球面上的最优传输和微分几何

4年前浏览4813

纽约金秋，海水澄澈，天空湛蓝。午后的阳光遍洒金辉，秋风袭掠之后，始见落叶飘零。虽然秋高气爽，心情振奋，但是寒意渐起，莫名的忧伤总是挥之不去。学期伊始，很多新生入学，朝气蓬勃，青春洋溢。看着他们，令老顾不禁怀念起当年入学的情形。

Scarborough Fair

当时的清华园文艺气息非常浓厚，经常有各种音乐会、个人演唱会。每天夜晚东大操场上都有人在演练吉他弹唱。每天下午团委和文艺社团排练室都传来阵阵琴声，单簧管、双簧管、长笛等乐器混杂成厚重的织体，间或被长号、小号的高音所撕裂。一天傍晚，金得哲、李雪松在主楼后厅举行演唱会，他们演唱了Simon和Garfunkel的《斯卡布罗集市》（Scarborough Fair）感人至深。歌曲旋律优美动听，歌词伤感婉约，吉他配器飘逸悠远，Simon和Garfunkel的和声浑然一体，动人心弦，堪称民谣中的经典。后来，老顾和乐队朋友郝佳良、陈皓无数次演奏过这首乐曲。郝佳良用激越嘹亮的小号吹出了醇厚柔美的感觉，陈皓单簧管的音色更是纯净无暇，令人感伤。到了博士阶段，老顾和清华乐队的朋友经常在麻省理工排练，曾经用高音萨克斯来演奏“Scarborough Fair”，但总觉得Soprano Saxophone华丽绚烂的音色，无法表达这首乐曲所蕴藏的怅惘和忧伤。再后来，老顾到纽约工作，经常到中央公园游览。Simon和Garfunkel曾经分道扬镳，后于1981年复合，在中央公园举行了一场免费音乐会。在夕阳西下、皓月初升之际，这对搭档再次演唱了这首老歌，成为永恒。

“Scarborough Fair”一唱三叹，每句歌词之后，都要加上一句叹惋“Parsley，Sage，Rosemary and Thyme”，翻译过来就是“荷兰芹、鼠尾草、迷迭香和百里香”，四种香料的名称，这令老顾大惑不解。后来，老顾游览Scarborough fair的所在地，英格兰的约克郡。和纽约（New York）相比，具有两千年历史的约克郡（old York）古老阴郁，历史文化极其厚重。这里的惠特比修道院（Whitby Abbey）是吸血鬼的诞生地；约克大教堂（York Minister）是北欧最大的哥特式教堂，具有多层地基。历史上罗马人、诺曼人、维京人、盎格鲁-萨克逊人曾经多次征服过这片土地，他们摧毁被征服者的教堂，在原址上重建自己的教堂。斯卡布罗集市曾经是北欧海盗维京人敛财销赃的据点，游吟诗人在集市上即兴创作，脍炙人口的民谣流传下来，从而启迪了保罗西蒙和葛芬柯。老顾询问当地的一位教授朋友，“荷兰芹、鼠尾草、迷迭香和百里香”的含义。教授朋友给老顾解释了一段惨痛的历史掌故。1347年，穆斯林和热那亚的基督徒殖民者之间爆发了战争。战争中，穆斯林军队爆发了黑死病。穆斯林军将病者装上了弹射器，投射到热那亚城中。恐惧的热那亚人逃回了意大利，引发了全欧洲的瘟疫。黑死病夺去了欧洲几乎一半的人口，使得人们对教会和信仰大失所望。瘟疫中却有一群盗徒穿行于死亡遍布的街市，大肆偷盗。当他们被逮捕后交待了抵御瘟疫侵袭的秘方，其中主要的成分就是荷兰芹、鼠尾草、迷迭香和百里香。由此，历史上留下了“四贼醋”的大名：Parsley，Sage，Rosemary and Thyme。由于瘟疫的恐怖，人们用将这一秘方广泛传播，演化成民谣中起兴的咒语。“Scarborough Fair”的歌词居然有如此惨烈的文化背景，民族战争，宗教战争，瘟疫黑死病，宗教改革，难怪有一种难以名状的哀伤和凄美。数百年之后，这些历史的伤痕被岁月抚平，惨痛的记忆被转化成优美的旋律和典雅的歌词。虽然人类文明提升到了古人难以想象的高度，医疗日益发达，科学日益昌明，但是宗教战争、全球性瘟疫的阴影依然挥之不去。

最优传输

老欧洲的文化传统中，最为纯粹和厚重的当属数学。人类几乎出于先天的本能就会欣赏音乐。对于数学的品鉴却需要长期的专业训练。但是从带给人们的美学价值和精神震撼程度而言，数学更为崇高、激烈和持久。自从法国数学家蒙日在十八世纪初叶开启了最优传输理论的研究，数百年来无数的纯粹数学家、应用数学家、计算机科学家、工程师都为这一理论而心醉神迷，从各个角度为这一理论的发展做出了贡献。纯粹数学家证明了解的存在性、唯一性和正则性；应用数学家设计迭代格式，证明收敛阶，误差估计，数值稳定性；计算机科学家设计数据结构，并行算法，提高算法鲁棒性和效率；工程师用来进行图像增强，病理分析，统计推断，生成模型，设计光学器件等等。由于社会分工和职业训练，很少有人能够透彻理解这一理论上下游的全景，只能专注于相对局限的一部分理论或算法。例如纯粹数学家呕心沥血发展出来的各种先验估计的技巧，对于绝大多数的计算机科学家而言无法直接应用，因而缺乏动力去钻研，由此也错过了领略深层次美感的机会。近期，由于最优传输理论日益成为深度学习的理论基础之一，整个社会对于最优传输理论的学习热情日益高涨，相信最优传输理论和蒙日-安培方程理论会逐渐深入人心，在工程医疗领域发扬光大。

最优传输映射在度量空间，特别是黎曼流形上依然存在，但是其正则性分析相对困难。球面上的最优传输理论比较成熟，但是目前在工程领域应用不多。相信依随三维打印技术的成熟，球面最优传输理论终将大放异彩。这里，我们讨论球面最优传输理论的一个经典应用：由曲率来构造曲面，即凸几何中的Weyl problem，Minkowski problem和Alexandroff problem。

凸几何经典问题

由微分几何的经典理论，三维空间中的曲面由第一基本形式（黎曼度量）和第二基本形式共同决定。黎曼度量决定了曲面的内蕴几何，可以测量曲面上曲线的长度，曲线间的夹角，区域的面积，同时也决定了曲面的高斯曲率。第二基本形式决定了曲面的主曲率，平均曲率。但是对于凸曲面而言，仅仅黎曼度量就决定了曲面在三维空间中的嵌入。