係統科學導引（第Ⅰ捲：係統科學概論） [Invitation to Systems Science] epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

適讀人群 ：係統科學的研究者、教師、學生，其他專業但是對交叉科學和復雜性研究感興趣的研究者、教師、學生，對什麼是科學、科學和數學與生活還有你自己的關係感興趣的一般讀者
本書作者力圖用較少的語言、較核心的概念來闡明“係統科學是什麼”這一問題。這是一項挑戰，考驗的是作者對係統科學這一學科産生和發展理解的深度，考驗的是對於係統科學賴以發展的科學基本理論掌握的程度和高度概括的能力。同時，作者將創新的理念貫徹全書並指齣瞭必須注意的要點，一是要具體化，另一項是聯係、聯係、再聯係。對於具體係統的關注，各傢會有所不同，但是總體上的目標是探索和發掘復雜係統這個未知世界的基本規律。

內容簡介

　　《係統科學導引（第Ⅰ捲：係統科學概論）》共3捲。《第I捲：係統科學概論》旨在通過具體研究工作的例子來展示什麼是係統科學，係統科學在什麼樣的問題中可以發揮作用，係統科學有哪些思維方式和分析方法。

作者簡介

北京師範大學係統科學學院教授，博導。
2011，博士，凝聚態物理理論，不列顛哥倫比亞大學物理與天文學係（UBC）
2006, 碩士，凝聚態物理理論，不列顛哥倫比亞大學物理與天文學係（UBC）
2003-2004, 博士研究生學習一年，西門菲沙大學物理係（SFU），之後轉入UBC
2002，碩士，統計物理學，北京師範大學物理係(BNU)
1999，學士，物理學，北京師範大學物理係(BNU)
從事量子輸運、統計物理（加權網絡）、量子博弈和量子力學基礎方麵的研究。

目錄

目錄
第I捲 係統科學概論
前言
第一章 引言：係統科學與科學 1
1.1 拋一塊磚：係統科學的思想、目標和定位 2
1.2 整體論和還原論、相互作用 4
1.3 關於科學和科學方法 9
1.4 科學和數學的關係：概念是對現實的抽象，抽象的結果是數學結構 14
1.5 劃分係統和確定考察的因素：熱寂問題和量綱分析 33
1.6 力學思想無處不在：狀態、狀態變化以及狀態變化的原因 39
1.7 普適性：一個概念、原理、分析方法或者模型盡可能多地描述現象 42
1.8 作業 44
1.9 本章小結 45
第二章 一些具有係統科學特色的研究實例 47
2.1 熱寂說與開放係統結構的産生 48
2.2 整體運動的激發模式，湧現 52
2.3 相變與臨界性的例子 63
2.4 相互作用，周期與混沌的例子 71
2.5 再一次用混沌的例子，確定性和隨機性 76
2.6 相互作用與網絡科學的例子：漢字研究 79
2.7 相互作用與網絡科學的例子：PageRank算法 91
2.8 相互作用與投入産齣分析：經濟學和科學學 94
2.9 係統生物學和化學反應網絡：流平衡分析 99
2.10 博弈與相互作用的例子 103
2.11 約束下定態與動態過程的優化的例子 106
2.12 作業 119
2.13 本章小結 120
第三章 概念地圖與係統圖示法 121
3.1 如何描述一個係統：圖示舉例 122
3.2 一般係統圖示法：概念地圖 126
3.3 反饋圖和可計算反饋圖 130
3.4 本體論圖 134
3.5 概念地圖、理解型學習和理解係統 138
3.6 作業 141
3.7 本章小結 142
第四章 網絡作為復雜係統的骨架 143
4.1 之前的舉例中的網絡視角 144
4.2 網絡的精神：幾何性和網絡效益 145
4.3 作業 149
4.4 本章小結 150
第五章 為什麼要學習數學和物理 153
5.1 第一捲總結：全書的結構 154
5.2 數學和物理作為係統科學研究對象和問題的來源 156
5.3 數學和物理作為係統科學思維方式和分析方法的來源 156
5.4 本章小結 157
參考文獻 159
名詞索引 165
人名與常用翻譯 169
插圖 173
舉例目錄 175
第II捲 係統科學的數學物理基礎
第六章 綫性代數
第七章 概率論
第八章 力學
第九章 統計力學
第十章 量子力學
第十一章 隨機過程
第III捲 係統科學的基本理論
第十二章 綫性與非綫性動力學簡論
第十三章 相變、臨界性與自組織臨界性
第十四章 網絡科學概論
第十五章 廣義投入産齣分析
第十六章 博弈論與演化博弈概論

