系統(tǒng)科學(xué)概論大綱

1、系統(tǒng)科學(xué)概論大綱1. 課程設(shè)計(jì)思想課程目標(biāo)：這門課程是我院研究生在系統(tǒng)科學(xué)方面的入門課程。學(xué)生需要通過(guò)這個(gè)課程來(lái)了解什么是系統(tǒng)科學(xué)（系統(tǒng)科學(xué)的思想），了解一些研究方法和研究工作的實(shí)例，為后續(xù)專門課程以及研究工作做準(zhǔn)備。以下是我按照這個(gè)目的和定位所設(shè)計(jì)的三個(gè)模塊：什么是科學(xué)，系統(tǒng)科學(xué)的思想，還有系統(tǒng)科學(xué)的方法 。大多數(shù)時(shí)候，一個(gè)創(chuàng)新的工作是新在：?jiǎn)栴}上、方法上、結(jié)果上，或者對(duì)象上。從思想和視角的層次提出新的問(wèn)題是最大的創(chuàng)新。有的時(shí)候新的方法的提出也是因?yàn)樗枷牒鸵暯堑脑?。因此，了解系統(tǒng)科學(xué)的研究思想，把它變成自己的東西，自己看問(wèn)題的角度是學(xué)習(xí)本課程最重要的目標(biāo)。這樣才能做出來(lái)這個(gè)方面的真正新的研

2、究工作，或者能夠很好地欣賞這樣的研究工作。當(dāng)然，在我們這個(gè)領(lǐng)域里面，我們做或者欣賞的研究工作，首先必須是科學(xué)。因此，我們也需要了解什么是科學(xué)，什么是科學(xué)研究。最后，除了思想和視角方面的修煉，我們也需要了解一些方法和技術(shù)?？茖W(xué)是原則上可證偽的，實(shí)際上在其適用范圍內(nèi)還沒(méi)有被證偽的，可以用于理解現(xiàn)實(shí)世界的心智模型。在什么是科學(xué)和什么是科學(xué)研究的問(wèn)題上，我們會(huì)關(guān)注科學(xué)的可證偽性、科學(xué)的實(shí)用主義哲學(xué)、科學(xué)與數(shù)學(xué)和數(shù)學(xué)模型的關(guān)系等幾個(gè)主題。系統(tǒng)科學(xué)是關(guān)于系統(tǒng)的科學(xué)也就是說(shuō)，我們沒(méi)有具體的特定的研究對(duì)象，任何可以看作包含相互作用的單元的整體，都可以成為我們的研究對(duì)象。但是，任何系統(tǒng)科學(xué)的研究有需要具體系統(tǒng)，

3、而不是研究抽象的一般的系統(tǒng)。具體一點(diǎn)來(lái)說(shuō)， 系統(tǒng)科學(xué)的思想 典型地包含以下幾個(gè)方面：從個(gè)體到整體的視角系統(tǒng)層次的規(guī)律可能與個(gè)體層次的規(guī)律不一樣；有些問(wèn)題只能在整體的層面來(lái)問(wèn)，而不能在個(gè)體的層面來(lái)研究；但是，同時(shí)我們要看到?jīng)]有個(gè)體的層面的研究，整體的研究最多是維象的或者是空中樓閣；涌現(xiàn)性不同的微觀相互作用可能導(dǎo)致類似的整體性質(zhì)；簡(jiǎn)單的微觀機(jī)制可以出現(xiàn)豐富多樣的復(fù)雜的整體行為，豐富多樣的復(fù)雜的行為也可能存在簡(jiǎn)單的整體特征；復(fù)雜性很多時(shí)候就算微觀層次的規(guī)律是清楚的，從中計(jì)算得到整體層次的性質(zhì)也不是一個(gè)平庸的問(wèn)題；相互作用存在相互作用的個(gè)體的整體性值不是每一個(gè)個(gè)體行為的簡(jiǎn)單疊加；交叉性用一個(gè)學(xué)科的方法

