第07章-系統(tǒng)科學與探索復雜性

第七章系統(tǒng)科學與探索復雜性第一節(jié)傳統(tǒng)系統(tǒng)科學第二節(jié)自組織與探索復雜性

現(xiàn)代科學技術概論第一節(jié)傳統(tǒng)系統(tǒng)科學

20世紀40年代前后誕生了系統(tǒng)論、信息論和控制論。它們既是學科，又是科學方法論。

系統(tǒng)論關注：系統(tǒng)的結構、功能和行為信息論關注：系統(tǒng)的信息活動及相關問題控制論關注：系統(tǒng)的控制及其機制

橫斷科學的特點:撇開各種事物的現(xiàn)象、運動形式及開展過程的具體特性，用抽象概括的方法抓住它們的某一共同側(cè)面、共同屬性及共同規(guī)律加以研究，揭示的是多種學科領域間的共同屬性和相互聯(lián)系?，F(xiàn)代科學技術概論系統(tǒng)論

創(chuàng)始人:貝塔朗菲〔1901—1971〕是美籍奧地利生物學家、哲學家，出生于奧地利，曾執(zhí)教于維也納大學。第二次世界大戰(zhàn)后前往加拿大任渥太華大學、艾伯塔大學教授。晚年移居美國，在紐約州立大學布德羅分校任教并從事科研工作，一般認為他是系統(tǒng)論的創(chuàng)始人。1937年他在美國芝加哥大學的一次討論會上，首次提出“一般系統(tǒng)論〞的概念，但是直到1945年才公開發(fā)表題為“關于一般系統(tǒng)論〞的論文。1968年他出版了《一般系統(tǒng)論；根底、開展、應用》一書，全面總結了自己40年來對一般系統(tǒng)論的研究，該書被認為一般系統(tǒng)論的經(jīng)典性著作。系統(tǒng)論分為:1、一般系統(tǒng)論側(cè)重研究一般系統(tǒng)的理論和方法,運用整體性、有序性、目的性、動態(tài)性、關聯(lián)性等概念來研究各系統(tǒng)的一般規(guī)律2、系統(tǒng)技術著重研究系統(tǒng)方法的應用，包括系統(tǒng)分析和系統(tǒng)工程等

現(xiàn)代科學技術概論系統(tǒng)概念和分類系統(tǒng)由相互制約的各要素構成具有特定結構和功能并與環(huán)境發(fā)生關系的整體。

系統(tǒng)分類1、按組成要素分為：自然系統(tǒng)人工系統(tǒng)復合系統(tǒng)

2、按在時空中的存在狀態(tài)分為：動態(tài)系統(tǒng)靜態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)

3、按與外部環(huán)境的關系分為：開放系統(tǒng)封閉系統(tǒng)現(xiàn)代科學技術概論系統(tǒng)的結構和功能系統(tǒng)的結構系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間相互聯(lián)系和相互作用的方式，也可以理解為系統(tǒng)內(nèi)部要素的秩序。系統(tǒng)的功能系統(tǒng)在與外部環(huán)境相互聯(lián)系和相互作用的過程中所具有的行為、能力和成效。系統(tǒng)論的根本原理1、整體性原理2、有序性原理3、動態(tài)性原理4、關聯(lián)性原理現(xiàn)代科學技術概論

系統(tǒng)方法

即系統(tǒng)方法論。它運用系統(tǒng)觀點，綜合考察研究對象，使處理問題到達最優(yōu)化。系統(tǒng)工程方法——霍爾三維結構模式：時間維〔七個階段〕、邏輯維〔七個階段〕和知識維〔各類專業(yè)知識和技能〕

系統(tǒng)方法：企業(yè)戰(zhàn)略系統(tǒng)系統(tǒng)思維：企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)系統(tǒng)方法：城市水系統(tǒng)大型工程戰(zhàn)略管理系統(tǒng)現(xiàn)代科學技術概論信息論

創(chuàng)始人申農(nóng)()〔1916-2001〕。美國科學家。1948年申農(nóng)的“通訊的數(shù)學理論〞〔ThemathematicalTheoryofcommunication)，長達數(shù)十頁的論文，成了信息論正式誕生的里程碑。回憶20世紀的信息革命風暴，把信息論的創(chuàng)始人稱為偉大的科學家并不為過。確實，他對人類奉獻遠遠超過了一般的諾貝爾獲獎者。

申農(nóng)的名言："IjustWonderedhowthingswereputtogether."

信息的根本概念定義研究信息的本質(zhì)、特征，并用數(shù)學和物理的方法研究信息的產(chǎn)生、獲取、變換、計量、傳輸、接收等方面規(guī)律一門學科。信息——具有新內(nèi)容或新知識的消息

信息根本特征1、客觀性2、資源性3、有序性4、擴張性5、知識性6、其他

現(xiàn)代科學技術概論狹義信息論

通信系統(tǒng)模型:

信源——編碼——信道——譯碼——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來表示，而事物的不定性大小可以用概率函數(shù)表示I〔Xi〕=-logaP〔Xi〕

信息傳播過程信息思維：借閱圖書信息流程圖彼得?帕沃夫斯基〔PeterPawlowsky,2001〕

的管理科學范疇的組織學習信息流程圖信息思維：企業(yè)信息系統(tǒng)現(xiàn)代科學技術概論控制論

創(chuàng)始人：維納〔N.Wiener，1894-1964〕美國數(shù)學家，控制論的創(chuàng)始人。其于1948年出版的《控制論》〔CYBERNETICS)一書標志了控制論的誕生?？刂普摰母舅枷耄涸谌祟?、動物和機器之間發(fā)現(xiàn)共同的信息和行為機理。

