系统科学与探索复杂性.ppt

第七章 系统科学与探索复杂性,第一节 传统系统科学第二节 自组织与探索复杂性,现代科学技术概论,,第一节 传统系统科学,20世纪40年代前后诞生了系统论、信息论和控制论它们既是学科，又是科学方法论 系统论关注：系统的结构、功能和行为 信息论关注：系统的信息活动及相关问题 控制论关注：系统的控制及其机制 横断科学的特点: 撇开各种事物的现象、运动形式及发展过程的具体特性，用抽象概括的方法抓住它们的某一共同侧面、共同属性及共同规律加以研究，揭示的是多种学科领域间的共同属性和相互联系现代科学技术概论,,系统论,创始人:贝塔朗菲（1901—1971）是美籍奥地利生物学家、哲学家，出生于奥地利，曾执教于维也纳大学第二次世界大战后前往加拿大任渥太华大学、艾伯塔大学教授晚年移居美国，在纽约州立大学布德罗分校任教并从事科研工作，一般认为他是系统论的创始人 1937年他在美国芝加哥大学的一次讨论会上，首次提出“一般系统论”的概念，但是直到1945年才公开发表题为“关于一般系统论”的论文1968年他出版了《一般系统论；基础、发展、应用》一书，全面总结了自己40年来对一般系统论的研究，该书被认为一般系统论的经典性著作。

系统论分为: 1、一般系统论 侧重研究一般系统的理论和方法, 运用整体性、有序性、目的性、动态性、关联性等概念 来研究各系统的一般规律 2、系统技术 着重研究系统方法的应用，包括系 统分析和系统工程等,现代科学技术概论,,系统概念和分类,系统 由相互制约的各要素构成具有特定结构和功能并与环境发生关系的整体 系统分类 1、按组成要素分为： 自然系统 人工系统 复合系统 2、按在时空中的存在状态分为： 动态系统 静态系统 稳态系统 非稳态系统 3、按与外部环境的关系分为： 开放系统 封闭系统,现代科学技术概论,,系统的结构和功能 系统的结构 系统内部各要素之间相互联系和相互作用的方式，也可以理解为系统内部要素的秩序 系统的功能 系统在与外部环境相互联系和相互作用的过程中所具有的行为、能力和功效 系统论的基本原理 1、整体性原理 2、有序性原理 3、动态性原理 4、关联性原理,现代科学技术概论,系统方法 即系统方法论它运用系 统观点，综合考察研究对 象，使处理问题达到最优化 系统工程方法——霍尔三 维结构模式：时间维（七个 阶段）、逻辑维（七个阶段） 和知识维（各类专业知识 和技能）,,,系统方法：企业战略系统,,,系统思维：企业生产系统,系统方法：城市水系统,,大型工程战略管理系统,,现代科学技术概论,,信息论,创始人 申农(C.E.Shannon) （1916-2001）。

美国科学家1948年申农的“通讯的数学理论”（The mathematical Theory of communication)，长达数 十页的论文，成了信息论正式诞生的里程碑 回顾20世纪的信息革命风暴，把信息论的创 始人称为伟大的科学家并不为过确实，他 对人类贡献远远超过了一般的诺贝尔获奖者申农的名言：“I just Wondered how things were puttogether.“,信息的基本概念,定义 研究信息的本质、特征，并用数学和物理的方法研究信息的产生、 获取、变换、计量、传输、接收等 方面规律一门学科信息——具有新内容或新知识的消息 信息基本特征 1、客观性 2、资源性 3、有序性 4、扩张性 5、知识性 6、其他,现代科学技术概论,,狭义信息论,通信系统模型: 信源——编码——信道——译码——信宿 ↑ 噪音 概率信息量的度量 信息量的大小可以用被消除的不定性的多少来表示，而事物的不定性大小可以用概率函数表示 I（Xi）= - logaP（Xi）,信息传播过程,,信息思维：借阅图书信息流程图,,彼得•帕沃夫斯基（Peter Pawlowsky, 2001） 的管理科学范畴的组织学习信息流程图,,信息思维：企业信息系统,,现代科学技术概论,,控制论,创始人： 维纳（N.Wiener，1894-1964）美国数学家，控制论的创始人。

