系统科学引论.pptx
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1、第 1 章第第 1 1 章章系统科学引论系统科学引论主讲人:肖人彬教学重点第第1章章为为全全书书的的序序篇篇。在在课课堂堂上上,我我们们重重点点掌掌握握几几个个内内容:容:系系统统科科学学产产生生和和发发展展的的三三个个重重要阶段要阶段系系统统的的定定义义、结结构构、层层次次、开开放性、功能、演化等基本概念放性、功能、演化等基本概念系统一些分类方法及重要特征系统一些分类方法及重要特征第 1 章1.1 系统科学的产生与发展历史背景历史背景n古古代代整整体体观观思思想想认认为为,自自然然界界作作为为统统一一体体,人和自然是统一的人和自然是统一的n16、17世纪确立机械自然观和科学方法论世纪确立机械
2、自然观和科学方法论n19世纪上半叶能量守恒、细胞学和进化论世纪上半叶能量守恒、细胞学和进化论n20世世纪纪中中叶叶计计算算机机、航航空空、航航天天、信信息息、生生物等领域的辉煌成就物等领域的辉煌成就1.1.1 系统科学的形成系统科学的形成第 1 章1.1 系统科学的产生与发展历史背景历史背景n进进入入21世世纪纪,科科技技飞飞速速发发展展,信信息息大大爆爆炸炸,人人类类生生存存环环境境协协调调和和谐谐发发展展,多学科交叉融合多学科交叉融合1.1.1 系统科学的形成系统科学的形成人类理智夸入“想入非非想入非非”时代第 1 章1.1 系统科学的产生与发展一般系统论一般系统论n1937年年,理理论论
3、生生物物学学家家贝贝塔塔朗朗菲菲所所提提出出。概概括括出出系系统统共共性性:整整体体性性、关关联联性性、动动态态性性、有序性、终极性(目的性)有序性、终极性(目的性)n不不是是简简单单的的拼拼加加,要要考考虑虑子子系系统统与与整整体体之之间间的关系的关系1.1.2 20世纪世纪4060年代从系统论、年代从系统论、控制论到系统工程控制论到系统工程第 1 章1.1 系统科学的产生与发展运筹学运筹学n20世纪世纪30年代末,战争武器系统的发展年代末,战争武器系统的发展n分析制约因素分析制约因素 要实现的目标要实现的目标 (约束条件(约束条件 极大或极小值)极大或极小值)1.1.2 20世纪世纪406
4、0年代从系统论、年代从系统论、控制论到系统工程控制论到系统工程 目标函数第 1 章1.1 系统科学的产生与发展控制论控制论n20世世纪纪40年年代代末末,火火炮炮自自动动瞄瞄准准飞飞机机与与狩狩猎猎行为行为反馈机制反馈机制n控控制制论论:输输入入、输输出出、信信息息、反反馈馈、控控制制行行为及目标为及目标 1.1.2 20世纪世纪4060年代从系统论、年代从系统论、控制论到系统工程控制论到系统工程第 1 章1.1 系统科学的产生与发展信息论信息论n1948年年,香香农农发发表表通通信信的的数数学学理理论论标标志志信息论信息论(informatics)的诞生。的诞生。n信信息息论论乃乃是是关关于
5、于系系统统的的信信息息传传递递和和处处理理的的科科学理论。学理论。1.1.2 20世纪世纪4060年代从系统论、年代从系统论、控制论到系统工程控制论到系统工程第 1 章1.1 系统科学的产生与发展计算机计算机n1946年年,世世界界上上第第一一台台冯冯诺诺伊伊曼曼计计算算机机诞诞生。生。n人类智能物化人类智能物化 1.1.2 20世纪世纪4060年代从系统论、年代从系统论、控制论到系统工程控制论到系统工程第 1 章1.1 系统科学的产生与发展系统工程系统工程n解决复杂的工程问题解决复杂的工程问题n美美国国国国家家智智库库兰兰德德公公司司利利用用“系系统统分分析析”研研究社会、经济系统,供美国政
6、府参考决策究社会、经济系统,供美国政府参考决策n泰勒为代表的管理科学学说泰勒为代表的管理科学学说n1969年年,美美国国阿阿波波罗罗飞飞船船登登月月,系系统统工工程程最最成功的范例成功的范例1.1.2 20世纪世纪4060年代从系统论、年代从系统论、控制论到系统工程控制论到系统工程第 1 章1.1 系统科学的产生与发展耗散结构论耗散结构论(dissipative structure theory)n1969年年,比比利利时时自自由由大大学学化化学学家家普普利利高高津津提提出,因而获得诺贝尔奖。出,因而获得诺贝尔奖。n开开放放系系统统远远离离平平衡衡状状态态所所形形成成的的需需要要消消耗耗物物质
