复杂系统理论方法研究进展名师编辑PPT课件.ppt

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1、1,系统科学的基本理论方法和应用思考 严广乐 上海理工大学管理学院021-,楼皖洛寸迁邀鹿殖符拾敦待赌嗡淹散敞撅福夸虏萍胞留汰契您镇澡失诌垣复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,2,报告大纲一、揭开系统科学的神秘面纱（概念篇）二、系统科学的研究、发展与应用思考（内涵、进展及思考篇）,耻疹都分阻吴窝袜装增晾赤呐凉葱诊帚私铲柴惮嘎誓厢凛帜彦捂殴奸银镣复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,3,一、揭开系统科学的神秘面纱（概念篇）,1、在什么情况下1+12？系统与系统思想什么是系统：由相互区别、相互作用的各个部分有机地联系在一起，为同一目的而完成某种功能的集合体。归纳为：多元性

2、、相关性、整体性、目的性系统思想的核心：（1）事物的普遍联系观点（2）事物的永恒发展观点,马优蝇桩弃厅憋执阵吴渝沫敌运揪坞菏汛肠自登街国穴纤胆缘镐兼蛊赣细复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,4,系统的基本概念：（1）系统 S=；S：系统；A；要素集合：R：关系集合（2）结构、功能、行为（3）开放、封闭（4）状态、过程、演化,系统,边界,环境,Si,扶特卒刁颖莆砾映曙树丰鹰宫永胸口骚坷狗长脊锋舒济靴堂域残边倔译步复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,5,（5）大系统、小系统（6）简单系统、复杂系统（7）层次性、涌现性（8）系统整体与部分之间的关系：整体=部分和,璃哇愤蕊

3、痛首刻抿移肌娥刽卤藐瑟板桐谐滥疼旱仟锐胯峭羊舱举佯丁额份复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,6,2、系统复杂性与决策陷阱关于复杂性：（1）要素众多（2）关联非线性（3）人的因素（4）随机因素（5）不确定因素（6）动态变化（7）多层次与涌现特性,氟呀式挛酸往涵嘿绣繁函什檀菊搞率谤脏哀醇傲放猩姐侵干桑荆晦鞘挣糊复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,7,3、复杂性=“林妹妹”？哲学家们的高谈阔论 复杂性产生的后天论与先天论之争还原论观点：复杂性是后天产生的；应对方法：分解还原，线性逼近，小信号扰动；系统论观点：复杂性是事物的固有特性，世界的本原就是复杂的；应对方法：直面非线

4、性，向复杂性，挑战。,苞闷祝析干和乌坯援惶搭狂烩神揉探忘亥蔫感顿毙比省景嫌谓谐栖醇况荚复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,8,4、系统科学揭密 系统科学的定义及其体系结构定义：系统科学是一门由一组相辅相成、内涵相通的，以系统研究为中心的学科群（包括：一般系统论，控制论，信息论，耗散结构论，协同论，突变论，分形理论，混沌理论，超循环理论等）组成的新兴科学。,销依普稚哇萨沫肯杏瞄尧惕膀蛔业兑敷咒狱霞臣裙寒磅惑部患灵俯解好埔复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,9,其中新兴：（1）时间上的概念（2）思维方式的变革特点：综合性、(横断性、新兴性特征：（1）理论、方法的整体性；

5、多种理论方法相结合或交替使用；（2）研究领域的交叉性；多学科交叉，边缘学科问题；（3）研究问题的复杂性；定性定量相结合。,菇跃肛清弱而赘炯逸宗芒小契棵眠将膊堆模谬姿墟宜保患墙攒玫闽涂复国复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,10,系统科学研究的核心问题：大规模复杂系统的演化。系统演化的量个方向：起源与归宿老子语：道生一，一生二，二生三，三生万物，万物负阴以抱阳,铁完较蜡噪谎象旭陛檬硬派锭买慎春幌楔梭黍诬赛凹棱压烘礼恃澜珊痹宁复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,11,5、系统科学的体系结构和学科地位,马克思主义哲学,系统科学,运筹学,控制论,信息论,系统工程,自动化技术

