第8讲-系统科学

1、系统科学,系统科学是一个学科群，包括系统论、信息论、控制论、耗散结构理论、协同学、突变论、超循环理论、混沌理论、生命系统论和资源物理学等。 系统论、信息论和控制论通常被称为“老三论”。 耗散结构理论、协同学、突变论、超循环理论、混沌理论、生命系统论和资源物理学等被称为自组织理论、非线性科学或复杂性科学。,系统科学产生的历史背景,1、技术革命：信息与控制 2、科学革命：统计与进化 3、哲学革命：有机论代替决定论 4、管理革命：从经验到科学,系统论,20世纪20-30年代，贝塔朗菲 (L.V. Bertalanffy )提出了一般系统论的概念。1947-1948年，他明确提出了一门作为新学科的系统

2、论，即适用于各种不同的具体科学系统的理论。 系统论包括三个方面：科学和数学系统论；系统技术（工程）；系统哲学。 系统定义：处于一定的相互关系中并与环境发生关系的各组成部分（要素）的总体（集）。,系统的构成：,（1）要素 （2）结构 （3）环境 （4）功能 系统的主要特征： 整体性，体现在功能上。 整体性是由于要素之间的相互作用。 要素、结构和环境共同决定系统的功能。,系统论方法：,从系统的观点出发，着重从整体与部分、整体与环境的相互联系、相互作用和相互制约的关系中，综合地、精确地考察对象，以求用最佳方式解决问题的一种方法。它所遵循的原则是： （1）整体性原则； （2）综合性原则； （3）最优化

3、原则； （4）定性定量化原则。,信息论,1948年，申农 ( C.E. Shanon) 发表了通讯的数学理论一文，标志着信息论的诞生。 信息论是研究信息的获取、储存、传递、计量、处理和利用等问题的一门学科。 现在信息论已复杂成为一种广义的理论，即用信息论的观点研究一切问题的理论。 信息论方法完全撇开对象的具体运动形态，把系统的有目的的运动抽象为一个信息变换的过程。,控制论,1948年维纳 ( N.Wiener )发表了控制论一书，标志着控制论的诞生。 控制论引入了系统、目的、反馈、信息、功能模拟、黑箱等概念，认为系统是黑箱，不考虑系统内部的构造，仅分析输入、输出关系。 控制论发展为工程控制论、

4、生物控制论、社会控制论、经济控制论、大系统理论和人工智能等。,自组织理论,所谓的自组织是指，其特定的结构和功能的形成不是按照某种指令来完成的，而是由于系统内部各要素彼此之间具有协调、相干或自发的默契行为，那么这种形成特定结构与功能的过程就叫做自组织。 自组织理论力图揭示自然物质系统演化过程中普遍存在有序状态和无序状态相互转化的机制和条件。,自然界中存在的两对矛盾 一、牛顿力学与热力学第二定律之间的矛盾 牛顿力学是“关于存在的物理学”，热力学 第二定律是“关于过程的物理学” dS=dQ/T 表示系统混乱度、无序程度的物 理量 克劳修斯 玻耳兹曼 二、热力学第二定律与达尔文生物进化论之 间的矛盾,

5、可逆与不可逆：,一个系统经过某一演化过程，从某种初始状态达到另一状态，如果存在着另一过程，使该系统与外部环境完全回到原来的初始状态，则原来的过程称为可逆过程，或称该过程可逆。 如果不存在使该系统与外部环境完全复原的过程，则原来的过程称为不可逆过程，或称该过程不可逆。,不可逆与时间之箭：,可逆意味着时间流逝没有实质的物理意义，意味着演化不存在。 在现实的自然物质系统中，不存在严格的可逆过程。热传导、化学反应、分子扩散、物种进化都是不可逆过程。 不可逆使演化成为可能，不可逆演化的方向就是时间箭头。,熵 有序 无序,克劳修斯热力学第二定律表明孤立系统的熵自发地增加到最大值。 熵是系统无序程度的表征。