前言/序言

《係統科學導引》序

方福康

看到吳金閃教授這本“係統科學導引”，明顯地感覺到與眾不同的地方：書名不叫導論，也沒有用引言這一類標題，而是用瞭“導引”這樣一種開放性的提法。這個提法明白地告訴讀者，本書要通過學習引導你考慮一些係統科學的基本問題，告訴你在哪些科學知識的基礎上去思考，如何去思考。從本書的內容和結構來看，很明顯的存在著三條主綫，即係統科學的發展進程以及其主要內容和成就，然後就是用去本書大量的篇幅論述作為一門科學其發展的理論基礎，特彆是數學和物理在建立一個理論體係中的作用，再者就是對如何進一步發展係統科學的思考。其實，這一部分發展係統科學的思想是貫穿全書的，因為“導引”的目的就是要引發讀者的思考，特彆是麵對係統科學這一新興學科所涉及的未知世界。



在一本篇幅有限的教材裏，要完成這三項任務是睏難的。這裏顯齣吳金閃教授與眾不同的地方，他誌存高遠，宣稱要用最少的語言、用最核心的概念來闡明問題。這是一項挑戰，考驗的是吳金閃教授對係統科學這一學科産生和發展理解的深度，考驗的是對於係統科學賴以發展的科學基本理論掌握的程度和高度概括的能力。當我們閱讀其力學和量子力學的二章，可以明顯地感到吳教授為實現他的諾言所做的努力。至於係統科學的展開和後續發展的內容，則由於這門學科發展的迅速，內容十分廣泛，不同學者會有他本人的取嚮和偏愛，隻要把係統科學的特點予以說明就可以瞭，盡管會具有濃厚的個人色彩。所以，對於吳金閃教授這本“導引”教材，如果仔細體會，無論對於係統科學發展的曆程，發展這門學科所需要的理論儲備以及如何去發展這門學科，都會受益匪淺，而對於初涉係統科學的青年學子來說，更是能啓迪他們的思維，更快更好地進入到係統科學這一廣闊的領域。



作為一篇序言，也是對應吳金閃教授“導引”二字的提法，下麵，沿著序言中所提齣的三個問題，提齣一些看法，作為一種意見參與討論，也可以算作序言的一個延伸部分。

（一）



在 2015 年北京大學的畢業典禮上，有一個著名的演講，當時身為生命科學學院院長的饒毅教授，代錶學校教師嚮畢業生緻詞。總共 1500 多字的講話，獲得瞭多次熱烈的掌聲。對於我這個讀者來說，看重是演講中的二句話，“從物理學來說，無機的原子逆熱力學第二定律齣現生物是奇跡”，“從生物學來說,按進化規律産生遺傳信息指導組裝人類是奇跡”。



一位生物學傢，能夠對科學的前沿作如此的概括，確實能使人感受到他的功力。實際上，所談到的第一個奇跡涉及到的是現代係統科學實質性的開始。這裏的要點是逆熱力學第二定律的提法，當學者們認識到在逆熱力學第二定律的後麵，還存在著一幅嶄新的畫捲，此時一個新的科學世界的曆程就開始瞭。在這裏有二個學者是需要提到的，一位是 N. Wiener，他最早對逆熱力學第二定律的世界有清晰的理念。他指齣“我們所做的是在奔嚮無序的巨流中努力逆流而上，否則它將一切最終陷於熱力學第二定律所描繪的平衡和同質的熱寂之中......我們的主要使命就是建立起一塊塊具有秩序和體係的獨立領地......我們隻有全力奔跑,纔能留在原地”[1] 。另一位要提到的學者是 I. Prigogine，他給齣瞭逆熱力學第二定律的物理內容和數學形式。這就是耗散結構理論。這個理論衝破瞭熱力學第二定律的限製，指齣對於開放係統，在遠離平衡的條件下，能夠形成一種相對穩定的結構，稱之為耗散結構。Prigogine 先是用實驗確切地在流體、化學反應二個係統中讓世人看到瞭這個相對穩定的耗散結構。再者，他證明瞭在熱平衡的綫性區是不可能齣現這種結構的，一定在遠離平衡的非綫性區，纔會有相對穩定的，稱之為耗散結構的齣現。然後，在論證和討論瞭耗散結構的各種性質特點之後，Prigogine 和他的 Brussels 學派，發展瞭一套數學理論，來定量地描述耗散結構形成的過程、性質和特點，並將其應用到各具體係統和領域，特彆是齣現瞭被稱為奇跡的生物。耗散結構的齣現，包括實驗和他的理論體係，使得突破熱力學第二定律的想法從議論變為科學。



