Математика снова становится модной. А математик из Петербурга — это еще и уважаемый бренд. Про фанатов формул и уравнений снимают фильмы и сериалы, их завлекают к себе на работу нефтяники и крупнейшие торговые сети. Что может быть общего у математических моделей, скважин и клиентов в ритейле — разбирались в вопросе вместе с молодыми петербургскими учеными.
Команды СПбГУ и ИТМО становятся победителями чемпионата мира по программированию ACM/IC PC чаще представителей Стэнфорда и Гарварда. И престижные награды Института Клэя в нынешнем году снова достались петербургским ученым, которые дальше других продвинулись в решении задач, оставшихся после доказательства гипотезы Пуанкаре.
Неудивительно, что научное сообщество выбрало Петербург местом проведения в 2022 году Международного конгресса математиков. На этом престижном мероприятии, которое проходит раз в четыре года, вручают «математические Нобелевки» — медали Филдса. И до сих пор Россия принимала этот «мундиаль» только однажды — в 1966 году.
Почему игры чистого разума столь развиты в Северной столице? Насколько они далеки от жизни?
Мы обратились в Междисциплинарную исследовательскую лабораторию СПбГУ, носящую имя основоположника петербургской математической школы П. Л. Чебышева, чтобы узнать, чем занимается современная математическая наука, какое применение находят исследования в повседневной жизни, где особо востребованы математики после окончания университета, а также останутся ли они увлеченными (чуть безумными) теоретиками или будут успешно решать свои жизненные задачи, при этом занимаясь любимым делом.
Лабораторию основал в 2010 году и до сих пор возглавляет Станислав Смирнов — филдсовский лауреат, профессор Женевского университета и Сколтеха, ленинградец, окончивший СПбГУ, а потом аспирантуру Калифорнийского технологического университета. Он стажировался в Принстоне, Йеле и Бонне, получил степени, звания, награды, но вернулся и трудится в Петербурге. По его словам, когда мы говорим о современной цифровой экономике, то надо понимать, что это направление требует не только программистов, но и математиков, так как бóльшая часть современных технологий основана именно на этой науке.
На базе современной математики стало возможным выйти за рамки локальных расчетов, создавая модели для объектов инфраструктуры и даже вычисляя высокоточные прогнозы на будущее. К примеру, получение информации о покупателях через смартфоны, браузеры и транзакции позволяет бизнесу просчитывать будущие потребности клиентов на месяцы вперед и готовить под них специальные акции и предложения.
Интерес со стороны бизнеса за последние несколько лет позволил отечественной математической школе развиваться независимо от возможности государства выделять мегагранты на перспективные исследования.
Одаренные студенты лаборатории, которых «Газпром нефть» поддерживает грантовыми проектами в рамках программы «Родные города», последние несколько лет удерживают лидерство на ведущих международных соревнованиях. За последний год в копилке молодых петербургских математиков — золотая медаль в 41-м студенческом чемпионате мира по программированию, второе место на международной олимпиаде International Mathematics Competition, а также первые места на чемпионате по программированию VK Сup (среди 2736 команд из 52 стран мира).
И это позволяет набирать лучших студентов: за последние три года на образовательную программу «Математика» исследовательской лаборатории имени Чебышева СПбГУ удалось набрать больше призеров всероссийских олимпиад, чем на любую другую математическую программу в России, включая мехмат МГУ и матфак ВШЭ. В прошлом году на нее поступили сразу четыре победителя Международной математической олимпиады — это уникальный факт среди университетов мира.
Именные стипендии студентам и достойные зарплаты преподавателям и аспирантам позволяют ученым заниматься наукой с удовольствием, не тратя силы на подработки и репетиторство по вечерам. Грантовая поддержка от бизнеса помогла тому, что появилась возможность приглашать в Петербург самых ярких ученых, участвовать в зарубежных конгрессах, отправлять постдоков работать по обмену в других странах.
Поговорили с одним из руководителей лаборатории — Сергеем Тихомировым. Сергей Борисович — сам выпускник 239-й школы и матмеха, после него поработал в ведущих институтах мира от Лейпцига и Берлина до Тайпея и Рио-де-Жанейро, а теперь ведет занятия в лаборатории, и студенты слушают его открыв рот (смотрите фото).
Вряд ли кто-то поспорит с тем, что будущее — за цифровизацией всех сфер жизни, от производства до искусства. Математика в этом процессе играет едва ли не ведущую роль и неотделима от программирования и машинного обучения.
Сегодня, чтобы добывать полезные ископаемые, требуются не только буровики и геологи, но еще и айтишники с математиками. Прежде чем добраться до нефти в недрах, им приходится решать множество уравнений с большим количеством неизвестных на основе огромного массива данных.
Рассмотреть геологическое строение пласта под землей невозможно. Даже разведочные скважины позволяют «увидеть» всего в радиусе 15 см вокруг них. Остальное нужно воссоздавать при помощи анализа закономерностей в данных, от точности которого зависит успешность всего проекта. Поэтому на помощь современным нефтяникам приходят математические модели. Они создаются на основе промысловых данных, полученных из разных источников — анализа сейсмики, геологоразведки, лабораторных исследований.
Процесс напоминает головоломку судоку: есть небольшой набор известных данных, а остальное нужно достроить самостоятельно. Только в отличие от самых сложных кроссвордов в данном случае объем знаний и неизвестных имеет соотношение примерно как большая цистерна и Азовское море. Несмотря на это, у современного нефтяника есть инструменты, позволяющие собирать в огромные цифровые модели целые нефтеносные бассейны размерами с регионы. Алгоритмы на основе Big Data находят закономерности в геологических сочетаниях и достраивают недостающую информацию.