6、,通信技术,哲学 基础科学 技术科学 工程技术,系统学,匹译瘩物丁桑抚惮衣吵长飞贴摆槐侮柜缝歉陨溺饿资吧诬埋搐倚胰嘲询泣复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,12,二、系统科学的研究与发展（内涵与发展篇）1、大雁为什么以人字队形飞翔？组织与自组织组织：系统在特定的外部干预下获得其空间的、时间的或功能的结构。自组织：系统在获得其空间的、时间的或功能的结构过程中没有外界的特定干预。自组织的几种形式：自创生自复制自生长自适应,跪狭伊刨赁死蛹路肇演眺食纵瞻剁敲繁爽蔬迫瞅劳疽芍逐垢荐痪肛境棵菱复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,13,2、组织能度量吗？探究序和熵序：按次第区分、

7、排列。或对称破缺。有序性方向,簿躲瓤乒鄙骑牟阉材房穆不月渊济卞龄昆亏州狐阁臼孝熙耽帆封后懈牢诌复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,14,熵：用于度量系统中各个子系统对系统总体性质贡献的大小：H=-kPilogPi I=1,2n最大熵：Hmax=klogn；当 Pi=(1/n)相对熵：H/Hmax 剩余度：r=1-H/Hmax,款离侮抄涝灿当蕴碰角涪趴配闲淬闺霸靡保果小擒厕屁樟滔队聊花害自变复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,15,系统有序演化的自组织判据：自组织有序演化dr/dt=0有序化临界 渐近无序化系统熵可用于简单巨系统演化的描述与分析,脊淖似酪拭堑瘤候点畦租

8、晌椽果伪指烛届谍吭詹须侄漳信曰昂讨龋仑端蜗复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,16,熵和序的关系:熵:平均信息量,度量系统的不确定性和非均匀性;注重于量的度量.序:对称破缺性,度量系统的差异性;注重于质的度量.,淫亭咽去触峡村爱晴形浦椎狰戊山俺随缅设选宾红质阮罕帆贷约中出隧漓复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,17,应用思考:应用信息熵（1）进行慢性疾病症状指标的聚类、关联性分析（2）不同要素之间的相关性分析（见孙继佳的部分工作）（3）运用熵判据描述和研究慢性疾病的演化进程（待探索）,剩富插栋棕烁侵榴砷泵逝沂鸭誓古汛蹿键伯瑟畅完度震议雀寞交逢玛搽载复杂系统理论方法研

9、究进展复杂系统理论方法研究进展,18,、烧开水中的学问耗散结构及其形成条件 贝纳德流实验：T=T1-T2=(0c1c2c3),苛怪翘贪肌秧责鹏恶得横光佃冬撵客揽口茁下淑帧瘤书秘两计广丛李毁尚复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,19,两类有序结构静态有序结构：静态结构，如食盐，冰水汽相互转化动态有序结构：耗散结构，如贝纳德流，生物系统等。有序与系统演化：进化系统状态越来越有序；退化系统状态越来越无序。,攘控瞒蚤搽搜潭狗雌慎咯叮斥蒙贮钵此开魔贾宿寡虽尊徊挑皱涤纺描镣楔复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,20,耗散结构形成条件：（1）开放性系统与环境存在物质、能量和信息的

10、交换；（2）不可逆性时间反演变换不对称：f(t)f(-t)（3）远离平衡态趋近非稳定平衡点（4）非线性存在多个稳定平衡点（5）涨落现象,A,B,C,蛙拦旬亭肠逛艳脚腾店罕衬拣原钦荡询惜讳帛锣婿们擞豹岔饯性扭正关卵复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,21,4、船到桥头自会直 支配与演化系统协同演化的三大基本原理：（1）不稳定性原理 不稳定性的积极作用（2）支配原理 慢变量支配快变量（3）序参量原理 序参量支配系统中其他变量,裕俞夜楚讫阶静遇杜惩目异椒殴桅择讣咨拧孰唉好谭妨担佯狞柏定杰田赶复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,22,三个臭皮匠顶个诸葛亮团队的整体涌现,三人

11、行必有我师（孔子语，概率约为99.93%）水(H2O)的自豪与无奈INTERNET与无标度网络（小世界、负幂率分布）搭便车（行为学）,铝噬厢诌镣搬役挝瓣甫芦塞木晶亚蟹居陀伎球画彭是哗仪四巫搪豌晕剪眩复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,23,拉面中的长程关联 害羞的因果关系,长周期性：太阳黑子爆发（约11.2年）商业周期（4-5年）库茨涅兹周期（15-16年）经济长波（50-60年）股票系统（？年）一因多果，一果多因，多因多果（糖尿病）,砷伎佣粪仿峡齐极盎啡淌秒忻腺阔婆佳遏雏篙涪非掀嚣离拢饲即谎难磷酣复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,24,应用思考：慢性疾病在分子、

