科學(xué)史上有許多著名的兄弟，比如發(fā)明飛機(jī)的萊特兄弟。來(lái)自廣東蕉嶺的丘成桐、丘成棟兩兄弟，一位是菲爾茲獎(jiǎng)得主，一位是美國(guó)數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士，均蜚聲國(guó)際。他們有著相似的經(jīng)歷，大學(xué)只讀了三年，就赴美求學(xué)，兩三年時(shí)間即獲得博士學(xué)位，在美國(guó)名校任教多年，如今又一同回到清華為中國(guó)培育年輕數(shù)學(xué)人才。與哥哥丘成桐不同，小三歲的弟弟丘成棟更加內(nèi)斂、寡言，只有在談起自己的研究時(shí)，才滔滔不絕。
兒時(shí)，父親的教誨，早已把愛(ài)國(guó)情懷深深耕植于丘成棟心中。50歲時(shí)，丘成棟第一次回到父母的家鄉(xiāng)——廣東蕉嶺，感受祖國(guó)的溫度。60歲時(shí)，他加入清華大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)系，先后指導(dǎo)了60余名學(xué)生，主持了10多項(xiàng)科研項(xiàng)目，并于2022年獲評(píng)北京市優(yōu)秀教師。剛剛度過(guò)70歲生日的他，立志繼續(xù)推動(dòng)數(shù)學(xué)與生物學(xué)的結(jié)合，為祖國(guó)再工作十年。
丘成棟教授參加2021數(shù)學(xué)科學(xué)系畢業(yè)典禮
數(shù)學(xué)與生物：交叉的樂(lè)趣
近年來(lái)，病毒性傳染病頻發(fā)，如埃博拉出血熱、非典型肺炎、新冠肺炎等，給人類(lèi)健康造成了巨大的威脅。生物學(xué)主要采用序列對(duì)比的方法，往往受到算力限制。如何用數(shù)學(xué)的方法，對(duì)病毒進(jìn)行快速、科學(xué)的分類(lèi)和溯源，成為丘成棟最關(guān)心的問(wèn)題之一。早在2004年，他就開(kāi)始了相關(guān)研究。通過(guò)構(gòu)建基因組空間幾何結(jié)構(gòu)的方法，他先后在數(shù)學(xué)與生物學(xué)交叉領(lǐng)域取得一系列成果。
病毒基因組空間中每個(gè)病毒科所構(gòu)成凸包的2D投影
丘成棟和團(tuán)隊(duì)采用12維自然向量（Natural Vector) 方法，構(gòu)建病毒基因組數(shù)據(jù)庫(kù), 存儲(chǔ)所有已知病毒基因組序列的自然向量，完成對(duì)病毒進(jìn)行任何分類(lèi)等級(jí)上的比較，極大地降低了算法的復(fù)雜度；引入了一種新的數(shù)學(xué)上可以嚴(yán)格證明的Yau-Hausdorff距離，通過(guò)基因的二維圖形和蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)表示，有效地完成不同物種的進(jìn)化分析；通過(guò)自然向量形成的集合空間，即利用凸包方法（convex hull）分析基因組序列，判斷進(jìn)化關(guān)系。新冠疫情暴發(fā)后，他和團(tuán)隊(duì)將上述方法應(yīng)用于新冠病毒數(shù)據(jù)集中，計(jì)算了新冠病毒的全基因組與蝙蝠冠狀病毒的自然度量值，為尋找新冠病毒的起源作出了積極探索。
丘成棟認(rèn)為數(shù)學(xué)是一個(gè)重要的工具，將基礎(chǔ)數(shù)學(xué)理論用于生物學(xué)研究，可以發(fā)現(xiàn)更本質(zhì)的定理，實(shí)現(xiàn)更大的突破。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署曾經(jīng)提出21世紀(jì)23個(gè)待解決的數(shù)學(xué)問(wèn)題，其中關(guān)于生物數(shù)學(xué)有兩大問(wèn)題，即“建立基因空間，描述它的幾何特性”和“生物學(xué)的基本定律是什么”。丘成棟提出的“自然向量法”“自然度量”“凸包原理”，是離散數(shù)學(xué)研究中的一大飛躍，解答了上述問(wèn)題。
少時(shí)經(jīng)歷：愛(ài)上數(shù)學(xué)出于興趣
2019年丘成棟獲得ICCM陳省身獎(jiǎng)
丘成棟回憶，父親對(duì)每個(gè)孩子要求不一樣。他四歲起開(kāi)始跟隨父親背古詩(shī)詞、學(xué)習(xí)書(shū)法。小學(xué)六年級(jí)，父親過(guò)世后，家里陷入經(jīng)濟(jì)困頓，全靠母親從事織毛衣等雜活兒維持生計(jì)，兄弟姐妹才得以繼續(xù)接受教育。雖然已經(jīng)過(guò)去一個(gè)甲子，談及早逝的父親、堅(jiān)毅的母親，這位70歲的老人一時(shí)哽咽，眼眶濕紅，難掩思念之情。
丘成棟中學(xué)時(shí)就讀于教會(huì)學(xué)?！獏f(xié)同中學(xué)。從那時(shí)起，他開(kāi)始對(duì)數(shù)學(xué)產(chǎn)生興趣，覺(jué)得代數(shù)等科目“蠻有趣”。那時(shí)，兄長(zhǎng)丘成桐還在香港中文大學(xué)讀書(shū)，每每遇到數(shù)學(xué)問(wèn)題，他經(jīng)常與兄長(zhǎng)討論，還會(huì)按照兄長(zhǎng)的建議，選擇性地閱讀一些數(shù)學(xué)書(shū)籍。對(duì)數(shù)學(xué)感興趣的他，最終如愿考上香港中文大學(xué)數(shù)學(xué)系。在兄長(zhǎng)的鼓勵(lì)下，大三還沒(méi)拿到學(xué)士學(xué)位，他就奔赴美國(guó)紐約石溪大學(xué)深造。起初，他背負(fù)著巨大壓力，感覺(jué)毫無(wú)退路。直到第一年考試考了第一，超過(guò)同期美國(guó)學(xué)生，這才松了口氣。到了第二年年底，他就完成了博士論文，花了三年時(shí)間獲得了博士學(xué)位。