4、和思想來(lái)研究和解決其他學(xué)科的問(wèn)題；系統(tǒng)的劃分封閉系統(tǒng)、開(kāi)放系統(tǒng)等系統(tǒng)的區(qū)別，以及演化的視角。以上關(guān)于系統(tǒng)科學(xué)的思想和關(guān)心的核心科學(xué)問(wèn)題可以發(fā)現(xiàn)，微觀個(gè)體通過(guò)相互作用形成整體性質(zhì) 這一關(guān)鍵問(wèn)題上。系統(tǒng)科學(xué)的方法 集中在處理 系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)為我們研究微觀到宏觀的關(guān)聯(lián)提供了一個(gè)基本的線路：尋找各微觀態(tài)出現(xiàn)的概率，然后做系綜平均得到宏觀狀態(tài)。這一線路對(duì)系統(tǒng)的平衡態(tài)得到了非常好的結(jié)果，并被應(yīng)用在許多領(lǐng)域的系統(tǒng)分析中。其中，由于相變與臨界現(xiàn)象是系統(tǒng)個(gè)體之間的相互作用產(chǎn)生宏觀合作效應(yīng)的典型表現(xiàn)，以及自組織臨界對(duì)許多實(shí)際系統(tǒng)的普適描述，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)特別是其關(guān)于臨界現(xiàn)象的研究為系統(tǒng)科學(xué)研究提供了重要方法。但現(xiàn)實(shí)世

5、界中許多系統(tǒng)都是遠(yuǎn)離平衡的開(kāi)放系統(tǒng)，很難應(yīng)用平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方法建立微觀與宏觀之間的聯(lián)系，這樣以下兩種方法就成為研究系統(tǒng)性質(zhì)的常用方法。自頂向下的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法。直接從宏觀變量以及宏觀變量之間的關(guān)系入手，建立決定系統(tǒng)狀態(tài)演化的宏觀動(dòng)力學(xué)方程，并討論環(huán)境等因素對(duì)系統(tǒng)演化趨向的影響，通過(guò)分支理論等討論系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的突變。自底向上的多主體模擬方法。從個(gè)體的行為以及個(gè)體之間的相互作用關(guān)系入手，從基于主體的模型與模擬入手，考察系統(tǒng)微觀行為與宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系。已有關(guān)于各領(lǐng)域系統(tǒng)性質(zhì)的研究表明，個(gè)體之間的相互作用結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的宏觀整體行為有重要影響，所以，了解系統(tǒng)的相互作用結(jié)構(gòu)性質(zhì)就成為探討系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的重

6、要基礎(chǔ)。而網(wǎng)絡(luò)概念是刻畫(huà)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性質(zhì)的基本工具，所以，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)也就成為系統(tǒng)科學(xué)的重要研究工具。從科學(xué)性的角度來(lái)說(shuō)，物理學(xué)關(guān)于物理世界的心智（數(shù)學(xué)）模型是迄今為止，所有自然科學(xué)的典范，從思想上、概念上、分析技術(shù)上、應(yīng)用范圍上，都還沒(méi)有其它學(xué)科可以企及。因此，交叉科學(xué)的研究必須從物理學(xué)中獲得以上幾個(gè)方面的營(yíng)養(yǎng)。同時(shí)，數(shù)學(xué)，作為心智模型的最終結(jié)構(gòu)，是所有的自然科學(xué)的語(yǔ)言和結(jié)構(gòu)。因此，系統(tǒng)科學(xué)為更一般的實(shí)際系統(tǒng)尋找心智（數(shù)學(xué)）模型的學(xué)問(wèn)，也必須從數(shù)學(xué)中大量吸取營(yíng)養(yǎng)。按照這個(gè)思想，本課程的主要內(nèi)容設(shè)計(jì)如下。另外，從教學(xué)方法上來(lái)講，本課程教學(xué)中強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)：廣泛的閱讀、自學(xué)能力、學(xué)習(xí)方法上的培養(yǎng)、學(xué)科上的

