复杂性科学漫谈.ppt
复杂性科学概述
复杂性科学概述一复杂性研究的孕育和产生简单与复杂是一对含义相反的术语，历来是在相互比较的意义上使用的：一个事物或事件或问题未被认识、没有找到解决办法前是复杂的，被认识、找到解决办法后就成为简单的了，因而算不上科学或学术概念。
直到1990年代初，复杂性科学传入国内不久，我国科学界的领袖人物仍然持这种看法。
从400年来的科学传统看，这很正常。
1、事情的变化肇始于20世纪初，后来被称为系统科学的早期探索者正是复杂性研究的拓荒者。
控制工程、通信工程等技术问题，特别是军事对阵的定量分析、电话拥挤现象分析、企业管理、投入产出分析等事理问题，既产生了应用自然科学方法作定量分析的强烈要求，又遇到单凭自然科学方法不能解决的困惑。
尽管还没有把复杂性提炼成科学概念，但在思维的深处已把复杂性不再只当成尚未认识的简单性，事实上已经把复杂性当作复杂性对待。
决定性的一步是由创立系统科学的那一批学者迈出的，提出一些研究复杂性必不可少的概念，如系统、信息、通信、控制、反馈等，着手制定新的科学方法论。
贝塔朗菲表达了他们的共识：“我们被迫在一切知识领域中运用‘整体’或‘系统’概念来处理复杂性问题。
”（《一般系统论》）维纳把动物、机器、社会一起作为科学的研究对象，以信息、通信、控制、反馈为基本概念。
认识最透彻、眼界最深邃的是信息论专家韦沃尔，在《科学与复杂性》（1948）一文中，第一次把复杂性作为科学概念，把科学研究的对象划分为简单性和复杂性两类，判定20世纪以前科学研究的是简单性，20世纪以来的科学研究复杂性，并提出无组织的复杂性和有组织的复杂性概念，认为20世纪上半叶科学研究的是无组织的复杂性，20世纪下半叶科学转向研究有组织的复杂性。
这些看法对近60年来的科学发展产生了深远影响。
《科学与复杂性》一文是复杂性研究的宣言书。
2、1940年代尚不是复杂性科学的诞生期，对复杂性的认识还很笼统，关于复杂性的概念体系尚未建成，对新的方法论的理解还比较模糊，赞同韦沃尔观点的学者还是极少数。
漫谈地球科学PPT课件
地球的历史与演变
9400万年前
白垩纪晚期，恐龙 快要灭绝了，面积 最大的一块古大陆 解体，古海洋出现 在各块大陆之间， 中国的南北方已经 靠拢。
地球的历史与演变
1400万年前
中新世，地球 的海陆格局已 经与现在基本 一致，欧亚大 陆之间的青藏 高原基本形成。
地球的历史与演变
地经
球科
的学
海预
陆测
剑桥大学有个卡文迪什实验室，从外面看 起来比较简陋，但到目前为止已经出了26 位诺贝尔奖获得者。
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地球的历史与演变
地球的历史与演变
地球大约形成于46亿年前。46亿年间,整个地球发生了天翻地覆的变化。具体是怎么演变的呢？
左图是6.5亿年前的地球。 黑色部分是这一时期的古 大陆，蓝色是古大洋，两 个红箭头分别代表现在中 国领土南方和北方的位置。
地球的历史与演变
5.1亿年前
地质年代上叫寒武 纪。图中代表中国 北方和南方的红色 箭头位置发生了变 化，我们可以通过 中国位置的变化知 道地球在这一时期 的海陆变迁。
地球的历史与演变
2.5亿年前，地质时代上叫二迭纪。古大陆中间有一片古海洋叫特提斯海，它所在的位置就是从今天的青
藏高原向西经过中东到地中海这一片区域。另外，代表中国南北方的红色箭头在2.5亿年时开始靠拢了。
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地球是浩瀚宇宙中的“天之骄子”
地球是浩瀚宇宙中的“天之骄子”
在浩瀚无际的宇宙中，星球不可计数，直到现在我们只 发现地球拥有生命。地球是生命的摇篮，核素是它的细 胞，岩浆是它的血液，地震是它的脉搏，火山是它的喉 咙，它朝气蓬勃日夜运转，遨游在广袤太空，养育着数 以亿计的生灵。以人类视角看，在太阳系的八大行星中， 以人类视角来看，地球最有生气、最有作为，是当之无 愧的“天之骄子”。
复杂系统及其方法论PPT课件
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系统与系统科学
对于系统科学来说，一个是要认识系统，另一 个是在认识系统基础上，去改造、设计和运用系 统，这就要有科学方法论的指导和科学方法的运 用。
