现代系统科学学讲义1

1、,现 代 系 统 科 学 学,东北电力大学NEDU研究生学位基础课程,崔金栋,授课教师：,授课地点：,三教505,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,引言,管理的目的是问什么？ 整体最优的理论依据是什么？ 管理科学的基础是什么？,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,引言,系统广泛存在于自然、社会、人体和思维中。以系统的观点研究现实世界以形成系统的认识论、方法论和科学思维，这就是系统科学的任务。系统科学在21世纪将会有很重大的发展，将改变科学世界的图景，革新传统的科学认识论和方法论，引起科学思维方式的革命。 科学技术的时代特征和发展展望 路甬祥,东北电

2、力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,系统科学的对象与问题,系统科学的四大特点,系统科学的体系,系统定义与系统公理,系统科学的新时代,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,进化的时代,物理的时代,1 系统科学的新时代,热力学物理进化论 达尔文生物进化论 马克思社会进化论,相对论 量子力学,现代系统科学学,控制论 信息论 一般系统论,通信与控制的时代,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,现象1,现象2,1.1 系统科学的新时代,科学研究重心和科学范式的转移,科研方法与工具的创新,现象3,科学与社会关系的变革,科学新时代的特征,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲

3、人：崔金栋,1.1.1 科学探索重点的转移与科学范式的改变,（1）从追求简单性到探索复杂性 （2）从对存在的研究转向对演化的研究 （3）从主要研究线性相互作用到重点研究 非线性相互作用 归纳： 从研究简单系统向研究复杂系统转移。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.1.2 科研工具与科学方法的创新,理论研究 实验方法 科学计算 集体智能,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.1.3 科学与社会关系的变革,（1）科学活动融入了社会主流，直接服务于社会。 （2）“科学发展观”与“可持续性发展”。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔

4、金栋,1.2 系统科学的对象与问题,系统科学是现代科学的代表； 系统科学是一门研究事物整体的学科，是一门从事物整体性的角度观察世界、研究事物、认识问题的学问； 与数学一样，是一门横断学科。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.2 系统科学的对象与问题,系统科学-关于整体的科学 整体性是事物的普遍属性；世界上的一切，无论人或者物，乃至符号、概念体系都有着自己的整体性；不同事物的整体性各不相同，需要从外部和内部加以研究其整体性。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.2 系统科学的对象与问题,整体不同于部分和 （1）整体是由部分组成的； （2）事物

5、各个部分之间存在着一种特殊的组成关系：“牵一发，动全身”和 “缺一不可”； （3）一些部分一旦构成整体，整体就会突现新属性：整体属性。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.2 系统科学的对象与问题,整体生存于环境中 （1）世界上没有相同的两个事物； （2）事物不仅包括内部结构，而且包括外部环境； （3）事物受外部环境影响。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.2 系统科学的对象与问题,整体生存于环境中 （1）世界上没有相同的两个事物； （2）事物不仅包括内部结构，而且包括外部环境； （3）事物受外部环境影响。,现代系统科学学,东北电力大学经济

6、管理学院 主讲人：崔金栋,1.2 系统科学的对象与问题,系统科学的研究对象 从内部看整体性，是研究系统的结构；从外部看整体性，是研究系统的性态，这两方面构成了系统科学的基本内容。除此，系统的运动特征和系统价值的实现与前两者一起构成系统科学的研究对象。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.3 系统科学的四大特点,系统科学的四大特点 （1）基础性； （2）前沿性； （3）综合性； （4）实用性,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.3 系统科学体系,系统科学的体系 系统科学是一个学科群，经过半个世纪的发展已经具有了一个相对完整的体系。 （1）贝塔朗

7、菲一般系统论 （2）钱学森再论系统体系,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.4 系统科学体系,系统科学的体系 （1）基础系统论 （2）复杂系统论 （3）系统技术与方法,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.4 系统科学体系,基础系统论 （1）对系统概念进行科学分析； （2）对系统本质特征和基本属性的研究； （3）对系统科学中的一些基本问题、命题和难题的研究。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.4 系统科学体系,复杂系统论 （1）对复杂系统运动、演化一般过程、普遍规律和原理的研究； （2）对信息与智能系统、社会经济系统

