渭南師院科學(xué)技術(shù)概論教案07系統(tǒng)科學(xué)與探索復(fù)雜性

第七章系統(tǒng)科學(xué)與探索復(fù)雜性教學(xué)目標(biāo)：掌握系統(tǒng)觀念；熟悉系統(tǒng)方法、信息方法、控制論方法；了解復(fù)雜性科學(xué)的基礎(chǔ)理論。教學(xué)重點：系統(tǒng)方法、信息方法、控制論方法。教學(xué)難點：耗散結(jié)構(gòu)論，超循環(huán)論，混沌。教學(xué)方法與手段：講授法。本章主要閱讀文獻(xiàn)資料：魏宏森、曾國屏，《系統(tǒng)論—系統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)》，北京：高等教育出版社1995年版。胡顯章、曾國屏編，《科學(xué)技術(shù)概論》，北京：高等教育出版社2002年2月第2版。第一節(jié)傳統(tǒng)系統(tǒng)科學(xué)復(fù)雜性科學(xué)：對以復(fù)雜性為內(nèi)在特征的事物進行研究的科學(xué)。復(fù)雜性科學(xué)又分：系統(tǒng)科學(xué)和非線性科學(xué)。一、系統(tǒng)論（一）系統(tǒng)類別系統(tǒng)是由若干組份結(jié)成的具有特定功能的整體。按照系統(tǒng)的構(gòu)成性質(zhì)、存在狀態(tài)、與外界環(huán)境關(guān)系、具體對象、內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以對系統(tǒng)進行不同的劃分。（二）系統(tǒng)觀念可以分為整體性觀念、相關(guān)性觀念、有序性觀念、動態(tài)性觀念。（三）系統(tǒng)方法系統(tǒng)方法指用系統(tǒng)思想，按照系統(tǒng)的特征和規(guī)律性認(rèn)識客觀事物，解決和處理問題的一整套方法體系。具體來說，就是把研究和處理的任何對象都當(dāng)作“系統(tǒng)”看待，從整體上考慮問題，綜合應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和數(shù)學(xué)工具，精確地、定量地考察要素之間、系統(tǒng)與要素之間、系統(tǒng)與環(huán)境之間的關(guān)系，利用各種因素之間的聯(lián)系，提高整體水平、獲得最優(yōu)效果的方法。系統(tǒng)方法的種類：過程與體系方法、整體與部分方法、功能與結(jié)構(gòu)方法、狀態(tài)與環(huán)境方法。二、信息論（一）信息與通訊模型信息指的是事物所發(fā)出的一切消息中包含的能夠表征事物的內(nèi)容。它具有知識的秉性、是一種資源、可以無限開采、多人共享；可傳輸、可儲存、可提取、可加工等。通訊系統(tǒng)的基本模型（二）信息度量信息量就是不確定性減少或消除的數(shù)量。信息量是概率的單調(diào)減函數(shù)。事件出現(xiàn)的可能性（概率）減小，信息量（相當(dāng)于做功量）就越大，事件出現(xiàn)的可能性越大，信息量就越小?？梢?，信息量是概率的單調(diào)減函數(shù)。（三）信息方法五個步驟：抽象信息過程、對信息進行定性定量分析、建立信息模型、功能模擬、檢驗?zāi)Ｐ?。三、控制論（一）控制原理控制系統(tǒng)包括施控部分和被控部分。被控部分也叫被控對象，簡稱對象；施控部分也叫控制器，又稱調(diào)節(jié)器。（二）控制的形式分為：隨機控制、記憶控制、共軛控制、負(fù)反饋控制、程序控制。負(fù)反饋就是反饋傾向于反抗系統(tǒng)偏離目標(biāo)的運動，最終使系統(tǒng)沿著減少目標(biāo)差的方向運動，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，實現(xiàn)動態(tài)平衡的過程。（三）控制論方法1、功能模擬方法:模擬方法：模擬方法是一種傳統(tǒng)的科學(xué)方法，它根據(jù)模型和原型之間的相似關(guān)系，用模型來模擬對象，通過模擬來間接地研究原型的規(guī)律性。