6、 对于开放系统，有 dS=diS + deS diS为系统熵增， diS 0； deS为熵流， deS 0 或 deS diS 则 dS 为负值，即系统的熵减少，有序程度提高。,进化与退化,进化一般是指系统演化由无序到有序、由低序到高序的趋势和过程。 退化一般是指系统演化由有序到无序、由高序到低序的趋势和过程。 热力学第二定律反映了孤立系统的退化，并由此得出“宇宙热寂”的结论。进化论揭示了生物由低级向高级进化的过程。因此，热力学与进化论存在着矛盾。 现代宇宙论描述的也是一个进化过程。,耗散结构理论,比利时物理学家 普利高津 一个远离平衡态的开放系统，可以不断地与外界交换物质、能量和信息，在外界

7、条件达到一定的阈值时，从原有的混沌无序状态进化成时间、空间有序状态。所谓的“耗散结构”，就是指这种在远离平衡条件下所形成的新的有序结构。研究耗散结构的理论就叫耗散结构理论。,耗散结构理论的形成：,1969年普利高津 （ Ilya Prigogine）在“理论物理与生物学”国际会议上首次提出。 普利高津考察了贝纳德效应： 贝纳德蛋卷 tc 硅黄,贝纳德花纹,“BZ”反应 1950年，前苏联化学家贝洛索夫(Belowsov) 做了一个振荡化学实验。 1960年，扎鲍廷斯基(Zhabotinski)继续了 这一实验。,形成耗散结构的条件：,（1）开放系统，有负熵流入； （2）远离平衡态； （3）系统

8、各要素之间存在非线性相互作用； （4）涨落被正反馈放大； （5）随机涨落。,对于开放系统，有 dS=diS + deS diS为系统熵增， diS 0； deS为熵流， deS 0 或 deS diS 则 dS 为负值，即系统的熵减少，有 序程度提高。,正反馈、负反馈 CH3COOCH3+H2O = CH3COOH+ CH3OH 正反馈,耗散结构理论在方法上的创新与突破: 1、揭示了自然界中进化与退化的辨证关系。 进化与退化是相互转化、相互包含、相互制约的。 2、揭示了由无序转化为有序的机制。 3、丰富了对可逆与不可逆过程的辨证关系的认识。,协同学,1969年 德国物理学家 哈肯 协同学综合地

9、考察了自组织发展的各种内部因素的作用，发现了系统内部大量子系统的竞争、合作产生的协同效应，以及由此带来的序参量支配过程，是系统自组织的动力。,1、竞争与协同 竞争,是系统间或系统内各要素或各子系统间 相互争胜，力图取得支配和主导地位的活动与过程。 协同，系统中许多子系统的联合作用。各个要素之间，或各个子系统之间在演化过程中存在着联接、合作、协调与同步行为。 2、序参量与支配过程 快变量 慢变量 序参量,混沌理论 自组织演化的复杂性,混沌理论是20世纪60年代开始发展起来的。主要创始人洛仑兹(E.N.Lorenz）。 混沌（chaos）的涵义：混沌是一种确定的系统中出现的无规则运动。 一个过程看

10、起来是随机发生的而实际上其行为却由精确的法则决定。 包含着丰富的产生有序能力的系统处于最无序状态。,倍周期分岔,柯赫曲线,分形 自相似 分维,丢勒图形,蝴蝶效应,在巴西的蝴蝶拍打翅膀会引发得克萨斯州的一场龙卷风吗？ 混沌态是指具有确定演化规律却无法预测其演化结果的系统。 混沌态的动力学方程对初始条件极其敏感，微小扰动会导致定性不同的结果。 由于大气环流是一个混沌系统，因此长期天气预报是不可能的。,超循环理论自组织演化的形式,艾根 德国化学家 循环是一种普遍的客观现象。由A和P组成的系统，A P，宏观地看，系统内部各要素之间的线性或非线性相互作用就成了循环组织形式。平衡循环是 一种可逆循环，是一种“死” 系统。,远离平衡的开放系统 1、反应循环 S P 2、催化循环 以反应循环作为子系统，这些子系统循环地联系起来，构成了反应循环的循环系统。催化循环已是一种自复制系统，具有自复制能力。A E 或 A+E 2E,E,E,3、催化超循环 以催化循环为子系统，这些子系统通过功能的循环联系而联接起来，就会聚成更高一级的循环组织。 在超循环中,每个子系统既能指导自己的复制,又能对下一个中间产物的产生提供催化支持。具有整合性，允许相互竞争的子系统之间形成协同作用。,系统科学的方法论启示：,（1）从还原论到整体论的转变； （2）从简单性向复杂性