复杂系统理论方法研究进展.ppt

1 系统科学的基本理论方法和应用思考严广乐上海理工大学管理学院021 65681349glyan2003 2 报告大纲一 揭开系统科学的神秘面纱 概念篇 二 系统科学的研究 发展与应用思考 内涵 进展及思考篇 3 一 揭开系统科学的神秘面纱 概念篇 1 在什么情况下1 1 2 系统与系统思想什么是系统 由相互区别 相互作用的各个部分有机地联系在一起 为同一目的而完成某种功能的集合体 归纳为 多元性 相关性 整体性 目的性系统思想的核心 1 事物的普遍联系观点 2 事物的永恒发展观点 4 系统的基本概念 1 系统S S 系统 A 要素集合 R 关系集合 2 结构 功能 行为 3 开放 封闭 4 状态 过程 演化 系统 边界 环境 Si 5 5 大系统 小系统 6 简单系统 复杂系统 7 层次性 涌现性 8 系统整体与部分之间的关系 整体 部分和 6 2 系统复杂性与决策陷阱关于复杂性 1 要素众多 2 关联非线性 3 人的因素 4 随机因素 5 不确定因素 6 动态变化 7 多层次与涌现特性 7 3 复杂性 林妹妹 哲学家们的高谈阔论复杂性产生的后天论与先天论之争还原论观点 复杂性是后天产生的 应对方法 分解还原 线性逼近 小信号扰动 系统论观点 复杂性是事物的固有特性 世界的本原就是复杂的 应对方法 直面非线性 向复杂性 挑战 8 4 系统科学揭密 系统科学的定义及其体系结构定义 系统科学是一门由一组相辅相成 内涵相通的 以系统研究为中心的学科群 包括 一般系统论 控制论 信息论 耗散结构论 协同论 突变论 分形理论 混沌理论 超循环理论等 组成的新兴科学 9 其中新兴 1 时间上的概念 2 思维方式的变革特点 综合性 横断性 新兴性特征 1 理论 方法的整体性 多种理论方法相结合或交替使用 2 研究领域的交叉性 多学科交叉 边缘学科问题 3 研究问题的复杂性 定性定量相结合 10 系统科学研究的核心问题 大规模复杂系统的演化 系统演化的量个方向 起源与归宿老子语 道生一 一生二 二生三 三生万物 万物负阴以抱阳 11 5 系统科学的体系结构和学科地位 马克思主义哲学 系统科学 运筹学 控制论 信息论 系统工程 自动化技术 通信技术 哲学基础科学技术科学工程技术 系统学 12 二 系统科学的研究与发展 内涵与发展篇 1 大雁为什么以人字队形飞翔 组织与自组织组织 系统在特定的外部干预下获得其空间的 时间的或功能的结构 自组织 系统在获得其空间的 时间的或功能的结构过程中没有外界的特定干预 自组织的几种形式 自创生 自复制 自生长 自适应 13 2 组织能度量吗 探究序和熵序 按次第区分 排列 或对称破缺 有序性方向 14 熵 用于度量系统中各个子系统对系统总体性质贡献的大小 H k PilogPiI 1 2 n最大熵 Hmax klogn 当Pi 1 n 相对熵 H Hmax剩余度 r 1 H Hmax 15 系统有序演化的自组织判据 自组织有序演化dr dt 0有序化临界 渐近无序化系统熵可用于简单巨系统演化的描述与分析 16 熵和序的关系 熵 平均信息量 度量系统的不确定性和非均匀性 注重于量的度量 序 对称破缺性 度量系统的差异性 注重于质的度量 17 应用思考 应用信息熵 1 进行慢性疾病症状指标的聚类 关联性分析 2 不同要素之间的相关性分析 见孙继佳的部分工作 3 运用熵判据描述和研究慢性疾病的演化进程 待探索 18 烧开水中的学问 耗散结构及其形成条件贝纳德流实验 T T1 T2 0 c1 c2 c3 19 两类有序结构静态有序结构 静态结构 如食盐 冰 水 汽相互转化动态有序结构 耗散结构 如贝纳德流 生物系统等 有序与系统演化 进化 系统状态越来越有序 退化 系统状态越来越无序 20 耗散结构形成条件 1 开放性系统与环境存在物质 能量和信息的交换 2 不可逆性时间反演变换不对称 f t f t 3 远离平衡态趋近非稳定平衡点 4 非线性存在多个稳定平衡点 5 涨落现象 A B C 21 4 船到桥头自会直 支配与演化系统协同演化的三大基本原理 1 不稳定性原理不稳定性的积极作用 2 支配原理慢变量支配快变量 3 序参量原理序参量支配系统中其他变量 