功能模擬方法：以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用“模擬”模仿“原型”的功能和行為，通過模型間接地研究對象規(guī)律性的控制方法。2、黑箱方法：通過考察系統(tǒng)的輸入和輸出及其動態(tài)過程，而不直接考察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)來定性或定量地認(rèn)識系統(tǒng)的功能、特性、行為方式，以及探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機理的一種方法。第二節(jié)自組織與探索復(fù)雜性一、耗散結(jié)構(gòu)理論線性是指量與量之間的正比關(guān)系；在直角坐標(biāo)系里，這是用一根直線表征的關(guān)系。近代自然科學(xué)正是從研究線性系統(tǒng)這種簡單對象開始的。由于人的認(rèn)識的發(fā)展總是從簡單事物開始的，所以在科學(xué)發(fā)展的早期，首先從線性關(guān)系來認(rèn)識自然事物，較多地研究了事物間的線性相互作用，這是很自然的。因而在經(jīng)典物理學(xué)中，首先考察的是沒有摩擦的理想擺，沒有粘滯性的理想流體，溫度梯度很小的熱流等；數(shù)學(xué)家們首先研究的是線性函數(shù)、線性方程等。理論家們在對大自然中的許多現(xiàn)象進行探索時，總是力求在忽略非線性因素的前提下建立起線性模型，至少是力求對非線性模型做線性化處理，用線性模型近似或局部地代替非線性原型，或者借助于對線性過程的微小擾動來討論非線性效應(yīng)。經(jīng)過長期的發(fā)展，在經(jīng)典科學(xué)中就鑄造出一套處理線性問題的行之有效的方法，例如傅立葉變換、拉普拉斯變換、傳遞函數(shù)、回歸技術(shù)等；就是設(shè)計物理實驗，也主要是做那些可以做線性分析的實驗。從這個特點看來，經(jīng)典科學(xué)實質(zhì)上是線性科學(xué)。線性科學(xué)在理論研究和實際應(yīng)用上都有十分光輝的進展，在自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域，對線性系統(tǒng)的研究都取得了很大的成績。線性科學(xué)的長期發(fā)展，也形成了一種扭曲的認(rèn)識或“科學(xué)思想”，認(rèn)為線性系統(tǒng)才是客觀世界中的常規(guī)現(xiàn)象和本質(zhì)特征，才有普遍規(guī)律，才能建立一般原理和普適方法；而非線性系統(tǒng)只是例外的病態(tài)現(xiàn)象和非本質(zhì)特征，沒有普遍的規(guī)律，只能作為對線性系統(tǒng)的擾動或采取特殊的方法做個別處理。由此得出結(jié)論說，線性系統(tǒng)才是科學(xué)探索的基本對象，線性問題才存在理論體系；所以經(jīng)典科學(xué)的長期發(fā)展，都是封閉在線性現(xiàn)象的圈子里進行的。線性與非線性物理現(xiàn)象有著質(zhì)的差異和不同的特征。從結(jié)構(gòu)上看，線性系統(tǒng)的基本特征是可疊加性或可還原性，部分之和等于整體，幾個因素對系統(tǒng)聯(lián)合作用的總效應(yīng)，等于各個因素單獨作用效應(yīng)的加和；因而描述線性系統(tǒng)的方程遵從疊加原理，即方程的不同解加起來仍然是方程的解；分割、求和、取極限等數(shù)學(xué)操作，都是處理線性問題的有效方法；非線性則指整體不等于部分之和，疊加原理失效。從運動形式上看，線性現(xiàn)象一般表現(xiàn)為時空中的平滑運動，可以用性能良好的函數(shù)表示，是連續(xù)的，可微的。而非線性現(xiàn)象則表現(xiàn)為從規(guī)則運動向不規(guī)則運動的轉(zhuǎn)化和躍變，帶有明顯的間斷性、突變性。從系統(tǒng)對擾動和參量變化的響應(yīng)來看，線性系統(tǒng)的響應(yīng)是平緩光滑的，成比例變化；而非線性系統(tǒng)在一些關(guān)節(jié)點上，參量的微小變化往往導(dǎo)致運動形式質(zhì)的變化，出現(xiàn)與外界激勵有本質(zhì)區(qū)別的行為，發(fā)生空間規(guī)整性有序結(jié)構(gòu)的形成和維持。