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AI 时代,为什么要学泛函分析?

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导语

泛函分析诞生于对函数、微分方程和无穷维问题的研究。20 世纪量子力学的发展,让函数空间、希尔伯特空间、算子等概念进入了物理学的核心语言,泛函分析也因此成为理解量子力学的重要数学工具之一,而如今,机器学习也需要借助泛函分析提供的数学语言来描述。

本期文案贡献者 采访:兰岳恒、J-CAT 猫圈、范冬明 撰写:张倩和她的智能体 优化:谭夫有、李文韬、何瑞杰 审校:贾伊阳

今天,机器学习引爆了AI的第三次浪潮。正如同量子力学在泛函分析的加持下走的更远,机器学习也需要借助泛函分析提供的数学语言来描述。因为线性代数擅长处理有限维向量,但AI中的函数、分布、动态系统本质上是无限维的,需要泛函分析来提供更一般的框架。


来自泛函分析公开课ppt

但眼下有一个说法在大学生里很流行:大模型都能自动推导了,公式它帮我推、代码它帮我写,那还啃这些数学基本功干什么?用的时候交给它就行。

可以从两个角度回答上面的问题:

一、这个想法,把“工具替你干活”

和“你不需要懂”混成了一件事

工具能替你推导,恰恰是因为你给得出正确的问题、判得了它对不对。大模型越强,越需要那个能驾驭它的人。举个例子: 陶哲轩在2026年国际数学家大会(ICM)上发表了题为《人工智能时代的数学》的公众演讲。他展示了一张年轻时读Bourgain论文的批注页:上面全是批注、补全省略步骤、打问号、重写证明。他说:“理解的形成恰恰在这些停顿、卡壳、重写的痕迹里。” 但如今AI生成的论文文本光滑、语法完美,却掩盖了真正的认知难度。


陶哲轩指出,一个数学问题被真正解决需要过五关:证明、验证、阐释、同行认可、写进教材。AI目前只加速了第一关,证明生成。他甚至在演讲中公布了测试结果:10道从未公开的研究级新题,AI解出7道并达到期刊发表水平。但答案正确远远不够,数学的衡量标准不是定理的生产,而是“让人们更清楚地理解和思考”。

AI生成过剩 → 文本过度光滑 → 阻力与痕迹消失 → 读者的再创造接口被堵死 → 下一代数学家的理解能力退化,这一链条才是真正的危机。

基本功,就是内核。你不亲手把一套理论的来龙去脉走一遍,就没有内核,提不出真问题,也判断不了大模型给你的答案是对是错。反过来,内核越强,你操控大模型的能力就越强:你知道该问它什么、怎么引导它、它给的结果里哪些能用、哪些不能用。

这背后是一个被很多人忽略的事实:大模型强在学习能力,一个人一辈子学不完的数学,它几个小时能过一遍;它还能把别的领域里早就存在、你却不知道的定理,拿过来解决你的问题。但它的边界也很清楚,它做的是“把已有的知识联系起来”,不是“无中生有的创新”。至少到今天,前人从没想过的东西,它还做不出来。


来自泛函分析公开课ppt

推导、计算这类硬功夫,大模型在符号计算和常规推导上比人类快且不易出错,但需要人类对其结果进行验证和判断。同时人的价值来到了更高层次:能把握一套理论的精髓,能在更大的知识范围之间做连接、做判断,能提出真正的问题。一个很具体的场景:你和大模型协作,它给你四个方案,你怎么选?你连问题都提不出来、连它给的结果对不对都判断不了,那它再强,跟你也没关系。

大模型可以替你算,但不能替你想。

二、泛函分析,

正是理解大模型底层原理的内核

它们面对的是相近的数学困难。

泛函分析处理函数空间等无穷维对象;深度学习通常在高维参数空间中工作,但当我们研究无限宽度极限、模型作为函数的行为、训练过程的稳定性,以及神经算子时,问题自然会进入函数空间和算子理论。两者都要处理复杂映射、极限和稳定性。机器学习中的许多问题还具有显著的非线性,而非线性泛函分析从原理上说,正是为处理这类问题准备的一套工具。