在此之後到現在的 40 年間，無論從研究的領域，和理論計算的方法都有很大的發展。研究的領域，從最初 80 年代由 Science 提到的 7 個方嚮，發展到 21世紀初，由 Hoker 的歸納，有瞭 12 大門類，28 個學科領域，涵蓋瞭生命、神經、人類學、社會、經濟、軍事、管理等一切方麵。研究的方法，也從原初的數理方程，展開到應用計算機、網絡、大數據等現代信息工具。麵對著係統科學這樣一個龐大的體係，包括這門學科的興起、發展的曆程、多種數學工具的運用、涵蓋內容眾多的學科體係、以及這門學科仍在迅猛發展的勢頭，要在一本篇幅有限的著作裏，要詮釋這樣一件科學事件是不容易的。但在，吳金閃教授這部著作中,可以看到，他以自己獨特的風格完成瞭一個很有特色的答案。



然而係統科學或復雜性研究目前的進展並不令人滿意。雖然有眾多研究領域的展開，在研究工具上，網絡和計算機發揮瞭強大的威力，應用於各種具體係統也取得令人欣喜的結果，但是對復雜係統基本規律的探索並沒有取得實質性的進展，各個研究領域，各種研究結果，還是停留在己有的理論基礎上，隻是在外延上獲得發展和展開。像饒毅教授提齣的生物學奇跡的探索，涉及到進化規律、遺傳信息、組裝人類這樣一些實際上是復雜性研究核心理論問題的研究，並沒有獲得理論上的突破，還有待於係統科學的未來。



(二)



吳金閃教授這本“導引”著作的另一個顯著特點是認認真真的討論瞭係統科學所涉及的科學基礎。係統科學作為 21 世紀的前沿學科，討論的完全是一堆全新的復雜係統對象，從數理學科的角度來觀察，是從未係統地處理過的。而從耗散結構理論開始，復雜係統的研究顯然已經進入到瞭一個新的階段，即用數理科學的工具和方法，來獲得科學的定量化的結果。這樣的研究，與早期的係統科學研究如一般係統論那樣定性的討論是完全不同，在這裏需要的是實實在在的科學理論概念和處理實際問題的數理方法。因此在教學內容的選擇上，既要照顧到在科學曆史上那些行之有效，有成功經驗的數理科學方法，又要適當地介紹，隨著復雜性研究工作的進展，在近些年來新發展起來的工具和方法。這二方麵都有豐富的內容，而要在一個篇幅有限的教材中完成這二項硬任務是考驗吳教授的理論基礎和學術功力。吳金閃教授沒有迴避這個矛盾，他宣稱要用最少的文字語言來介紹這些最經典的理論，而實際上他是很齣色地完成瞭這個任務。在理論物理學的經典科學庫存中，吳教授選擇瞭力學、量子力學、和統計物理三門課程。其中量子力學是最能體現業務實力的，我們可以從吳金閃教授用最少語言的描述中，看看他是如何處理量子力學這門學科的。



量子力學作為微觀世界的奠基之作，與相對論一起，被稱為 20 世紀巔峰的成就，獨領風騷達半個多世紀。但是量子力學的核心內容隻不過是少數幾條基本原理（常見的提法是 5 條基本原理）。正是在量子力學基本原理的基礎上，搭起瞭處理各類微觀客體運動規律的理論框架。不僅如此，在精妙的數學描述下，量子力學的基本內容獲得瞭十分抽象而又十分精確的數學錶述。由量子力學的物理內容所揭示的微觀粒子的描述，不過是 Hilbert 空間中的一個矢量，或者說是在這個空間中所描述的一個狀態，算子作用於矢量，引起狀態的變化，而形成運動方程。Hilbert 空間中矢量的變換或描述狀態的方式變換，構成瞭錶象理論。用物理語言頗為費力的一些內容，在精巧的數學語言下變得簡單、精確。這種深刻的物理思想和精巧的數字語言的結閤，正是揭示物質運動基本規律最有力的工具。在吳金閃教授所寫的有關量子力學的章節，可以看到他用最少的語言而做的最大的努力，竭力將量子力學的物理抽象和涉及的數學語言傳遞給讀者。類似的，在力學這一部分，在極有限的篇幅中，不僅介紹瞭牛頓力學，而且要講到分析力學。綜觀全書，吳金閃教授始終強調物理觀念和數學思想的重要性。這樣的強調不僅是為瞭繼承，更是為瞭發展，為的是建立一個復雜係統所需要的理論，作好必要的理論儲備。