正是非線性作用，才形成了物質(zhì)世界的無限多樣性、豐富性、曲折性、奇異性、復(fù)雜性、多變性和演化性。在科學(xué)還處在主要以簡單關(guān)系為研究對象的階段，線性方法曾經(jīng)是十分有效的。線性關(guān)系容易思考，容易解決，可以把它一塊塊地分割開進行考察，然后再一塊塊地拼合起來。所以線性關(guān)系讓人喜愛。而非線性問題、非線性方程往往是桀驁不馴、個性很強的，很難找到普遍的解決方法，只能對具體問題做具體分析，針對個別問題的特點采取特殊的處理方法。所以歷史上雖然有過一些解非線性方程的巧妙方法，但與大量存在的非線性問題相比，只算是鳳毛麟角；甚至人們一遇到非線性系統(tǒng)或發(fā)現(xiàn)方程中的非線性項時，就想盡辦法回避，或加以舍棄，使之“線性化”。非線性系統(tǒng)長期以來被冷落在科研領(lǐng)域的視野以外。當(dāng)遇到非線性系統(tǒng)時，科學(xué)家們就代之以線性近似。甚至在教科書中，也充滿了線性分析成功的內(nèi)容，“非線性”一詞大都只在書末一帶而過地提一下。除了幾個可解的非線性范例之外，那里講的不過是如何把一些非線性方程約化成線性方程。這種訓(xùn)練的結(jié)果，把人們的思想禁錮在線性的陷阱里，致使到了20世紀(jì)40年代和50年代，許多科學(xué)家和工程師除此之外竟一無所知。一位著名的工程師甚至說過：“上帝不會不仁得使自然界的方程成為非線性的”。生態(tài)學(xué)和混沌學(xué)家羅伯特·梅（Robert，May）認(rèn)為，目前全世界標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)教育，向人們灌輸?shù)氖顷P(guān)于世界圖景的偏見和歪曲的印象。不管線性的數(shù)學(xué)獲得了多大的成功，都只能給學(xué)生一個關(guān)于實際大自然的普遍存在的非線性事實的失真形象。“如果像這樣發(fā)展起來的數(shù)學(xué)直覺，會使學(xué)生即使看到離散非線性系統(tǒng)里最簡單的古怪行為也會手足失措”。所以他向一切有文化的人呼吁，不僅在研究工作中，而且在日常生活中，包括政治、經(jīng)濟生活中，“如果更多的人了解到這最簡單的非線性系統(tǒng)也未必有簡單的動力性質(zhì)，會大有裨益。”如果能早日向中學(xué)生們講一些非線性知識，那將使一切變得更好。艾什比在1947就提出了自組織（self－organizing）概念，他在對自組織研究的過程中和合作者共同提出了艾什比自組織原理。其中蘊涵著系統(tǒng)演化的思想，并認(rèn)為系統(tǒng)演化的動力來自于內(nèi)部。不過他們的研究并沒有得到大多數(shù)人的響應(yīng)，在1970年代前有關(guān)自組織的論文寥若晨星。1960年代末期以來，隨著一系列的自組織理論的提出，自組織研究不斷升溫，80年代掀起研究高潮。以普里戈金的耗散結(jié)構(gòu)理論和哈肯的協(xié)同學(xué)為代表，系統(tǒng)自組織理論有了新的發(fā)展。耗散結(jié)構(gòu)理論：1969年，在一次“理論物理與生物學(xué)”國際會議上，比利時布魯塞爾學(xué)派的領(lǐng)導(dǎo)人普利高津教授針對非平衡熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)的發(fā)展提出了一種新理論———耗散結(jié)構(gòu)理論。它是普利高津在研究時間之箭的結(jié)果。按照耗散結(jié)構(gòu)理論，一個遠(yuǎn)離平衡的開放系統(tǒng)，無論是力學(xué)的、物理的、化學(xué)的、生物學(xué)的，還是社會的、經(jīng)濟的系統(tǒng)，如果某系統(tǒng)不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，在外界條件變化過渡到一定程度，系統(tǒng)內(nèi)部某個參量變化過渡到一個臨界值時，經(jīng)過漲落系統(tǒng)可能發(fā)生突變，即非平衡相變。那么，該系統(tǒng)將會由原來的混亂無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。