系統(tǒng)科學(xué)概論大綱

《系統(tǒng)科學(xué)概論》大綱1.課程設(shè)計(jì)思想課程目標(biāo)：這門(mén)課程是我院研究生在系統(tǒng)科學(xué)方面的入門(mén)課程。學(xué)生需要通過(guò)這個(gè)課程來(lái) 了解什么是系統(tǒng)科學(xué)（系統(tǒng)科學(xué)的思想），了解一些研究方法和研究工作的實(shí)例，為后續(xù)專(zhuān)門(mén)課程以及研究工作做準(zhǔn)備。以下是我按照這個(gè)目的和定位所設(shè)計(jì)的三個(gè)模塊：什么是科學(xué)，系統(tǒng)科學(xué)的思想，還有系統(tǒng)科學(xué)的方法。大多數(shù)時(shí)候，一個(gè)創(chuàng)新的工作是新在：?jiǎn)栴}上、方法上、結(jié)果上，或者對(duì)象上。從思想和視角的層次提出新的問(wèn)題是最大的創(chuàng)新。有的時(shí)候新的方法的提出也是因?yàn)樗枷牒鸵暯堑脑?。因此，了解系統(tǒng)科學(xué)的研究思想，把它變成自己的東西，自己看問(wèn)題的角度是學(xué)習(xí)本課程最重要的目標(biāo)。這樣才能做出來(lái)這個(gè)方面的真正新的研究工作，或者能夠很好地欣賞這樣的研究工作。當(dāng)然，在我們這個(gè)領(lǐng)域里面，我們做或者欣賞的研究工作，首先必須是科學(xué)。因此，我們也需要了解什么是科學(xué)，什么是科學(xué)研究。最后，除了思想和視角方面的修煉，我們也需要了解一些方法和技術(shù)?？茖W(xué)是原則上可證偽的，實(shí)際上在其適用范圍內(nèi)還沒(méi)有被證偽的，可以用于理解現(xiàn)實(shí)世界的心智模型。在什么是科學(xué)和什么是科學(xué)研究的問(wèn)題上，我們會(huì)關(guān)注科學(xué)的可證偽性、科學(xué)的實(shí)用主義哲學(xué)、科學(xué)與數(shù)學(xué)和數(shù)學(xué)模型的關(guān)系等幾個(gè)主題。系統(tǒng)科學(xué)是關(guān)于系統(tǒng)的科學(xué)——也就是說(shuō)，我們沒(méi)有具體的特定的研究對(duì)象，任何可以看作包含互作元的都可們象任何學(xué)的需要具體系統(tǒng)，而不是研究抽象的一般的系統(tǒng)。具體一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)科學(xué)的思想典型地包含以下幾個(gè)方面：從個(gè)體到整體的視角——系統(tǒng)層次的規(guī)律可能與個(gè)體層次的規(guī)律不一樣；有些問(wèn)題只能在整的層，而個(gè)體研，要看個(gè)體的研究，整體的研究最多是維象的或者是空中樓閣；涌現(xiàn)性——不同的微觀相互作用可能導(dǎo)致類(lèi)似的整體性質(zhì)；簡(jiǎn)單的微觀機(jī)制可以出現(xiàn)豐富多樣的復(fù)雜的整體行為，豐富多樣的復(fù)雜的行為也可能存在簡(jiǎn)單的整體特征；復(fù)雜性——很多時(shí)候就算微觀層次的規(guī)律是清楚的，從中計(jì)算得到整體層次的性質(zhì)也不是一個(gè)平庸的問(wèn)題；相互作用——存在相互作用的個(gè)體的整體性值不是每一個(gè)個(gè)體行為的簡(jiǎn)單疊加；交叉性——用一個(gè)學(xué)科的方法和思想來(lái)研究和解決其他學(xué)科的問(wèn)題；系統(tǒng)的劃分——封閉系統(tǒng)、開(kāi)放系統(tǒng)等系統(tǒng)的區(qū)別，以及演化的視角。以上關(guān)于系統(tǒng)科學(xué)的思想和關(guān)心的核心科學(xué)問(wèn)題可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)科學(xué)方法集中在處理統(tǒng)微觀個(gè)體通過(guò)相互作用形成整體性質(zhì)這一關(guān)鍵問(wèn)題上。概率，然做系得到態(tài)。對(duì)衡非常果，用在許領(lǐng)域分析中，與是之間作用觀合作應(yīng)的現(xiàn)，組織多的，統(tǒng)學(xué)特關(guān)于臨現(xiàn)象為系研究要現(xiàn)許多是遠(yuǎn)的開(kāi)放統(tǒng)，用平計(jì)物建宏聯(lián)系以下法就成為研究系統(tǒng)性質(zhì)的常用方法。自頂向的系學(xué)方接從以量系入立決狀態(tài)演的觀動(dòng)學(xué)程，環(huán)境因?qū)ο笛萦?，通分理論論系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的突變。自底向的多擬方個(gè)體及的關(guān)系從基的模型與模擬入手，考察系統(tǒng)微觀行為與宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系。已有關(guān)各領(lǐng)性質(zhì)表明間用統(tǒng)的體行要影響所以系統(tǒng)作用就系質(zhì)的礎(chǔ)。