7、和能量的有序结构称为耗散结构。质和能量的有序结构称为耗散结构。n研研究究一一个个开开放放系系统统由由混混沌沌向向有有序序转转换换的的机机理理、条件和规律。条件和规律。1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学第 1 章1.1 系统科学的产生与发展协同学协同学 (synergetics)n1969年,德国理论物理学家哈肯提出。年,德国理论物理学家哈肯提出。n系系统统从从无无序序到到有有序序的的关关键键是是系系统统内内部部各各子子系系统统间间通通过过非非线线性性相相互互作作用用和和协协作作,在在一一定定条条件件下下,自自发发
8、产产生生在在时时间间、空空间间或或功功能能上上稳稳定定的的有有序序结结构构,这这就就是是自自组组织织理论。理论。n系系统统在在临临界界点点(分分支支点点)附附近近的的行行为为仅仅由由少少数数变变量量决决定,系统的慢变量支配快变量,即支配原理。定,系统的慢变量支配快变量,即支配原理。1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学第 1 章1.1 系统科学的产生与发展突变论突变论 (catastrophe theory)n1972年年,法法国国数数学学家家托托姆姆出出版版专专著著结结构构稳稳定定性和形态发生学性和形态发生学。n研
9、研究究系系统统的的状状态态随随外外界界控控制制参参数数连连续续改改变变而而发发生不连续变化的数学理论。生不连续变化的数学理论。1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学太阳系是否稳定?第 1 章1.1 系统科学的产生与发展混沌学混沌学 n研研究究确确定定性性动动力力学学系系统统所所表表现现出出来来的的具具有有貌貌似似随随机机,无无规规则则性性复复杂杂行行为为混混沌沌运运动动的的非非线线性性动动力学。力学。n研研究究混混沌沌运运动动中中从从无无序序到到有有序序的的演演化化及及其其反反演演化的规律和控制的科学。化的规律和控制
10、的科学。n混沌混沌(chaos)一词由李天岩和约克在一词由李天岩和约克在1975年提出。年提出。1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学上帝如何掷骰子?第 1 章1.1 系统科学的产生与发展分形学分形学n分分形形(fractal)由由美美国国IBM公公司司数数学学家家曼曼德德布布罗德罗德1973年提出。年提出。n分分形形几几何何研研究究自自然然景景物物不不规规则则图图形形,核核心心在在于于自相似性和递归性。自相似性和递归性。n分分形形注注重重对对某某一一动动力力行行为为而而产产生生的的吸吸引引子子的的研研究。究。1.1
11、.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学第 1 章1.1 系统科学的产生与发展分形学分形学 fractal 1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学第 1 章1.1 系统科学的产生与发展超循环理论超循环理论 (hypercycle theory)n德德国国学学者者艾艾根根(M.Eigen)根根据据进进化化论论和和自自组织理论于组织理论于1979年提出年提出n研究分子自组织进化现象研究分子自组织进化现象n将生命起源解释为自组织现象将生命起源解释为自组织
12、现象 1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学第 1 章1.1 系统科学的产生与发展 1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学非线性科学出现前:非线性科学出现前:机械整体观机械整体观整体等于局部之和,认识了局部就等于整体等于局部之和,认识了局部就等于认识了整体;认识了整体;系统整体观系统整体观整体大于局部之和,认识了局部不等于整体大于局部之和,认识了局部不等于认识整体。认识整体。非线性科学出现后:非线性科学出现后:混沌与分形理论进一步表明,整体
13、既不同于局部,又等混沌与分形理论进一步表明,整体既不同于局部,又等同于局部,这是一种崭新的辨证整体观。同于局部,这是一种崭新的辨证整体观。第 1 章1.1 系统科学的产生与发展简单性与复杂性简单性与复杂性n复复杂杂性性并并不不等等同同于于组组成成系系统统的的要要素素在在数数量量上上“多多”,简单的根源是线性简单的根源是线性,而,而复杂的根源是非线性。复杂的根源是非线性。复杂性研究热潮复杂性研究热潮n1984年年,美美国国圣圣菲菲研研究究所所(SFI)。运运用用自自组组织织、混混沌沌概概念念及及提提出出涌涌现现(emergence)、复复杂杂适适应应系系统统(complex adaptive s
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