8、的研究。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.4 系统科学体系,系统技术与方法 （1）系统技术； （2）系统工程； （3）系统科学的方法论。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.5 系统定义与系统公理,系统的定义 研究事物整体性及其环境关系的科学。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.5 系统定义与系统公理,系统的特征 （1）组分的多元性：从部件或者元素的数量看，系统由多个或者多种部件组成。 从数量而言，单一元素是不能称为系统的，只有两个或者两个以上部件或者元素才能构成一个系统，复杂系统的组成元素至少三个；从种类而言

9、，一个系统总是包含不同性质的各种成分。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.5 系统定义与系统公理,系统的特征 （2）结构的有序性：从部件间的关系看，系统存在一个整体的有序结构。 有序仅仅存在于统一的全局范围之内；有序关系到所有部件的联系；有序结构在系统内部是必然的、相对稳定的、基本不变的联系。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.5 系统定义与系统公理,系统的特征 （3）整体突现性：整体性是系统最基本、最主要的特征。这种特征不是各元素特征的简单加和，而是结合成整体时“突现”出来的。 在外部属性来看，系统与非系统的区别在于加和性。,现代系统科

10、学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.5 系统定义与系统公理,系统的特征 （4）系统时空和功能的有限性：从时空范围来看，系统内外有别，有确定的边界；有始有终，有确定的生命周期。 “人”的例子。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.5 系统定义与系统公理,系统的特征 （5）系统变化的不可逆性。 从发展变化来看，系统的变化具有不可逆性，习惯称之为演化性。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.5 系统定义与系统公理,系统公理 （1）第一公理（多系统公理）。 n=2，及系统元素的个数大于1；简单系统n=2 ，复杂系统n2 。,现代系统科

11、学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.5 系统定义与系统公理,系统公理 （2）第二公理（突现公理）。 S Ai，i=1,2,3n。即整体不同于部分和；它有特殊的整体结构和属性。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.5 系统定义与系统公理,系统公理 （3）第三公理（演化公理）。 dS/dt=0，即系统做不可逆运动。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.5 系统定义与系统公理,系统公理 （4）第四公理（有限公理）。 e2=0，系统时空有限，边界的边界为零。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.6 系统的分类

12、,系统的分类原则 （1）存在性 （2）唯一性 （3）完备性,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.6 系统的分类,按组成分类 （1）物质系统与观念系统 （2）天然系统、人为系统、人造系统,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.6 系统的分类,按大小分类 （1）巨系统、大系统、系统、子系统、分系统； （2）宇观，宏观，中观，微观。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.6 系统的分类,按属性分类 （1）线性系统和非线性系统； （2）简单系统和复杂系统； （3）保守系统和耗散系统。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主

13、讲人：崔金栋,1.6 系统的分类,按动态特征分类 （1）静态系统、动态系统和动力系统； （2）可逆系统和不可逆系统； （3）连续系统和离散系统。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.7 系统的描述,从三方面描述一个系统 （1）定性描述； （2）定量描述； （3）系统模型。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.7.1 系统的定性描述,（1）系统是由什么构成的； （2）系统内部各元素和要素的关系是什么，具有怎样的整体结构； （3）系统是怎样发展演化的，运动规律是什么； （4）系统的价值如何实现，对研究者有什么价值。,现代系统科学学,东北电力大学经

14、济管理学院 主讲人：崔金栋,1.7.2 系统的定量描述,（1）变量空间； （2）参量空间； （3）初值空间； （4）切空间。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.7.2 系统的模型描述,（1）偏微分方程（PED）； （2）耦合常微分方程（COED）； （3）耦合印象格子（CML）； （4）元胞自动机（CA）。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.8 典型系统思想,中国 周易，五行，老庄学说,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.8 典型系统思想,周易 周易含有卜筮、哲学、历史、科学等多种成分。周易的主要特点是以八卦、六