耗散結(jié)構(gòu)是消耗能量，吸收物質(zhì)信息產(chǎn)生有序結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系統(tǒng)。具體的說，系統(tǒng)充分開放是產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的基本前提，孤立系統(tǒng)只能出現(xiàn)熵增，最終導(dǎo)致有序結(jié)構(gòu)的破壞。只有開放系統(tǒng)，才能從外界輸入負(fù)熵流來抵消系統(tǒng)本身的熵增，才能使系統(tǒng)從無序走向有序或使系統(tǒng)保持有序狀態(tài)。耗散結(jié)構(gòu)產(chǎn)生條件是：1、系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)。只有這樣原有定態(tài)的穩(wěn)定性及其對漲落的獨立性才失去保證，才可能形成新的有序結(jié)構(gòu)。2、系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)當(dāng)存在非線性相互作用。非線性具有相干和耦合的特點。是產(chǎn)生系統(tǒng)新的性質(zhì)和功能的前提。3、漲落導(dǎo)致有序。在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時，系統(tǒng)中一個微觀隨機小擾動就會通過相干放大形成“巨漲落”，推動系統(tǒng)從一個不穩(wěn)定態(tài)躍遷到一個新的穩(wěn)定態(tài)。二、其它自組織理論（一）協(xié)同學(xué)協(xié)同學(xué)是西德物理學(xué)家H.哈肯通過激光的研究創(chuàng)立的。哈肯于1971年發(fā)表文章闡述了協(xié)同學(xué)的基本思想和概念。1977年出版《協(xié)同學(xué)導(dǎo)論》一書成了協(xié)同學(xué)誕生的標(biāo)志。哈肯將影響系統(tǒng)行為的眾多變量分為兩類：一類是在臨界點附近阻尼大、衰減快的快馳豫參量，或稱快變量；一類是在臨界點附近阻尼趨于0的慢馳豫參量，或稱慢變量。協(xié)同學(xué)的支配原理：在系統(tǒng)達(dá)到臨界點時，快變量受慢變量的支配，慢變量決定和控制著快變量，從而導(dǎo)致新的結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。哈肯提出了序參量的概念。序參量是表征系統(tǒng)宏觀有序度或宏觀模式的參量。從本質(zhì)上講，序參量與慢參量是等價的。協(xié)同學(xué)認(rèn)為，自組織的形成是通過子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用實現(xiàn)的。這種協(xié)同作用包括兩種，一是序參量與其它參量之間的合作關(guān)系和聯(lián)合作用；一是序參量之間的合作關(guān)系和聯(lián)合作用。（二)混沌學(xué)定義：混沌指確定性的非線性動力學(xué)系統(tǒng)本身產(chǎn)生的不規(guī)則的宏觀時空行為?；煦绲幕咎卣鳎?、內(nèi)在的隨機性；2、初值敏感性；3、非規(guī)則的有序。混沌研究上的一個重大突破，是在天氣預(yù)報問題的探索中取得的。1961年美國氣象學(xué)家、麻省理工學(xué)院的洛侖茲（Lorenz，Edward）非常形象地比喻說：巴西亞馬孫河叢林里一只蝴蝶扇動了幾下翅膀，三個月后在美國的得克薩斯州引起了一場龍卷風(fēng)。人們把洛侖茲的比喻戲稱為“蝴蝶效應(yīng)”。這個看法當(dāng)時并不為氣象學(xué)家們所接受，他們認(rèn)為“預(yù)報不會成為問題”，“現(xiàn)在是要搞氣象控制”。洛侖茲卻不這樣看，他認(rèn)為，人工改變氣候當(dāng)然是可能的；但是當(dāng)你這樣做時，你就無法預(yù)測它會產(chǎn)生什么后果。(三)分形學(xué)定義：分形是一種分?jǐn)?shù)維的具有自相似特性的現(xiàn)象、圖象或者物理過程。也就是說，在分形中，每一