概念是畫(huà)系性質(zhì)工具復(fù)就科學(xué)研究從科學(xué)性的角度來(lái)說(shuō)，物理學(xué)——關(guān)于物理世界的心智（數(shù)學(xué)）模型——是迄今為止，所有自然學(xué)的從思概念技用都還它學(xué)企及。此，學(xué)的須從獲個(gè)養(yǎng)。數(shù)學(xué)心智模型的最終結(jié)構(gòu)，是所有的自然科學(xué)的語(yǔ)言和結(jié)構(gòu)。因此，系統(tǒng)科學(xué)——為更一般的實(shí)際系統(tǒng)尋找心智（數(shù)學(xué)）模型的學(xué)問(wèn)，也必須從數(shù)學(xué)中大量吸取營(yíng)養(yǎng)。按照這個(gè)思，的主要內(nèi)設(shè)如。另外，教學(xué)來(lái)講程教以廣、自、學(xué)上的培、學(xué)方向味。讀究及學(xué)后對(duì)料和研究實(shí)例的整理——制作反映學(xué)生理解和思考的概念地圖，是本課程的特點(diǎn)。這門(mén)課的缺對(duì)學(xué)解力高的要求，對(duì)學(xué)習(xí)動(dòng)也有求—對(duì)術(shù)興趣學(xué)生中學(xué)東西。更一般來(lái)說(shuō)是為知識(shí)地、步學(xué)率。體的已知道，如為這服全的?，F(xiàn)這對(duì)現(xiàn)有識(shí)的理解直接知的于提效率掌握學(xué)方法對(duì)一的概，要強(qiáng)調(diào)法（圖和理型學(xué)對(duì)知解、擇關(guān)完整一個(gè)創(chuàng)新。2.章節(jié)具體內(nèi)容第零章課程目標(biāo)和學(xué)習(xí)方法（1學(xué)時(shí)）0.1課程基本目標(biāo)0.2理解型學(xué)習(xí)方法和概念地圖第一章關(guān)于科學(xué)的討論（4學(xué)時(shí)）1.1科學(xué)、數(shù)學(xué)與現(xiàn)實(shí)1.1.1數(shù)學(xué)作為語(yǔ)言思考的語(yǔ)言，集合、映射的語(yǔ)言的重要性舉例：“蘋(píng)果的加法運(yùn)算”到底是定義在哪一個(gè)集合上的運(yùn)算：蘋(píng)果的集合、蘋(píng)果數(shù)量的集合、還是冪集1.1.2數(shù)學(xué)作為結(jié)構(gòu)從事物中抽象出關(guān)系，把關(guān)系整理成為數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，找到一個(gè)事物自身最切合的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)舉例：位置坐標(biāo)存在加法運(yùn)算嗎，還是位移矢量？矢量加法的一般性和舉例舉例：交換律不滿(mǎn)足的操作（翻轉(zhuǎn)三角形），矩陣1.1.3數(shù)學(xué)建模事物的狀態(tài)，事物的狀態(tài)的變化——操作，最合適的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)舉例：位移的矢量模型，運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)點(diǎn)模型舉例：最優(yōu)編碼與信息熵:概念實(shí)世來(lái)的1.1.4科學(xué)的實(shí)用主義1.2科學(xué)方法與科學(xué)研究1.2.1歸納與演繹的邏輯，科學(xué)的可證偽性歸納的作用和局限，天下烏鴉一般黑，可證偽性1.2.2批判性思維舉例：平面幾何（論證中每一個(gè)步驟都需要理由，都可能不成立）、伽利略關(guān)于“重物落的快”的論證（不是結(jié)論對(duì)就是對(duì)的，或者論據(jù)對(duì)就是對(duì)的，不是大人物說(shuō)的就是對(duì)的，通過(guò)替換對(duì)象來(lái)考察隱藏的邏輯假設(shè)以及凸顯事物的本質(zhì)特征）1.2.4觀察、實(shí)驗(yàn)和理想實(shí)驗(yàn)舉例：天體運(yùn)動(dòng)的觀察和理論的發(fā)展、伽利略滑塊、愛(ài)因斯坦的電梯、薛定諤的貓1.2.3心智模型和理論舉例：天體運(yùn)動(dòng)的模型（地心說(shuō)、日心說(shuō)，本質(zhì)區(qū)別——是否可以問(wèn)為什么這樣運(yùn)動(dòng)，是否符合所有的觀察，是否簡(jiǎn)單）、量子態(tài)的數(shù)學(xué)模型閱讀材料：W.IB.Bevride, 《TheArtofScientificInvestigation 》CommiteeonSciece,Eninering,andPubic ，《OnBeingaScientis:AGuidetoResponsibleConductinResearch 》KarlPopper 《TheLogicofScientific 》AAS,《TheLiberalArtofScience:AgendaforAction 