15、十四卦、象数为模型、以占筮为形式，模拟演绎、预测宇宙万物的起源、结构、运动变化的规律。其卦爻象符号系统和卦爻辞文字系统互相诊透补充，构成“任何数目都可以套进去”的“宇宙代数学”。书中精义乃是对天道与人理的综合探索，凝聚着中国古圣先贤的智慧。几千年来，周易原理不仅在中国思想史上产生了深远的影响，而且渗透到古代社会科技的各个领城，融化进中华民族的心理素质之中，构成中国传统文化的基本格调，启迪和推动了中国古代科技文明发展。成为中国古代学术思想的源头活水 。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.8 典型系统思想,周易 易卦系统最基本的要素为阴阳概念，而阴阳概念包括阴阳的性质和

16、状态两层意义。如果不理会阴阳的状态，只论及其性质，则可以用阳爻（）和阴爻（）表示阴阳。将上述阴阳爻按照由下往上重叠三次，就形成了八卦，即“乾，坤，震，巽，坎，离，艮，兑”八个基本卦，称为八经卦。再将八经卦两两重叠，就可以得到六个位次的易卦，共有六十四卦，这六十四卦称为六十四别卦，每一卦都有特定的名称。如果再考虑阴阳的状态，则阴阳概念又进一步划分为“老阴，老阳，少阴，少阳”（亦称“太阴，太阳，少阴，少阳”）四种情形，可以用“X，O，-，”四种符号分别代表之。六十四别卦每一卦的每个位次上都可能有四种阴阳状态，于是全部易卦系统就共有4096种不同的卦。如果将阴阳性质构成相同的各个卦放在一起，就形成了

17、主卦卦名相同的六十四种分系统，可以称为某某卦系 。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.8 典型系统思想,五行 五行是中国古代的一种物质观。多用于哲学、中医学和占卜方面。五行指：金、木、水、火、土。认为大自然由五种要素所构成，随着这五个要素的盛衰，而使得大自然产生变化，不但影响到人的命运，同时也使宇宙万物循环不已。五行学说认为宇宙万物，都由木火土金水五种基本物质的运行（运动）和变化所构成，是由于中国古代人对世界认识不足造成的，。它强调整体概念，描绘了事物的结构关系和运动形式。如果说阴阳是一种古代的对立统一学说，则五行可以说是一种原始的普通系统论。,现代系统科学学,东北

18、电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.8 典型系统思想,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.8 典型系统思想,一般系统论 系统同构是一般系统论的重要理论依据和方法论的基础。系统同构一般是指不同系统的数学模型之间存在着数学同构。常见的数学同构有代数系统同构、图同构等。数学同构有两个特征：两个数学系统的元素之间能建立一一对应关系。两个数学系统各元素之间的关系，经过这种对应之后仍能在各自的系统中保持不变。不同系统间的数学同构关系是等价关系，等价关系具有自返性、对称性和传递性，根据等价关系可将现实系统划分为若干等价类。同一等价类内，系统彼此等价。因此借助于数学同构的研究可

19、在现实世界中各种不同的系统运动中找出共同规律。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.8 典型系统思想,控制论 在控制论中，“控制”的定义是：为了“改善”某个或某些受控对象的功能或发展，需要获得并使用信息，以这种信息为基础而选出的、于该对象上的作用，就叫作控制。由此可见，控制的基础是信息，一切信息传递都是为了控制，进而任何控制又都有赖于信息反馈来实现。信息反馈是控制论的一个极其重要的概念。通俗地说，信息反馈就是指由控制系统把信息输送出去，又把其作用结果返送回来，并对信息的再输出发生影响，起到制约的作用，以达到预定的目的。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人

20、：崔金栋,1.8 典型系统思想,信息论 在宇宙爆炸前只有信息存在，一个决定因素（现在还不了解这个因素是什么）导致了信息子的偶然规则排布，一部分信息子转化为能量（信息子转化为能量是有一定条件的，这只有在宇宙爆炸前或初期才能实现），能量再在一定条件下转化为物质，并继续转移转化，最终形成了我们现在的宇宙。因此，信息子的有序排布是事件发生的根本原因，物质摩擦碰撞是事件发生的直接原因，而能量的传递是事件发生的必要条件。,现代系统科学学,东北电力大学经济管理学院 主讲人：崔金栋,1.8 典型系统思想,耗散结构理论 一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。 耗散结构理论是指用热力学和统计物理学的方法，研究耗