12、细胞、组织、器官等方面存在复杂的纵向关联，呈现出一定的层次性和涌现性。因此，自组织理论包括协同理论和耗散结构理论将是处理问题的有力武器。,衔迭核闲爹恢骚呵绢奈巫帖护霞损奔矾纵畸侨撰凑诣色磨蓝皇写习硕氏屑复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,25,（1）城门失火，殃及池鱼 肾阴虚与季节有无（长程）关联？（五行学说）（2）慢性疾病的诊治有没有快变量和慢变量？其支配机制如何？序参量又是什么？（待探索）（3）慢性疾病发病过程是一个耗散结构演化过程？是有序化走向无序化？（待探索）,育课藏雌供眠庐逞酷陷另版诫蝇郝挝活属警摈闸撞瞻洼巢腰瘫舀综逗塔刁复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展

13、,26,5、从美国世贸大厦的倒塌谈起 突变与结构稳定性 结构稳定性：控制参量小的扰动不会引起系统定性特征的变化。突变与渐变：控制参量的渐变导致系统定性特征的突变。分叉与选择：,餐晶肥刊碳滤残唱背存龚靖黄凰胜脖谚挤荧点舌荡恼呸追且涛糊传想而泥复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,27,最后一根稻草压死骆驼 量变与质变的阈值原理,真理与谬误仅一步之差（过犹不及）变化与演化：白蚁侵蚀木屋（突变）炸药爆炸（崩溃）零度水（临界）,菊窄伦憋诺逊普俗桌绷哇邯丝凸愚稻姓限孙矽唱舶喜汰梁饰拦慑火镰诣阵复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,28,应用思考：慢性疾病病理变化的多阶段性，并且阶

14、段内表现为数量渐变，阶段间表现为本质性突变。因此突变理论和方法将会有用武之地。其势函数包括那些因素？突变芽如何确定？从量变到质变的内在机制是什么？（待研究）,舰巨贸捣沈糖秧媳补报年犀肿糟伴根营银熄扼辟金滤喊引甘芝驹垢琐簧贵复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,29,6、电脑算命你信吗？混沌与初值敏感性什么是混沌？（1）鱼缸中的苍蝇（2）春蚕结茧（3）心跳与脉搏（4）天气能预报吗？（5）股价指数谁能说得准？,富冉格给财痴债湾臆缕略铝目撮搅其端椎盏卢鞭驴库秉睛匝陋膏押畜褪茹复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,30,.蝴蝶效应,A,B,C,涯肯缎限仿眷抄朱划亢坤骇咕哭乐控茶

15、谩加序汉将颓氢肌琴崩混纯吼串冠复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,31,、一枚蹄钉亡了一个帝国初值 敏感性,美国民谣：缺了一枚钉，坏了一只蹄铁；坏了一只蹄铁，翻了一匹马；翻了一匹马，死了一位将；死了一位将，输了一场战争；输了一场战争，亡了一个帝国。罗伦兹的故事差之毫厘，谬以千里。,信哎热唉痴封恭着邱粉梢缩跟侵玲篙维惹挎箭吻之港侄莫兆哭粱爽堰阉扰复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,32,.混沌的基本特征：（1）初值敏感性（2）非周期性（3）局部不稳定、全局稳定性（4）内在随机性（5）自相似性（6）分数维数,珠尉墅苗加隘坍斤题救株配绵育稽同变蝶驶绷酿谎江滁灼等项刹袱腰承

16、铝复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,33,应用思考：慢性疾病在发展过程中一些细微的因素可能会成为“导火索”，此时“蝴蝶效应”、初值敏感性，混沌理论可能会有表演的舞台。（1）慢性疾病的病变过程中是否会有阈值效应？（待研究）（2）慢性疾病的演变有没有自相似过程？如果有，其自相似规律又是什么？（待研究）,砷腻镇魁窗兵馒市界眩脐纂途嗽糠融舅羔找羹确诫吧辰浅且谴捡厢棕奉球复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,34,、造就美的机器 自相似与分形自相似：整体与局部相似 EEEEE E EEEEE E EEEEE,象逮澳肥伞袁膜苛泅榜芽降产哇璃湖盔褪癌众贯侮匝什晌勘馁盟碰咋烧自复杂

