功能密切相关。我们大家可以想象一下,我们要想解决一个城市里面的道路交通堵塞的问题,首先必须要对现有的城市交通道路的布局有一个非常清晰、完整的了解,否则的话很难想象我们能够很好解决道路堵塞的问题。像时尚病毒在我们人类自身构成的网络当中的传播,也与我们人类社会的日益网络化相关,病毒的传播也是与互联网的网络化相关的,所以我们之所以研究网络结构,就是结构与功能之间有着密切的关系。

如何理解复杂网络的描述语言?

这样一种共同的语言,应该说是由伟大的数学家欧拉在18世纪就给我们建立了。欧拉当时建立这种语言所研究的问题,就是起源于当时俄国的一个小镇,有点类似江南水乡的特征,有一些河流,总共建了7座桥,小镇的人就关心这样的问题,就是能不能找到一条行走路线,能够路过所有的桥,并且每座桥只能经过一次,小镇的人反复尝试也没有找到这样的路线,后来欧拉发现这样的路径是不存在的。那么欧拉发现这个问题基本的手段,就是把这个问题用一个抽象的图来表示,具体就是把这些河流分割开的四个陆地区域,每一个区域用一个结点来表示,而把桥梁当成连接这些结点的连线,今天这样一种图的表示方法,就成为我们表述复杂网络一种共同的语言。

(2018.09.01 第17期)