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主要内容
现代科学技术的发展 系统与系统科学 综合集成思想与综合集成方法 综合集成理论与综合集成技术 综合集成工程
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综合集成思想与综合集成方法
综合集成方法的实质是把专家体系、信息与知识体系以及计算机体系有机结合起来，构成一个高度 智 能 化 的 人 ·机 结 合 与 融 合 体 系 ， 这 个 体 系 具 有 综 合 优 势 、 整 体 优 势 和 智 能 优 势 。 它 能 把 人 的 思 维 、 思 维 的 成果、人的经验、知识、智慧以及各种情报、资料和信息统统集成起来，从多方面的定性认识上升到定量 认识。
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系统与系统科学
另一方面，从应用角度来看，根据上述性质，为了使系统具有我们期 望的功能，特别是最好的功能，我们可以通过改变和调整系统结构或系统 环境以及它们之间关联关系来实现。但系统环境并不是我们想改变就能改 变的，只能主动去适应。而系统结构却是我们能够改变、调整和设计的。 这样，我们便可以通过改变、调整系统组成部分或组成部分之间、层次结 构之间以及与系统环境之间的关联关系，使它们相互协调与协同，从而在 整体上涌现出我们满意的和最好的功能，这就是系统控制、系统干预 （Intervention）、系统组织管理的基本内涵，也是控制工程、系统工 程等所要实现的主要目标。
复杂性科学.ppt
2.国内外复杂性科学研究现状
2.3 复杂性科学研究方法(续) (3)复杂系统的数值模拟
遗传算法(Genetic Algorithm) 、 系统动力学 (System Dynamics)、 元胞自动机(Cellular Automata)、 SWARM方法、胞映射方法等。
2.国内外复杂性科学研究现状
2.4 当前复杂性科学研究的热点问题 （1）研究主题：
自组织行为、系统相变、涌现现象 （2）系统建模：
相互作用粒子系统的相变适应模型 （如金属磁化模型）、自组织临界模型 （如砂堆模型）、人工股票市场模型、 人工生命（如元胞自动机模型）、群体 智慧（如神经网络模型）等。
2.国内外复杂性科学研究现状
2.4目前复杂性科学研究的热点问题(续) （3）复杂性研究的统一框架？
2.2 国内研究历史与现状(续)
(2）在自然科学领域： 郝柏林（1990年出版英文《Chaos Ⅱ》
，涉及物理学中的混沌、湍流等问题）、谢和 平（1996年出版《分形岩石力学导论》）、 魏一鸣（1998年发表论文“自然灾害复杂性 ”）、於崇文（2001年发表论文“成矿动力 系统在混沌边缘分形生长－一种新的成矿理论 与方法”）等。
2.国内外复杂性科学研究现状
2.3 复杂性科学研究方法(续) (2)复杂系统的模型分析
混沌动力学模型(Chaos Dynamics), 系统动力学模型(System Dynamics), 自适应系统(Self-adaptive System), 复杂适应系统(Complex Adaptive
System)等等。
2.国内外复杂性科学研究现状
2.2 国内研究历史与现状(续)
（3）在社会经济管理学科领域： 金融市场复杂性； 混沌经济学； 非线性经济学等等。
复杂性科学一文讲透复杂性科学及其复杂适应系统模型
复杂性科学⼀⽂讲透复杂性科学及其复杂适应系统模型任何⼀个门学科在创⽴初期，都会有不同的声⾳，或⽀持，或反对，或提出⾃⼰的主张。
复杂性科学（姑且叫复杂性研究吧，免得引来⼝⾆之争），⼀个刚刚初具雏形的理论却能在⽣物界、免疫系统、社会、经济、产业、城市等给予共性⽅⾯的⼤尺度解释，可想⽽知⼀些⼈会对之充满热情，⽽⼀些⼈则极⼒反对。
什么是复杂性?这个问题看似简单，其实是最复杂、最难以回答的问题。
复杂性研究之所以产⽣，是因为⼀些研究和⼀些⾼度复杂的⾃然现象、社会发展、经济系统之间具有深刻的相似性。
这个实例包括我们⼤众所熟知的⼤脑、免疫系统、细胞、经济等，说它们相似，并不是说必然存在掌控这些不同系统的唯⼀原理，⽽是说这些系统都表现出“适应性”“类⽣命”“智能性”“⾃发涌现性”的⾏为。