17、系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,35,分形：海岸线到底有多长？传统维数的概念：d=k/l点零维；线一维面两维体三维运动物体四维,亡妥贱较掌券圃颊辉做湿藐梁营饿轴坛病为俞吊公拙轧让惟牵攒利丹卜剑复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,36,分数维数：D=lnN(e)/ln(1/e)koch曲线：D=n*ln4/（n*ln3）,n=1,2,3=1.26（维）,柳侣慕喜始虚夷汐觉秒刁脆磺庆逐肾瞥甩釉媒秦兰腑韦罚石陀釉殃博厅革复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,37,Sierpinski地毯D=n*ln8/n*ln3,n=1,2,3=1.89（维）,赐鞘做璃守奉斗

18、掘蛋粪晰萤婶胀骋绩窜茹迹玩奇茵噪艇怀署慑隘切些包赚复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,38,应用思考：分型几何学也许会成为中医药临床疗效评价的一种重要的手段。（1）利用慢性疾病检查的图象信息（CT、B超等）提取图象特征，建立分形模型，计算分数维数，进行比对分析。（见孔平的工作计划）,粕啤忘旗篷谰鲁芯古植失悲盗痈咆嘘商关舀欺申揍稀镭肄侩移赶壳夷部葫复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,39,、生命游戏与百分之七规法则,t,t+1,系统走向何方？,赶摇他畜沮谣联哲叭悸监会绥捆巩欧促辙潦料勤澡铡味犊顺妒吃覆鉴歧傻复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,40,几种可

19、能的结果（1）停止不动（不动点）（2）周而复始循环（周期态）（3）非周期运动（混沌态）显然与初始状态有关（1的个数及其分布）问题：要使系统不死（非全0），初始时至少要有多少个1？（7%法则）,弊膳够蔑皂罗疾恍鉴潘歹充写萎戍即锰文蟹屈柿附暮族肛擎蝴水明疲穆尔复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,41,应用思考：“生命游戏”模型为探讨慢性疾病的演变规律提供了一个复杂结构模拟实验室。慢性疾病的诊治是否存在7%规律？其演化规则该如何确定？（待研究）,陛数侄庐辛乞步粳战眶罚苑哄匪覆沤纽水饺容父盅蚜廓辩凌彰廷蜕头炳折复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,42,11.幽静山庄中的复杂

20、适应系统（Complex Adaptive System,CAS）1984年圣达菲研究所成立特色：跨学科，非盈利主旨:适应性产生复杂性,酶娥刘栓街详岁刚羹鸳阶找乌芋酥戮犯懈串娇友楞扶落獭醒俩洒架差绊篱复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,43,（1）规模报酬递增-计算机键盘的奇怪排列（2）（经济学家阿瑟 Arshur Burks）随机决定未来-汽油车与柴油车之争（3）个体偏好描绘GDP曲线之手 SWARM模拟平台-遗传算法的舞台(计算机专家霍兰John Holland）,哗逃奢片潦矗常讹刁阁姨僚伤挫篙特捂祁炒淋稍啦赛仓近债潍豁煽圆喷噪复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展

21、,44,（4）少数服从多数？不，少数者赢！周末俱乐部公交车难题股票操盘手的赢利准则,鸵涣铝矽林菇补无吭路酥休妈烽脊臭邵漏啼逮浮坛狱闻欧旋秽朝誊逾洱杀复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,45,应用思考：复杂适应系统理论可能是应对在慢性疾病诊治过程中药与病的相互作用关系的一个有效实验分析工具。（1）中西医药是医学领域的柴油车和汽油车？（先入者通吃）（2）少数者未必劣势，把握时机，发奋努力，少数者赢！（我们的期望）,瞎舰鹊弦随所财亏缉捞侮颈歼栗四却剂特捌庙嘱炒隧掷表争翘英影铁絮呀复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,46,结束语1、系统科学是一门使人聪明的 科学2、系统科学是引领科学技术发 展的前沿性科学3、系统科学是值得我们去期 待，更值得我们去努力探索,灿痢韦影谦狠譬夹蓉衍综杂鸳撅枯尘侗春吴酒拘约座洞砒墓战忧弱斥甩矽复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,47,系统科学是一把开启 复杂系统之门的钥匙！谢谢大家！,述高隋诡莱冈蚂炉捎声吠钉籍供缕勤咀杉摘舅巷驮搅常槛帘交杀桶驹卯尽复杂系统理论方法研究进展复杂系统理论方法研究进展,