》Chapter2:TheReportGwes ，《Maheatcs:AShortIntroduction 》AlbertEistinandLeopldInfeld ，《TheEvoutionof 》Ricard 《TeChaacerofLaw 》Ricard ，《TheLctursonIII 》吳金閃能級(jí)體上的量力學(xué)》吳金閃《系科學(xué)導(dǎo)》第二章從科學(xué)到系統(tǒng)科學(xué)：系統(tǒng)科學(xué)的思想、目標(biāo)和定位（3學(xué)時(shí)）2.1概論和瀏覽沒(méi)有具體對(duì)象的限制的科學(xué)，關(guān)注多個(gè)個(gè)體的相互作用導(dǎo)致的系統(tǒng)行為，快速展示一些下面要講的例子2.2Moreis涌現(xiàn)性，整體性視角，舉例：漢字學(xué)習(xí)研究實(shí)例：“生命游戲”元胞自動(dòng)機(jī)、蟻群、阿米巴蟲(chóng)、股票市場(chǎng)2.3Moreissame一般理論的追求舉例：中心極限定理、廣義中心極限定理、臨界現(xiàn)象、冪律分布2.4幾個(gè)重要思想2.4.1系統(tǒng)必須的界定和層次性舉例：物理學(xué)的受力分析（按照研究目的來(lái)劃分系統(tǒng)）層次性，由于復(fù)雜性，我們不可能通過(guò)研究化學(xué)，來(lái)研究人類(lèi)的行為。舉例：求例子2.4.2力學(xué)思想無(wú)處不在狀態(tài)、狀態(tài)變化以及狀態(tài)變化的原因，演化，內(nèi)生變量和外生變量，自治和非自治系統(tǒng)舉例：一個(gè)小球和一個(gè)大球的運(yùn)動(dòng)，從位形空間到相空間，整個(gè)世界作為自治系統(tǒng)和系統(tǒng)的邊界的矛盾需要更多的例子2.4.3科學(xué)理論的普適性一個(gè)原理或者模型盡可能多地描述現(xiàn)象舉例：天體運(yùn)動(dòng)、異速生長(zhǎng)律、分形、1/f噪聲等2.5類(lèi)物理學(xué)的系統(tǒng)和復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)能動(dòng)性，體系元素內(nèi)部狀態(tài)類(lèi)物理學(xué)系統(tǒng)：社會(huì)力模型，人群疏散？復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)：生態(tài)系統(tǒng)、股市2.6類(lèi)比思維與涌現(xiàn)計(jì)算復(fù)雜性研究需要運(yùn)用類(lèi)比思維方法，但又不能僅僅限于類(lèi)比，而是把類(lèi)比背后的原理找到，從而將一個(gè)學(xué)科的概念運(yùn)用到其他學(xué)科中去。舉例：螞蟻覓食與蟻群算法、生物進(jìn)化與遺傳算法、其它的涌現(xiàn)計(jì)算的例子。2.7一點(diǎn)點(diǎn)歷史：非平衡與結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生熱寂說(shuō)、傳統(tǒng)物理系統(tǒng)的相變與開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生舉例：鐵磁相變，生命的產(chǎn)生的問(wèn)題，Rayleigh –Bénard流，時(shí)間之箭與進(jìn)化閱讀材料：JonHlad, 《Complexity:AVeryShortIntroduction 》P.nderson ，《MoreIsDiffrent 》AbrtEntnadepodIed ，《TheEvolutionofPhysics 》RicardFeynman ，《TheFeynman'sLecturesonPhysics,I 》H.Haken，《協(xié)同學(xué)》DILIPKONDEPUDIandILYAPRIGOGINE，《ModernThermodynamics:FromHeatEnginestoDissipativeStructures 》吳金閃《系統(tǒng)科學(xué)導(dǎo)引》第三章一些具有系統(tǒng)科學(xué)特色的研究實(shí)例（8課時(shí)）3.1整體運(yùn)動(dòng)的激發(fā)模式，涌現(xiàn)無(wú)相互作用系統(tǒng)中的粒子，相互作用系統(tǒng)中的準(zhǔn)例子舉例：繩子上的波，準(zhǔn)粒子，元胞自動(dòng)機(jī)（Life中的滑翔機(jī)）3.2相變與臨界性，涌現(xiàn)3.2.1Ising 模型臨界點(diǎn)、臨界慢化、相變1. 舉例：Ising模型3.2.2自組織臨界，涌現(xiàn)舉例：Bak-Tang-Wiesenfeld 沙堆地震3.3動(dòng)力學(xué)，周期分叉與混沌，相互作用與非線性舉例：種群生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)捕食動(dòng)力學(xué)，流量存量一致模型3.4網(wǎng)絡(luò)科學(xué)，相互作用