复杂性科学复杂性科学是在现有的学科体系下继续追究终极的⼀个产物，所以它天然的是跨学科的、更是跨尺度的，哪怕是在复杂性科学的圣地：圣塔菲研究所，也⽆法准确的给出复杂性科学的定义；所以，学习复杂性科学，⾸先要“掌握⼀些基础学科的重要道理”，尤其是底层的、决定性的原理，然后再尝试着去从“交叉学科”中的“普遍规律”着⼿，去找到这个普遍规律与重要学科的重要道理之间的联系，才能逐渐打开视野并深⼊实践下去。
然⽽，这种研究⽅式最终⼀定会让我们在研究的过程中“脱实向虚”，最后看起来越来越像⼀个哲学家。
理解复杂性为什么要研究复杂性呢?主要原因是⽜顿机械论时代之后，⼤家已经习惯了“观察--抽象—建⽴范式--分析和预测”的循环。
但领域越来越来细分、范式越来越不稳定，这个时间⼤家惊讶的发现单⼀理论体系下衍⽣出来的范式经常受到跨学科的要素的影响，因此⼤家才⽇益重视“跨学科的底层逻辑”，期待着⼀个更基础、更稳定的底层逻辑的出现，为⼤家建⽴⼀个更稳定的认知范式。
就像互联⽹刚兴起的时候，⼤家最经常提到的⼀个词是“跨界打动”和“能消灭你的对⼿都是你平时看不见的”，其中⼀层意思就是：你现在的⾏业中的商业范式会因为另⼀个⾏业与你所在的⾏业产⽣和交集⽽被推毁。
复杂性科学及其方法论意义(文科博士生学位课讲座)课件.
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探索复杂性运动
【耗散结构论】 Dissipative
• structure theory 创始人：[比利时]物理化学家,普利 高津(获得1977年化学诺贝尔奖金)。 中心思想：也称为非平衡系统自组 织理论。一个开放系统在达到远离 平衡态的非线性区时，一旦系统的 某个参量的变化达到一定的阈值， 通过涨落，系统可能发生突变,即 非平衡相变。 由原来无序的混乱状态转变到一种 时间、空间或功能有序的新状态。 从化学研究中发现了“非平衡是有 序之源”、“通过涨落而有序”的 重要原理。
• • • • • • 创始人:苏波格丹诺夫。奥地利理论生物学 家贝塔朗菲(相片) 中心思想:任何事物都可以视为系统,从整体 的角度看待和处理世界上的一切事物。 所谓系统,是由相互联系相互制约的若干部 分,按一定规则组成,具有一定功能的整体。 系统可概括为:组织起来的整体; 输入;输出; 为了一个目的。 突出事物的: 整体性、有机性、动态性、有 序性。 系统论后来发展成为一大类横断性综合性 的学科,硬的成为系统科学:有系统工程等。 软的称为系统哲学:有软系统方法等。 系统论为复杂性探索奠定了一个基本的思 想框架。颠覆了自伽利略到牛顿创立的经 典科学的轨道。
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引子/问题
【复杂性问题】 • 天气预报、地震预报 • 三体问题 • 股市、金融危机 • 社会文明方式的兴衰(苏东解体;世界大战突然爆发) • 宇宙起源、万物创生 • 生命起源、物种多样性的产生、灭绝和进化 • 细胞繁殖 • 大脑神经运动的机制和意识的产生 • 医学上不明原因的病变(心律;失调性疾病;癌细胞 增长;组织的死亡和再生)
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探索复杂性运动
【控制论】 Cybernetics • 创始人:[罗马尼亚]奥多布来扎 (1938《协调心理学》)和 [美] 数学家维纳(《控制论―动物和 机器的控制和通讯》)(照片) • 中心思想:一切都是控制,一切事 物及过程都可以从控制的角度 来认识。认为,控制就是信息变 换和能动的过程。 • 提供了一套新概念和方法:调节 回路、 因果性、 目的性；方框 图、黑箱、传递函数等。
第七节 复杂性科学-现代
简单巨系统
• 子系统数量多，相互作用简单；使用统计平 均，N趋于无穷 • 两个层次问题，存在涌现，实际无法解决 • 重点研究非平衡统计（外界控制下系统形成 有序结构）
复杂巨系统I （复杂适应性系统）
• 子系统有学习、适应能力；整体有序结构呈 现某种分布，用数学式子难以表达；层次之 间存在涌现 • 计算工具采用计算机程序，分析子系统之间 相互作用 • 信息作用突现