7、方向感和品味。大量的閱讀材料和研究實(shí)例，以及學(xué)生在課后對(duì)閱讀材料和研究實(shí)例的整理制作反映學(xué)生理解和思考的概念地圖，是本課程的特點(diǎn)。這門課程的缺點(diǎn)是：對(duì)學(xué)生的理解力要求比較高，對(duì)學(xué)生的時(shí)間投入要求比較高，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)也有要求對(duì)學(xué)術(shù)感興趣的學(xué)生可以從中學(xué)到更多東西。更一般地來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)是為了創(chuàng)造知識(shí)、創(chuàng)造性地使用知識(shí)、提高進(jìn)一步學(xué)習(xí)的效率。學(xué)習(xí)具體的已經(jīng)知道的知識(shí)，如果不能為這三個(gè)目的服務(wù)，是完全沒(méi)有必要的。為了實(shí)現(xiàn)這三點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有知識(shí)的整理和理解，就比直接運(yùn)用現(xiàn)有知識(shí)要重要的很多。對(duì)于提高學(xué)習(xí)效率來(lái)說(shuō)，掌握學(xué)習(xí)方法和形成對(duì)一個(gè)學(xué)科的概貌和品味，就非常重要。本課程強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)方法（概念地圖和理解型學(xué)習(xí)

8、）、對(duì)知識(shí)的理解、整理和選擇，而不是關(guān)注知識(shí)的完整性，是一個(gè)很大的創(chuàng)新。2. 章節(jié)具體內(nèi)容第零章 課程目標(biāo)和學(xué)習(xí)方法（1 學(xué)時(shí)）0.1 課程基本目標(biāo)0.2 理解型學(xué)習(xí)方法和概念地圖第一章 關(guān)于科學(xué)的討論（ 4 學(xué)時(shí)）1.1 科學(xué)、數(shù)學(xué)與現(xiàn)實(shí)數(shù)學(xué)作為語(yǔ)言思考的語(yǔ)言，集合、映射的語(yǔ)言的重要性舉例：“蘋果的加法運(yùn)算”到底是定義在哪一個(gè)集合上的運(yùn)算：蘋果的集合、蘋果數(shù)量的集合、還是冪集數(shù)學(xué)作為結(jié)構(gòu)從事物中抽象出關(guān)系，把關(guān)系整理成為數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，找到一個(gè)事物自身最切合的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)舉例：位置坐標(biāo)存在加法運(yùn)算嗎，還是位移矢量？矢量加法的一般性和舉例舉例：交換律不滿足的操作（翻轉(zhuǎn)三角形），矩陣數(shù)學(xué)建模事物的狀態(tài)，事

9、物的狀態(tài)的變化操作，最合適的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)舉例：位移的矢量模型，運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)點(diǎn)模型舉例：最優(yōu)編碼與信息熵:概念是從現(xiàn)實(shí)世界里抽象出來(lái)的科學(xué)的實(shí)用主義1.2 科學(xué)方法與科學(xué)研究歸納與演繹的邏輯，科學(xué)的可證偽性歸納的作用和局限，天下烏鴉一般黑，可證偽性批判性思維舉例：平面幾何（論證中每一個(gè)步驟都需要理由，都可能不成立）、伽利略關(guān)于“重物落的快”的論證（不是結(jié)論對(duì)就是對(duì)的，或者論據(jù)對(duì)就是對(duì)的，不是大人物說(shuō)的就是對(duì)的，通過(guò)替換對(duì)象來(lái)考察隱藏的邏輯假設(shè)以及凸顯事物的本質(zhì)特征）觀察、實(shí)驗(yàn)和理想實(shí)驗(yàn)舉例：天體運(yùn)動(dòng)的觀察和理論的發(fā)展、伽利略滑塊、愛(ài)因斯坦的電梯、薛定諤的貓心智模型和理論舉例：天體運(yùn)動(dòng)的模型（地心說(shuō)、

10、日心說(shuō)，本質(zhì)區(qū)別是否可以問(wèn)為什么這樣運(yùn)動(dòng)，是否符合所有的觀察，是否簡(jiǎn)單）、量子態(tài)的數(shù)學(xué)模型閱讀材料：The Art of Scientific InvestigationCommittee on Science, Engineering, and Public PolicyGuide to Responsible Conduct in Research， On Being a Scientist: AKarl PopperThe Logic of Scientific DiscoveryAAAS,The Liberal Art of Science: Agenda for ActionChap

11、ter 2: The ReportTimothy Gowers， Mathematics: A Very Short IntroductionAlbert Einstein and Leopold Infeld， The Evolution of PhysicsRichard Feynman, The Character of Physical LawRichard Feynman， The Feynman's Lectures on Physics, III吳金閃 二能級(jí)體系上的量子力學(xué)吳金閃系統(tǒng)科學(xué)導(dǎo)引第二章 從科學(xué)到系統(tǒng)科學(xué)：系統(tǒng)科學(xué)的思想、目標(biāo)和定位（3 學(xué)時(shí)）2.1 概論和瀏