2011年，丘成棟決定回到清華。彼時(shí)，他在伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校擔(dān)任杰出大學(xué)教授，職位在大學(xué)中最高。然而，對(duì)于回國(guó)這一決定，他沒(méi)有一絲后悔。多年來(lái)，他反復(fù)吟誦父親留下的愛(ài)國(guó)詩(shī)詞，它們催促著他要為國(guó)家做點(diǎn)事情。加入清華后，他專(zhuān)心帶學(xué)生、做研究，培養(yǎng)了60余名學(xué)生，做出了一系列科研成果。在他看來(lái)，清華數(shù)學(xué)科學(xué)系日新月異，數(shù)學(xué)中心不斷引進(jìn)一流人才，清華數(shù)學(xué)國(guó)際影響力顯著提高，未來(lái)幾年就能夠躋身國(guó)際一流。
他鄉(xiāng)生白發(fā)，歸國(guó)見(jiàn)故鄉(xiāng)
兄長(zhǎng)丘成桐以刻苦著稱(chēng)，丘成棟也不遑多讓。28歲時(shí)，在哈佛期間，丘成棟就完成了復(fù)幾何中Kohn-Rossi猜想的證明，解決了復(fù)幾何的complex plateau問(wèn)題。30歲前后，他解決了一系列重要問(wèn)題，包括證明了代數(shù)幾何領(lǐng)域Mather-Yau定理，引入Yau代數(shù)等等。上世紀(jì)60年代，他與兄長(zhǎng)合作，完全解決了非線(xiàn)性濾波的中心問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)乃至國(guó)防工業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
回國(guó)后，他先后主持10多項(xiàng)科研項(xiàng)目。在基礎(chǔ)數(shù)學(xué)方面，利用奇點(diǎn)理論證明了CR流形之間的CR同態(tài)的剛性，證明了可嵌入的CR流形的非常值自同態(tài)必為自同構(gòu)，并利用Kohn-Rossi上同調(diào)給出CR同態(tài)存在性的一個(gè)判別準(zhǔn)則；與合作者在定義方程的度數(shù)足夠大的情況下證明了Halperin猜想和Wahl猜想。在控制與非線(xiàn)性濾波理論方面，深入研究了非最大秩情形的有限維估計(jì)代數(shù)問(wèn)題，解決了有限維估計(jì)代數(shù)的分類(lèi)、新型有限維濾波器的構(gòu)造等重要公開(kāi)問(wèn)題；將Yau-Yau（與兄長(zhǎng)合作的工作）算法推廣到了一般的時(shí)變?yōu)V波系統(tǒng)，并結(jié)合本征正交分解等方法，實(shí)現(xiàn)了中低維度非線(xiàn)性濾波問(wèn)題的實(shí)時(shí)求解；改進(jìn)了卡勒曼線(xiàn)性化技巧，得到了穩(wěn)定有效的次最優(yōu)濾波算法；設(shè)計(jì)出基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高維濾波算法，有效解決了高維濾波問(wèn)題。在生物信息方向，提出了基于全基因組的非比對(duì)快速序列表示法：對(duì)海洋微生物基因組進(jìn)行了分類(lèi)預(yù)測(cè)與進(jìn)化分析。近期，他正在搭建北京雁棲湖應(yīng)用數(shù)學(xué)研究院的研究團(tuán)隊(duì)，希望利用凸包方法，計(jì)算潛在病毒蛋白質(zhì)序列，為國(guó)家節(jié)省相關(guān)研究費(fèi)用。
數(shù)學(xué)科學(xué)系生物信息學(xué)交叉團(tuán)隊(duì)合影
如今，丘成棟已經(jīng)在清華度過(guò)了十余個(gè)年頭。他十分感謝清華大學(xué)以及清華數(shù)學(xué)科學(xué)系全方位的支持，讓他得以帶領(lǐng)最好的學(xué)生，專(zhuān)注于教學(xué)科研工作。今年退休時(shí)，他將自己參與創(chuàng)辦、主編的期刊《代數(shù)幾何雜志》（Journal of Algebraic Geometry）無(wú)償捐贈(zèng)給清華大學(xué)，并表示可以一直參與期刊的一些工作。他希望未來(lái)這本刊物發(fā)展成為代數(shù)幾何領(lǐng)域的頂級(jí)刊物，引領(lǐng)國(guó)際代數(shù)幾何的發(fā)展方向，擴(kuò)大清華數(shù)學(xué)學(xué)科的影響力。
他鄉(xiāng)生白發(fā)，歸國(guó)見(jiàn)故鄉(xiāng)。剛度過(guò)70歲生日的丘成棟，立志再工作十年，以幾何視角、數(shù)學(xué)工具，參透基因的奧秘。
（清華新聞網(wǎng)11月17日電）
供稿：數(shù)學(xué)科學(xué)中心
編輯：李華山
審核：呂婷