系统论的奠基人是美籍奥 地利生物学家贝塔朗菲 （1901～1971年）。
2、系统论的基本概念 系统论是研究系统的模式、原则和规律，并对其功能 进行数学描述的一门学科。 所谓系统，是在某一环境中互相联系的若干元素所组 成的集合体。 • 一定数量的元素 • 一定的结构 • 整体具有目的性 系统的结构 ——系统内部各要素之间相互联系和相 互作用的方式，也可以理解为系统内部要素的秩序。 系统的功能 ——系统在与外部环境相互联系和相互 作用的过程中所具有的行为、能力和功效。
系统科学学科结构
• 简单系统（牛顿力学体系） • 复杂系统 简单巨系统（非平衡统计物理） 复杂巨系统 复杂适应性系统（生物生态系统） 开放的复杂巨系统（社会系统）
简单系统
子系统数量少，相互作用简单（计算机使用， 子系统为几十个） • 可以解决问题测度为零（线性谐振子、二体 问题、氢原子），近似方法大量应用 • 线性体系，叠加原理
三、系统科学产生的社会历史条件
• • • • • 社会实践对象的复杂化 社会实践活动的信息化趋势 杜会实践活动的自动化趋势 社会实践的组织化趋势 科学技术的应用化趋势
三、系统论
1、系统论的产生和发展 20世纪20年代，奥地利学者贝塔朗 菲在研究理论生物学时，用机体论批 判并取代当时广为流传的机械论，形 成有机体系统概念，建立机体论生物 学。从30年代末起，贝塔朗菲转向于 建立一般系统论，1945年在《德国哲 学周刊》上发表重要文章《关于一般 系统论》，是他建立一般系统论的宣 言书。1968年，贝塔朗菲出版了《一 般系统论──基础、发展、应用》一 书，标志着这门学科已到了成熟的地 步并有了新的发展。
复杂系统及其复杂性科学概述
➢ 复杂社会系统：社会泛指由于共同物质条件、经济条 件、信息条件等而相互联系起来的人群、集团、公司、 组织等
人作为子系统参与其中
第6章
6.2 复杂系统的分类
6.2.3 复杂自然系统、复杂工程系统、复 杂社会系统
➢ 系统科学的发展是从研究复杂自然系统，到研究人造 复杂工程系统，再到研究复杂社会系统，即从研究自 然物，扩展到研究人工物，再到研究人类社会发展过 程
➢ 有机系统（organic system）由许多高度特 化的、相互联系紧密的、不同种类的组分组 成的系统
有机系统易于进行功能描述，其中组分的功能是 通过在维持系统处于期望状态中的作用加以定义 和刻画的
典型的是生物体系统
第6章
6.2 复杂系统的分类
6.2.1 多体系统、有机系统、控制系统
➢ 控制系统（cybernetic system）把多体系 统和有机系统结合起来的系统，如神经网络
启示：组织管理者要减少计划和控制，激发自组织
➢ 了解相干环境
组织管理者要了解相干环境，应创造自组织产生的条件，创 造信息凝聚而非仅仅是兴趣共享
➢ 了解产生凝聚的能力
组织管理者最重要的不是组织的集体的力量而是个人产生凝 聚的能力
第6章
6.5 复杂性科学
6.5.3 复杂性科学思想方法的启示
➢ 整体和部分的共同进化
人是一个如此复杂和统一的控制系统，以至于许 多人都不愿意研究由人组合起来的系统
对其他系统的刻画用“行为”表示就足够了，而 对人的刻画用“行为”表示就不成，因为人有意 向性行为
第6章
6.2 复杂系统的分类
6.2.2 非平衡系统、复杂适应性系统、开 放的复杂巨系统
➢ 非平衡系统：由无生命子系统组成的系统，每一个子 系统非常简单，子系统之间的相互作用也简单
复杂性科学
复杂性科学的简介兴起于20世纪80年代的复杂性科学(complexity sciences)，是系统科学发展的新阶段，也是当代科学发展的前沿领域之一。
复杂性科学的发展，不仅引发了自然科学界的变革，而且也日益渗透到哲学、人文社会科学领域.英国著名物理学家霍金称“21世纪将是复杂性科学的世纪”。
复杂性科学为什么会赢得如此盛誉，并带给科学研究如此巨大的变革呢?主要是因为复杂性科学在研究方法论上的突破和创新.在某种意义上,甚至可以说复杂性科学带来的首先是一场方法论或者思维方式的变革。
尽管国内外学者已经认识到研究复杂性科学的重要意义，然而要想找出一个能够符合各方研究旨趣的复杂性科学的概念还有困难.虽然目前人们对复杂性科学的认识不尽相同,但是可以肯定的是“复杂性科学的理论和方法将为人类的发展提供一种新思路、新方法和新途径，具有很好的应用前景”.黄欣荣认为尽管复杂性科学流派纷呈、观点多样，但是复杂性科学却具有一些共同的特点可循：(1)它只能通过研究方法来界定，其度量标尺和框架是非还原的研究方法论。