12、覽沒(méi)有具體對(duì)象的限制的科學(xué)，關(guān)注多個(gè)個(gè)體的相互作用導(dǎo)致的系統(tǒng)行為，快速展示一些下面要講的例子2.2 More is different涌現(xiàn)性，整體性視角，舉例：漢字學(xué)習(xí)研究實(shí)例：“生命游戲”元胞自動(dòng)機(jī)、蟻群、阿米巴蟲(chóng)、股票市場(chǎng)2.3 More is the same一般理論的追求舉例：中心極限定理、廣義中心極限定理、臨界現(xiàn)象、冪律分布2.4 幾個(gè)重要思想系統(tǒng)必須的界定和層次性舉例：物理學(xué)的受力分析（按照研究目的來(lái)劃分系統(tǒng)）層次性，由于復(fù)雜性，我們不可能通過(guò)研究化學(xué)，來(lái)研究人類的行為。舉例：求例子力學(xué)思想無(wú)處不在狀態(tài)、狀態(tài)變化以及狀態(tài)變化的原因，演化，內(nèi)生變量和外生變量，自治和非自治系統(tǒng)舉例：一

13、個(gè)小球和一個(gè)大球的運(yùn)動(dòng)，從位形空間到相空間，整個(gè)世界作為自治系統(tǒng)和系統(tǒng)的邊界的矛盾需要更多的例子科學(xué)理論的普適性一個(gè)原理或者模型盡可能多地描述現(xiàn)象舉例：天體運(yùn)動(dòng)、異速生長(zhǎng)律、分形、1/f 噪聲等2.5 類物理學(xué)的系統(tǒng)和復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)能動(dòng)性，體系元素內(nèi)部狀態(tài)類物理學(xué)系統(tǒng)：社會(huì)力模型，人群疏散？復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)：生態(tài)系統(tǒng)、股市2.6 類比思維與涌現(xiàn)計(jì)算復(fù)雜性研究需要運(yùn)用類比思維方法，但又不能僅僅限于類比，而是把類比背后的原理找到，從而將一個(gè)學(xué)科的概念運(yùn)用到其他學(xué)科中去。舉例：螞蟻覓食與蟻群算法、生物進(jìn)化與遺傳算法、其它的涌現(xiàn)計(jì)算的例子。2.7 一點(diǎn)點(diǎn)歷史：非平衡與結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生熱寂說(shuō)、傳統(tǒng)物理系統(tǒng)的相變

14、與開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生舉例：鐵磁相變，生命的產(chǎn)生的問(wèn)題，RayleighBénard 流，時(shí)間之箭與進(jìn)化閱讀材料：John Holland,Complexity: A Very Short IntroductionP. W. Anderson， More Is DifferentAlbert Einstein and Leopold Infeld， The Evolution of PhysicsRichard Feynman， The Feynman's Lectures on Physics, IH. Haken ，協(xié)同學(xué)DILIP KONDEPUDI and ILYA P

15、RIGOGINE ， Modern Thermodynamics: From Heat Engines to Dissipative Structures 吳金閃系統(tǒng)科學(xué)導(dǎo)引第三章 一些具有系統(tǒng)科學(xué)特色的研究實(shí)例（8 課時(shí)）3.1 整體運(yùn)動(dòng)的激發(fā)模式，涌現(xiàn)無(wú)相互作用系統(tǒng)中的粒子，相互作用系統(tǒng)中的準(zhǔn)例子舉例：繩子上的波，準(zhǔn)粒子，元胞自動(dòng)機(jī)（ Life 中的滑翔機(jī)）3.2 相變與臨界性，涌現(xiàn)模型臨界點(diǎn)、臨界慢化、相變1. 舉例： Ising 模型自組織臨界，涌現(xiàn)舉例： Bak-Tang-Wiesenfeld沙堆，地震3.3 動(dòng)力學(xué)，周期分叉與混沌，相互作用與非線性舉例：種群生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)捕食動(dòng)力學(xué)，流量存量一致模型3.4 網(wǎng)絡(luò)科學(xué)，相