自然科学概要（第二版）（微课版）课件 14.1系统论和信息论

1系统论和信息论CONTENTS第14章系统科学控制论和耗散结构214.1课程标准

1.知识目标识记贝塔朗菲（奥地利）、申农（美国）在系统科学中创新成果。识记系统、要素、环境、信息的概念。理解系统方法所遵循的原则。掌握系统方法、信息方法。2.能力目标具备初步批判性思维能力。3.素质目标弘扬科学家精神，博学德清，鼎新致用。

一、系统论20世纪40年代产生的系统论、信息论、控制论（老三论），60、70年代出现的耗散结构、超循环论、协同学（新三论）等。这些学科分属不同的科学领域，它们却以各自的方式拥有一个共同的研究对象，即“系统”。系统科学是以系统存在和发展的规律为研究对象的学科体系，是方法论。

（一）产生与发展

20世纪20年代，奥地利学者贝塔朗菲在研究理论生物学时，用机体论批判并取代当时广为流传的机械论，形成有机体系统概念，建立机体论生物学。1968年，贝塔朗菲出版了《一般系统论——基础、发展、应用》一书，标志着这门学科已到了成熟的地步。广义的系统论除了一般系统论，还有系统方法和系统工程。它产生于20世纪40年代。

第一节系统论和信息论

（二）基本概念1.系统

系统是由相互联系、相互作用的元素（要素）按照一定的结构组成的有特定功能的有机整体。

要点：任何系统必须有两个以上的要素构成。

系统诸要素之间、要素与系统整体之间的相互联系、作用，形成了特定的结构。

要素彼此之间联系形成为一个统一的有机整体。

系统作为一个整体对环境表现出特定的功能。

孤立系统：系统与环境之间无物质、能量、信息交换.封闭系统：系统只与环境交换能量而不交换物质。开放系统：系统与环境交换物质、能量、信息。系统开放系统2.要素是组成系统的各个单元、各个部分。3.结构要素在系统内部恒定的分布和排列。4.环境指与系统组成要素发生相互作用而又不属于这个系统的所有事物的总和。5.功能系统与外界（环境）作用产生影响和效力的能力。功能以结构为基础，功能是结构的表现。

生态系统

（三）基本原则

1.整体性原则整体的功能大于各部分之和。该原则要求我们把研究的对象系统如实地作为一个整体来对待，通过努力使系统结构合理、系统内外协同作用增强，从而提高整体的效益。

3.目的性原则建立一个系统要达到什么目的必须明白无误，否则无法判定所采取的方法和手段是否正确。

2.关联制约原则该原则要求我们在研究系统时，不仅要研究构成系统的要素的性质，还要研究要素之间联系的方式、相互关联和制约的性质。

4.最优化原则是指在一定环境条件下，通过采取各种有效手段使系统达到最佳状态而费力最小。对于一些大而复杂的系统，先对子系统进行局部优化，再协调各子系统的关系，使之从整体上达到所要求的整体目标。（四）系统方法

就是从系统的观点出发，始终注意要素之间、要素与整体、整体与外部环境的相互联系、相互作用,综合地、精确地考察对象，以达到最佳地处理问题的一种方法。例如：霍尔的三维结构方法

思路要清晰，三思而后行二、信息论1948年，美国应用数学家申农在《贝尔系统技术杂志》上发表重要论文《通信的数学理论》，标志着信息论的诞生。1949年，申农又发表另一重要论文《在噪声中的通信》。在这些论文里，申农提出了通信系统模型、度量信息的数学公式以及编码定理和其他一些技术性问题的解决方案。

目前，由信息论、控制论、人工智能、计算机和系统工程等方面的内容组成的信息科学正在飞速发展。

（一）产生与发展

1.信息狭义的信息是指具有新的内容、新知识的消息（如书信、情报、指令等）。广义的信息是指系统内部建立联系的特殊形式，是系统确定程度（即特殊程度、组织程度或者有序程度）的标记。通信科学中的信息，就是指消息，它是通信的内容。通信者通过通信获取信息，可以消除某种知识上的不确定性。

（二）基本概念2.信息量在自然界和人类社会中，我们把现象归纳为三类：一类是在一定条件下必然要发生的现象，称为必然事件。第二类是在一定条件下，必然不会发生的现象，称为不可能事件。第三类是在相同条件下可能发生，也可能不发生的现象，称为随机事件。概率就是用来表示事件发生的可能性大小的一个量，记作P。

事件A发生的概率为有利于事件A发生的基本事件数（m）与总的基本事件数（n）之比。

即P（A）=m／n。例如：袋中有5个白球，3个黑球，那么摸到白球这一事件A的概率为有利于事件A发生的基本事件5个白球与总的基本事件数8之比，因此事件

A发生的概率为5／8。

用概率来定量地描述信息量。

信息量的多少取决于消息所讲事件发生的可能性大小。如果所讲事件发生的可能性小，则消除它的不确定性要多些，信息量也就多些。即：概率小的事件、信息量多。

在实际运用中，信息量常用概率的负对数来表示。

I﹦－㏒a

P1/P2

；

P1/P2

表示概率。

信息量最常用的单位规定为：

以2为底的对数，单位是比特。

例如：一个口袋中有1个红球，7个白球，求摸到红球的信息量？I1﹦-㏒21/8=-(㏒2

20–㏒2

23)=3例如：一个口袋中有4个红球，4个白球，求摸到红球的信息量？I2﹦-㏒24/8=-(㏒222–㏒223)=1

（三）信息方法

申农在1948年提出的通信系统模型。所谓信息方法，就是运用信息的观点，把系统看作是借助于信息的获取、传送、加工、处理而实现其有目的性运动的一种研究方法。例如，线上授课，用的就是信息方法。老师的声音和图像的信息经过计算机输入—存储—处理—输出的结果。1.通信系统模型2.信息方法这种方法的特点是用信息概念作为分析和处理问题的基础，完全撇开对象的具体运动形态，把系统的运动过程抽象为信息的转换过程，把系统有目的的运动抽象为如下的变换过程，即：

—信息—输入—存储—处理—输出—