(2）它不是一门具体的学科，而是分散在许多学科中，是学科互涉的。
(3）它力图打破传统学科之间互不来往的界限，寻找各学科之间的相互联系、相互合作的统一机制。
(4）它力图打破从牛顿力学以来一直统治和主宰世界的线性理论，抛弃还原论适用于所用学科的梦想。
(5)它要创立新的理论框架体系或范式,应用新的思维模式来理解自然界带给我们的问题。
复杂性科学是指以复杂性系统为研究对象,以超越还原论为方法论特征，以揭示和解释复杂系统运行规律为主要任务,以提高人们认识世界、探究世界和改造世界的能力为主要目的的一种“学科互涉”(inter—disciplinary)的新兴科学研究形态。
复杂性科学研究主流发展的三个阶段复杂性科学研究主流发展的三个阶段主要是指：埃德加·莫兰的学说、普利高津的布鲁塞尔学派、圣塔菲研究所的理论。
(1)埃德加·莫兰的学说埃德加·莫兰是当代思想史上最先把“复杂性研究”作为课题提出来的人。
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复杂性科学是二十一世纪的科学！
——钱学森、霍金 and so on……
为什么要研究复杂
• 被割裂的知识体系
• 真实世界是怎么回事？ （多样性，纷繁芜杂）
知识的学科层次
• 数学、哲学、历史学 • 人类学、艺术人文
• 政治学、社会学 • 经济学、语言学、工程科学 • 心理学、信息科学、脑科学
蚁群优化、粒子群优化、鱼群优化 • 群机器人
复杂行为=简单规则+丰富关联
进化
• 时间尺度的涌现
• 繁殖、竞争、适应、遗传、变异
• 协同进化：狼与羊、共生、拟态
• 物质
人的智能
？
小世界网络
• 介于规则网络和随机网络之间 • 六度空间：
连锁信实验 漏斗效应
• 链接、联系
大成智慧工程
• 综合集成研讨厅体系 钱学森指出：处理开放的复杂系统的方法论
从简单到复杂，不断演化 复杂系统：生物系统、生态系统、脑系统、社会系
统、经济系统、各种网络
叠加性 可分解性
还原论
线性系统
系统论 控制论 信息论
1+1=2
人类的认识
混沌（初值敏感性、 不可预测性）
分形（自相似性） 自组织
整体性 进化 涌现 群智能
非线性系统
耗散结构论 协同学 突变论
1+1≠2
复杂系统
复杂适应系统理论
1+1＞2
Complexity Science
• 复杂性科学就是研究复杂系统的科学。
• 复杂系统：由众多要素构成，要素之间具 有复杂的非线性关系的系统。
• 复杂性：结构复杂性、功能复杂性、组织 复杂性、算法复杂性、确定性复杂性、集 成复杂性、物理复杂性、生物复杂性、经 济社会复杂性
• 生物学，生态学 • 化学
• 物理学
复杂系统的层次结构
• 世界系统、国际组织 • 政治、国家、与军事 • 文化、艺术、科学 • 经济（民有、国有、非赢利非政府部门） • 心理、认知、感情与精神生活 • 技术、农业、物质生活
• 生态地理
世界来自何处
• 达尔文：进化 • 老子：道生一，一生二，二生三，三生万物 • 宇宙大爆炸
圣塔菲研究所
贝纳德对流
自组织self-organization
液体
激光
蜜蜂
蚂蚁
涌现emergence
• 整体具有而部分不具有的东西，称为涌现
• 复杂的事物是从小而简单的事物中发展起 来的
老子——“有生于无” 霍兰——涌现的本质是由小生大，由简入繁
• 涌现来源于非线性
群智能
• 群智能 • 群智能优化算法
哲学启示
科学的不完整性
我们该怎么办？
向经验学习！
中医？
开放与封闭
哲学启示
怀疑与继承
中庸OR个性？
哲学启示
创造性与艺术
哲学启示
定量还是定性？
是“从定性到定量综合集成方法”（综合 集成法） 专家群体智慧的涌现！ • Seminar和聊天室 • 自由开放反思的氛围、深层次对话、有效 互动
哲学启示
关于“出牌”----用简单来应对复杂！
《道德经》---复杂世界生存指南 “道常无为而无不为” “上善若水”
哲学启示
直觉的重要性！ 把握整体！
汤川秀树《创造力与直觉》 最顶尖的科学家、政治家、企业家 无不重视直觉的作用。