控制論的根本概念：控制——根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)外部條件對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，以克服系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，使系統(tǒng)保持或到達某種特定的穩(wěn)定狀態(tài)，或使系統(tǒng)按照某種規(guī)律變化的過程。

現(xiàn)代科學技術概論控制系統(tǒng)結構：一般由施控者、傳遞者和受控者三局部組成。目的：能夠趨達目標的行為。行為：在外界環(huán)境作用下系統(tǒng)作出的反響。反響：控制系統(tǒng)將輸入的信息作用于受控對象后所產(chǎn)生的結果再一次送到輸入端，并對信息的再輸出發(fā)生影響的過程。

反響種類：正反響負反響

現(xiàn)代科學技術概論控制論方法

1、反響方法2、功能模擬方法3、黑箱方法

控制論思維：概念教學控制論圖1控制論思維：理論教學控制論框圖2控制論思維：習題教學控制論框圖3控制論思維：復習教學控制論框圖4控制論思維：經(jīng)濟控制論模型現(xiàn)代科學技術概論第二節(jié)自組織理論與探索復雜性

20世紀70年代科學方法論出現(xiàn)新進展。人們將控制、信息和系統(tǒng)結合起來，探索物質(zhì)系統(tǒng)有序結構的形成，產(chǎn)生了自組織理論。它討論系統(tǒng)結構產(chǎn)生的機理、系統(tǒng)開展變化的規(guī)律。包括自組織理論、耗散結構論、超循環(huán)論、協(xié)同學、突變論等。

自組織——在系統(tǒng)實現(xiàn)空間、時間或功能的結構過程中，如果沒有外界的特定干擾，僅是依靠系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用來到達，內(nèi)部由無序變?yōu)橛行颍@種系統(tǒng)稱之為自組織。如：魚鱗云貝納德花紋現(xiàn)代科學技術概論進步現(xiàn)代科學技術概論進步現(xiàn)代科學技術概論普利高津耗散結構理論

遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)通過不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，在外界的條件變化到達一定的閾值時，能從原來的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵跁r間上、空間上的有序狀態(tài)。

成為耗散結構的四個條件：開放性、非平衡性、非線性和隨機性

現(xiàn)代科學技術概論艾根：超循環(huán)理論

在循環(huán)系列中，每個單元既能自我復制，又能對下一個單元起催化作用。哈肯：協(xié)同學

強調(diào)的有序結構是通過系統(tǒng)內(nèi)部大量的子系統(tǒng)之間協(xié)同合作形成。托姆：突變論

研究系統(tǒng)從一種穩(wěn)定態(tài)躍遷到另一種穩(wěn)定態(tài)的現(xiàn)象和規(guī)律?，F(xiàn)代科學技術概論非線性科學興起和進展

一、線性與非線性

線性特點：數(shù)學角度：⑴量與量成正比關系，表達為直線⑵局部之和等于整體，線性方程遵從疊加原理〔方程的解相加仍為解〕

物理角度：⑴時空平滑運動⑵參量變化，外界成比例變化

現(xiàn)代科學技術概論二、非線性科學的興起自然界和社會大量存在的是非線性問題和非線性作用，線性作用其實只不過是非線性作用在一定條件下的近似。線性相互作用不產(chǎn)生新的性質(zhì)，非線性相互作用引起新的性質(zhì)，使得無序到有序。

現(xiàn)代科學技術概論自然界和社會中的非線性作用：如天體演化、星球運行、地震海嘯、海潮起伏、化學振蕩、生物繁衍、股票漲落……

非線性科學：以近代數(shù)學和計算機為主要工具，以各種非線性系統(tǒng)為研究對象，找出其根本規(guī)律的學科。

根本組成局部：耗散結構理論、混沌理論、孤子理論、分形幾何學等都是非線性科學的?，F(xiàn)代科學技術概論

混沌一、混沌混沌〔chaos〕：混沌不是純粹的無序、混亂、模糊，而是具有確定性的非線性系統(tǒng)。

自然界物質(zhì)運動三種形式：1、嚴格確定性的運動2、徹底隨機混亂的運動3、就是介于這兩者之間的混沌運動，被嚴格限制在穩(wěn)定范圍之內(nèi)的混亂運動。

在混沌運動中，初始條件有微小的改變，就可能引起后來的運動變得面目全非。現(xiàn)代科學技術概論二、蝴蝶效應混沌現(xiàn)象的根本特點：氣象學家洛倫茲研究大氣流動時揭示出混沌現(xiàn)象的根本特點：1、具有不可預言性2、對初始條件的極端敏感依賴性“因小失大〞逐級放大：釘子缺，蹄鐵卸；蹄鐵卸，戰(zhàn)馬蹶；戰(zhàn)馬蹶，騎士絕；騎士絕，戰(zhàn)事折；戰(zhàn)事折，國家滅。蝴蝶效應：一只蝴蝶在巴西熱帶雨林中輕輕煽動它的翅膀，可能會引起美國得州上空的一場龍卷風?，F(xiàn)代科學技術概論三、奇異吸引子三維空間的雙重繞圖，像是有兩翼翅