Петербургские математики также участвуют в создании алгоритмов, которые применяются и на этапе расчетов оптимального расположения скважин и инфраструктуры для освоения нефтяного месторождения. Перебор сотен различных комбинаций параметров происходит по разработанному математическому алгоритму оптимизации, который позволяет не тратить время на расчет заведомо неэффективных вариантов. Вместо месяцев сложной работы специалиста программа за неделю предлагает несколько оптимальных планов добычи углеводородов. В будущем развитие этих технологий даст возможность разрабатывать сложные месторождения, считавшиеся нерентабельными.
На прогнозирование объемов добычи энергоресурсов с применением методов машинного обучения проводят всероссийские конкурсы. В Петербурге состоялся финал второго этапа конкурса Gazprom neft Smart Oil Contest, где на основе данных со скважин требовалось построить точную модель для предсказания получения нефти с месторождений. С ее помощью участниками был определен алгоритм для расчета объемов добычи углеводородов в течение полугода после смены оборудования на скважине.
Авторы лучших проектов приглашены в состав команды Научно-Технического Центра «Газпром нефти», которая разрабатывает программу самообучающегося цифрового помощника инженера-нефтяника. Основной функцией этой системы будет обработка больших статистических данных, собираемых с месторождений, для определения оптимальных технологических и экономических решений по добыче нефти.
В борьбе за лучшие технологии крупный промышленный бизнес начинает делать ставку на науку. Конкуренция за лучшие молодые кадры возрастает. Молодые в приоритете. К примеру, 22% всех сотрудников «Газпром нефти» — моложе 30 лет. В прошлом году после прохождения практики в компанию пришли на работу 380 студентов, аспирантов и выпускников российских вузов.
Инженер-исследователь в исследовательской
лаборатории им. П.Л. Чебышева
Я из Ухты, училась в обычной школе и мне нравилась математика. Когда перешла в технический лицей, поняла, что это мне действительно близко. Решила поступать на математико-механический факультет СПбГУ. Учеба там была непривычная: много загадочных наук слов и предметов, но зато погружение в этот таинственный мир математики стало именно тем, чего я хотела. В Лабораторию им. П.Л. Чебышева я попала как участник индустриальных проектов. Это новое направление деятельности лаборатории: в результате сотрудничества с разными компаниями появились исследования, которые задействуют математику в различных сферах — например, в нефтяной и телекоммуникационной. Я решила попробовать себя в этом — меня взяли. Если посмотреть на расписание лаборатории, то можно увидеть, что тут каждый день проходит очень много семинаров по различным темам, в том числе прикладным. И неважно, какие какие у тебя интересы: что-то тебя точно заинтересует. В лаборатории есть много молодых студентов, аспирантов, постдоков, с которыми можно обсудить разные вопросы. Здесь изучается не только фундаментальная наука, но и способы ее применения в жизни. Здорово, когда в одном месте есть сразу столько направлений деятельности. Мне нравится работать в Лаборатории. Сейчас работаю в лаборатории на полную ставку и преподаю студентам нового направления – «Современное программирование». Эта образовательная программа реализуется при поддержке компании Jetbrains. Туда набирают очень сильных студентов, интересующихся программированием.
В декабре в СПбГУ состоялась ежегодная церемония награждения лауреатов стипендий и премий проекта «Математическая прогрессия». «Газпром нефть» реализует его в рамках программы социальных инвестиций «Родные города» совместно с лабораторией им. П. Л. Чебышева. Целью проекта является привлечение талантливых в математике детей из регионов к обучению в ведущем вузе страны, а также поддержка молодых ученых и их исследований в области прикладной и теоретической математики.
Лауреатов премий определила конкурсная комиссия из сотрудников лаборатории им. П. Л. Чебышева и членов-корреспондентов Российской академии наук. Счастливыми обладателями именных стипендий и грантов стали 60 студентов СПбГУ и четверо молодых ученых лаборатории имени Чебышева. А это обещает новые яркие проекты, интересные исследования, возможность и дальше развивать свой талант в области прикладной и теоретической математики.
Сейчас талантливых специалистов начинают готовить буквально со школьной скамьи. «Умножая таланты» — организованный в Петербурге ежегодный интеллектуальный турнир по нефтегазовой тематике для старшеклассников. В нем участвуют школьники из Санкт-Петербурга, Тюмени, Ноябрьска, Муравленко, Ханты-Мансийска, Томска, Москвы, Оренбурга, Омска, а также поселков Ямала — Мыса Каменного и Нового Порта. В нынешнем году для участия в турнире зарегистрировалось 2600 школьников. Это очень много! Темы — реальные кейсы из практики нефтяников, которые иногда не по силам решить взрослым специалистам, — не пугают ребят.
Как раз сейчас в разных концах страны от Ямала до Москвы проходят отборочные этапы турнира. Лучшие команды из регионов приедут в феврале 2019 года в Петербург, чтобы биться в финале, а также принять участие в тренингах, посетить ведущие вузы, узнать в Научно-Техническом Центре «Газпром нефти», как добывают нефть с использованием самых современных научных методов.
Эти одаренные школьники со временем станут студентами (с высокой вероятностью — именно студентами СПбГУ и участниками программ в лаборатории имени Чебышева), а потом и сотрудниками крупнейших российских и зарубежных корпораций. Молодым математикам придется менять бизнес и развивать высокотехнологичную экономику. Такая вот самая точная наука, с которой не поспоришь.