其于1948年出版的《控制论》（CYBERNETICS)一书标志了控制论的诞生 控制论的基本思想：在人类、动物和机器之间发现共同的信息和行为机理 控制论的基本概念： 控制——根据系统内外部条件对系统进行调节，以克服系统的不稳定性，使系统保持或达到某种特定的稳定状态，或使系统按照某种规律变化的过程现代科学技术概论,,控制系统 结构：一般由施控者、传递者和受控者三部分组成 目的：能够趋达目标的行为 行为：在外界环境作用下系统作出的反应 反馈：控制系统将输入的信息作用于受控对象后所产生的结果再一次送到输入端，并对信息的再输出发生影响的过程反馈种类： 正反馈 负反馈,现代科学技术概论,,控制论方法,1、反馈方法2、功能模拟方法 3、黑箱方法,,,控制论思维：概念教学控制论图1,,控制论思维：理论教学控制论框图2,,控制论思维：习题教学控制论框图3,,控制论思维：复习教学控制论框图4,,控制论思维：经济控制论模型,,现代科学技术概论,,第二节 自组织理论与探索复杂性,20世纪70年代科学方法论出现新进展人们将控制、信息和系统结合起来，探索物质系统有序结构的形成，产生了自组织理论它讨论系统结构产生的机理、系统发展变化的规律。

包括自组织理论、耗散结构论、超循环论、协同学、突变论等 自组织——在系统实现空间、时间或功能的结构过程中，如果没有外界的特定干扰，仅是依靠系统内部的相互作用来达到，内部由无序变为有序，这种系统称之为自组织 如：鱼鳞云 贝纳德花纹,现代科学技术概论,进步,,,,,,,,,现代科学技术概论,进步,,,,,,,,,现代科学技术概论,,普利高津耗散结构理论,远离平衡态的开放系统通过不断地与外界交换物质和能量，在外界的条件变化达到一定的阈值时，能从原来的无序状态转变为在时间上、空间上的有序状态 成为耗散结构的四个条件：开放性、非平衡性、非线性和随机性,现代科学技术概论,,艾根：超循环理论 在循环系列中，每个单元既能自我复制，又能对下一个单元起催化作用 哈肯：协同学 强调的有序结构是通过系统内部大量的子系统之间协同合作形成 托姆：突变论 研究系统从一种稳定态跃迁到另一种稳定态的现象和规律现代科学技术概论,非线性科学兴起和进展一、线性与非线性线性特点： 数学角度：⑴量与量成正比关系，表达为直线⑵部分之和等 于整体，线性方程遵从叠加原理（方程的解相加仍为解）物理角度：⑴时空平滑运动 ⑵参量变化，外界成比例变化,现代科学技术概论,,二、非线性科学的兴起自然界和社会大量存在的是非线性问题和非线性作用，线性作用其实只不过是非线性作用在一定条件下的近似。

线性相互作用不产生新的性质，非线性相互作用引起新的性质，使得无序到有序现代科学技术概论,自然界和社会中的非线性作用： 如天体演化、星球运行、地震海啸、海潮起伏、化学振荡、生物繁衍、股票涨落……非线性科学： 以近代数学和计算机为主要工具，以各种非线性系统为研究对象，找出其基本规律的学科基本组成部分： 耗散结构理论、混沌理论、孤子理论、分形几何学等都是非线性科学的现代科学技术概论,混 沌一、混沌 混沌 （chaos ）：混沌不是纯粹的无序、混乱、模糊，而是具有确定性的非线性系统 自然界物质运动三种形式： 1、严格确定性的运动 2、彻底随机混乱的运动 3、就是介于这两者之间的混沌运动，被严格限制在稳定范围之内的混乱运动 在混沌运动中，初始条件有微小的改变，就可能引起后来的运动变得面目全非现代科学技术概论,二、蝴蝶效应 混沌现象的基本特点：气象学家洛伦兹研究大气流动时揭示出混沌现象的基本特点：1、具有不可预言性 2、对初始条件的极端敏感依赖性 “因小失大” 逐级放大： 钉子缺，蹄铁卸； 蹄铁卸，战马蹶； 战马蹶，骑士绝； 骑士绝，战事折； 战事折，国家灭。

蝴蝶效应：一只蝴蝶在巴西热带雨林中轻轻煽动它的翅膀，可能会引起美国得州上空的一场龙卷风现代科学技术概论,,,,三、奇异吸引子,三维空间的双重绕图，像是有两翼翅膀的一只蝴蝶轨线被限制在某个边界之内，决不会越出这个边界；轨线决不与自身相交，在两翼上转来转去地环绕 有序与无序的统一， 有限与无限的统一， 确定性与随机性的统一现代科学技术概论,分 形 分形：部分以某种形式与整体相似的形状就叫做分形分形的基本特征： 1、形态的不规则性； 2、结构的精细性 3、局部与整体的自相似性 4、维数的非整数性,现代科学技术概论,,,,,,,,进步,,,,,,,,,现代科学技术概论,。