(三)



創新，是一門學科成長、壯大、發展的根本之道。係統科學的發展需要創新，而且是不斷創新。目前對係統科學最需要的，是對於復雜係統這個未知世界基本規律的掌握，並由此進一步建立起各種運算體係並解決具體課題。吳金閃教授的著作將創新的理念貫徹全書並指齣瞭必須注意的要點，一是要具體化，另一項是聯係、聯係、再聯係。對於具體係統的關注，各傢會有所不同，但是總體上的目標是探索和發掘復雜係統這個未知世界的基本規律。



首先會想到的問題，是世間事物的運動形式和發展規律，不應該隻停留在物理世界的物質和能量的理論框架內，特彆是涉及生命、神經、人類、社會這樣一群復雜係統或更確切的說是復雜適應係統。信息在係統演化和發展過程中的作用己十分明顯和重要。所以在理論框架上，應該建立起一個物質、能量、信息的三元素世界，在這個更寬的框架內描述他們的狀態，發掘其運動規律。但是在我們的科學寶庫中，並沒有現成的含有物質、能量、信息三元素世界的理論框架，物理學是 20 世紀影響較大的一門學科，涉及瞭微觀領域的各個部門和高速運行的客體等。但是，在物理學中隻討論物質和能量，不涉及信息。另外一門專門討論信息的學問——信息論，則是專門研究信息傳遞過程的，從信息源、信道，到信宿，討論的是信息如何準確傳遞，如何解決抗乾擾。在信息論中，也沒有涉及物質和能量的相互關係。所以在現有的科學庫存中，信息與物質沒有現成的交集，更談不到信息與物質相互作用的方式與內容。在這個領域內，無論是理論概念，或是計算方法，目前還沒有形成被大傢所公認的並可被大傢接受的理論成果。



盡管信息與物質的相互作用其規律還沒有被充分揭示，但已經有很多學者和實際工作者關注和討論瞭信息的重要作用，並做齣瞭許多有意義的啓示，為進一步解決這個問題提供瞭準備。早期有生物學傢湯佩鬆，後來錢學森、徐光憲也有過論述，周光召還提齣瞭信息與物質的相互作用，在社會係統中會起主要的作用。之後，隨著對信息的研究展開，徐光憲先生提齣瞭人工信息量的概念，並進行瞭量值的初步的估算。不同於依靠生物自然進化而形成的自然信息量，人工信息量是指人類由於有瞭語言以後所生成的信息。徐先生的估算人類自然信息量的總量為10的35次方 bit 量級，而全球人工信息總量估算是 10的20 次方 bit 量級，且每年約以30%的速度增長[2]。徐先生的人工信息量的概念實際上是為人類建立瞭一套完全不同於生物自然進化而形成的信息係統，不妨稱之為第二信息係統。這套建立在語言發展基礎上的人類所特有的第二信息係統，在人類的發展壯大和人類社會的形成和進步起到瞭決定性的作用。首先，由於語言的産生和第二信息係統的形成使人類與動物界徹底分離開來，逐步成為自然界的主宰[3,4]。然後，由於第二信息係統的不斷發展與完善，並與物質生産、社會體製相互結閤逐步完善，使得人類從一些弱小的種群，發展壯大成為強大的族群，直到形成社會和國傢，成為在地球上目前最為強大的生命體。



信息與物質相互作用的重要性是清楚的，但是迄今為至還沒有一個信息與物質相互作用關係的數學錶述形式，需要作一些試探。遵循著達爾文所指齣的語言對人類發展的關鍵作用，最近我們討論瞭語言作為信息對人腦這類物質的發展過程。在實驗數據的支持下，我們得到瞭這一類包含信息物質運動的數學錶達形式，可以用一個非自治的動力方程來描述，其中信息與物質的相互作用是方程中含時間$t$的驅動項。這樣的一個計算結果僅是一個單例。它雖然給齣瞭信息與物質相互作用在這個具體問題中的錶達式，但並不一定顯示齣是一種普適的形式，因為信息與物質相互作用是復雜的，存在多種錶現形式，現在我們還未能窺測他的全貌。但無論如何，在這裏我們找到瞭一種具體的信息與物質相互作用的數學錶述形式及其所反映的科學內容，希望能成為一個好的開始，在探索復雜係統的基本規律上獲得進步。

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