22 三个臭皮匠顶个诸葛亮 团队的整体涌现 三人行必有我师 孔子语 概率约为99 93 水 H2O 的自豪与无奈INTERNET与无标度网络 小世界 负幂率分布 搭便车 行为学 23 拉面中的长程关联 害羞的因果关系 长周期性 太阳黑子爆发 约11 2年 商业周期 4 5年 库茨涅兹周期 15 16年 经济长波 50 60年 股票系统 年 一因多果 一果多因 多因多果 糖尿病 24 应用思考 慢性疾病在分子 细胞 组织 器官等方面存在复杂的纵向关联 呈现出一定的层次性和涌现性 因此 自组织理论包括协同理论和耗散结构理论将是处理问题的有力武器 25 1 城门失火 殃及池鱼 肾阴虚与季节有无 长程 关联 五行学说 2 慢性疾病的诊治有没有快变量和慢变量 其支配机制如何 序参量又是什么 待探索 3 慢性疾病发病过程是一个耗散结构演化过程 是有序化走向无序化 待探索 26 5 从美国世贸大厦的倒塌谈起 突变与结构稳定性结构稳定性 控制参量小的扰动不会引起系统定性特征的变化 突变与渐变 控制参量的渐变导致系统定性特征的突变 分叉与选择 27 最后一根稻草压死骆驼 量变与质变的阈值原理 真理与谬误仅一步之差 过犹不及 变化与演化 白蚁侵蚀木屋 突变 炸药爆炸 崩溃 零度水 临界 28 应用思考 慢性疾病病理变化的多阶段性 并且阶段内表现为数量渐变 阶段间表现为本质性突变 因此突变理论和方法将会有用武之地 其势函数包括那些因素 突变芽如何确定 从量变到质变的内在机制是什么 待研究 29 6 电脑算命你信吗 混沌与初值敏感性什么是混沌 1 鱼缸中的苍蝇 2 春蚕结茧 3 心跳与脉搏 4 天气能预报吗 5 股价指数谁能说得准 30 蝴蝶效应 A B C 31 一枚蹄钉亡了一个帝国 初值敏感性 美国民谣 缺了一枚钉 坏了一只蹄铁 坏了一只蹄铁 翻了一匹马 翻了一匹马 死了一位将 死了一位将 输了一场战争 输了一场战争 亡了一个帝国 罗伦兹的故事差之毫厘 谬以千里 32 混沌的基本特征 1 初值敏感性 2 非周期性 3 局部不稳定 全局稳定性 4 内在随机性 5 自相似性 6 分数维数 33 应用思考 慢性疾病在发展过程中一些细微的因素可能会成为 导火索 此时 蝴蝶效应 初值敏感性 混沌理论可能会有表演的舞台 1 慢性疾病的病变过程中是否会有阈值效应 待研究 2 慢性疾病的演变有没有自相似过程 如果有 其自相似规律又是什么 待研究 34 造就美的机器 自相似与分形自相似 整体与局部相似EEEEEEEEEEEEEEEEE 35 分形 海岸线到底有多长 传统维数的概念 d k l点 零维 线 一维面 两维体 三维运动物体 四维 36 分数维数 D lnN e ln 1 e koch曲线 D n ln4 n ln3 n 1 2 3 1 26 维 37 Sierpinski地毯D n ln8 n ln3 n 1 2 3 1 89 维 38 应用思考 分型几何学也许会成为中医药临床疗效评价的一种重要的手段 1 利用慢性疾病检查的图象信息 CT B超等 提取图象特征 建立分形模型 计算分数维数 进行比对分析 见孔平的工作计划 39 生命游戏与百分之七规法则 t t 1 系统走向何方 40 几种可能的结果 1 停止不动 不动点 2 周而复始循环 周期态 3 非周期运动 混沌态 显然与初始状态有关 1的个数及其分布 问题 要使系统不死 非全0 初始时至少要有多少个1 7 法则 41 应用思考 生命游戏 模型为探讨慢性疾病的演变规律提供了一个复杂结构模拟实验室 慢性疾病的诊治是否存在7 规律 其演化规则该如何确定 待研究 42 11 幽静山庄中的复杂适应系统 ComplexAdaptiveSystem CAS 1984年圣达菲研究所成立特色 跨学科 非盈利主旨 适应性产生复杂性 43 1 规模报酬递增 计算机键盘的奇怪排列 2 经济学家阿瑟ArshurBurks 随机决定未来 汽油车与柴油车之争 3 个体偏好 描绘GDP曲线之手SWARM模拟平台 遗传算法的舞台 计算机专家霍兰JohnHolland 44 4 少数服从多数 不 少数者赢 周末俱乐部 公交车难题 股票操盘手的赢利准则 45 应用思考 复杂适应系统理论可能是