这套工具做了几十年,积累了一些很硬的东西,把它引入深度学习,能帮人看清模型里到底发生了什么。这种理解不是空谈。有学员在学完第一期后说,他第一次真正想通了一件事:无限宽度的神经网络,约等于一个核方法。这就是泛函分析给的视角,它让你从数学上、而不是从调参的经验上,去看懂机器学习。

给“炼丹”一个思考的把手。

现在很多做模型的人,实际是在调参数:一个接一个试,成了就是“炼丹成功”,不成继续试。这种调法没有把手,不知道成是因为什么,败又是因为什么,只能靠运气。泛函分析给的是一个理论框架。有了框架,思考才有落点,才可能从“一堆参数在乱调”,变成知道往哪个方向改进,甚至反过来改进网络本身。

“不稳定”谁都知道,难的是“怎么限制”。

神经网络天然过拟合,这不稀奇,所以大家都会加正则化去约束。真正难的不是“要加约束”,而是“怎么加”:加在哪、加多少、哪种形式最好。这正是课程中“算子稳定性与病态逆问题”模块要解决的问题,通过紧算子、奇异系统、开映射定理等工具,可以定量分析正则化如何影响解的存在性与稳定性。概念放在书里谁都有,能把它和实际问题接起来,才值钱。


来自泛函分析公开课ppt

泛函分析本身研究的是函数空间、算子、收敛、连续性与稳定性等一般结构,量子力学只是它的一块重要应用背景。问题在于,现有教材常常沿着经典的数学和物理例子组织内容,和今天 AI 研究者面对的对象之间,仍有一段距离。

第一期带人走进了函数空间、希尔伯特空间、核方法这些基础的数学对象。但真实世界里要面对的函数远不止这些:模拟一个细胞、理解生命与复杂系统,这些对象可能落在高维流形上,带着拓扑、分形等几何属性。这些问题并不天然属于量子力学的语境,需要更复杂、也更贴近现实的数学语言。

贾伊阳老师的泛函分析(二),要往这个方向走一步。课程不预设严格的数学基础,而是从AI实际问题(如最小二乘、PCA、核方法、Neural ODE)出发,通过直观实例逐步引入弱拓扑、紧性、Hahn-Banach等概念,让数学工具自然呈现。对非物理背景的 AI 从业者来说,可以直接拿起泛函分析的工具,去审视这些“不平凡”的函数,搞清楚它们的基本描述、基本属性,以及怎么找到、拟合它们。

这门课里,每节课都集中讲一个具体问题:从弱拓扑、紧性开始,到凸分析、对偶性,再到次梯度、近端算子,然后分析算子稳定性,接着通过半群理解连续深度模型,通过隐式层理解深度平衡模型,通过概率测度理解分布距离,通过分布动力学分析生成模型,最后是神经算子和Bellman算子。


每一个都是 AI 里正在用、或者马上要用的东西:例如对偶模块对应SVM和GAN的生成器‑判别器对偶结构,核方法正是对偶空间中的内积;半群与连续深度模型模块对应Neural ODE,其前向传播可视为一个半群作用,生成元的谱性质直接决定训练稳定性;神经算子模块对应傅里叶神经算子(FNO),它直接学习函数空间之间的映射,能在毫秒级完成传统PDE数值求解;Bellman算子模块对应强化学习中的策略迭代,其收敛性由Bellman算子的压缩映射性质保证,正是课程中“紧性与极小值存在性”的生动应用。每一讲的知识都能直接落地到具体问题。


来自泛函分析公开课ppt

如果大模型真的让你开始怀疑“数学还值不值得学”,那恰恰说明:该学的,正是那些它替你学不掉的东西。期待这门课,能让更多读者因 AI 的热情,与泛函分析结缘。

泛函分析公开课回放

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