係統科學導引（第Ⅰ捲：係統科學概論） 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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內容介紹
　　本書共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。

目錄
目錄
第I捲 係統科學概論
前言
第*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*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

在綫試讀
第*章引言：係統科學於科學
　　1.1 拋一塊磚：係統科學的思想、目標和定位
　　1.2 整體論和還原論、相互作用
　　1.3 關於科學和科學方法
　　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
　　1.5 劃分係統和確定考察的因素：熱寂問題和量綱分析
　　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
　　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
　　1.8 作業
　　1.9 本章小結
　　這一章我們企圖給係統科學做一個定位，討論其典型研究對象、典型問題、典型思維方式、典型分析方法，和世界以及其他學科的關係。一個學科的這五個方麵閤起來我稱為這個學科的“學科大圖景”。然後，我們會用整本書的例子來讓大傢進一步體會我們對這個學科的這樣一個定位。
　　引言中的很多部分都會在後麵的章節中展開闡述，其中我們也會提到很多的應用性研究的例子。實際上，所有的應用性研究的例子，我們都可以把它們放到導言裏麵來，起到開闊大傢眼界的作用。有些例子我們選擇放到具體章節中，有可能是它們在技術細節和細節概念上要求更多，不太適宜放在讀者學習各個章節的具體概念和技術之前來做一般的討論。這個基本上就是導言部分的例子和其他章節內部的例子的*一的區彆。所以，從這個意義上說，引言部分就是本書的主題思想所在，本書的核心就是引言部分。當然，不理解後續章節，有可能很難真正理解引言部分。我們推薦本書的讀者在瀏覽完本書之後，來決定怎麼看；我們也鼓勵看完整本書的讀者迴過頭來，再來看一遍引言部分；讀者們也可以把本書的引言部分當 做係統科學的普及讀物，僅僅閱讀本章，然後在後續章節中選擇少量閤適的例子做進一步的瞭解。
　　另外，在前言中我已經提到，整本書是具有內部自相似性的：本書的後麵的部分可以看做是引言的展開，引言可以看做前言的展開，每一個例子的闡述方式也是學科大圖景的一個側麵的展示。我希望讀者可以多做這些有聯係的思考，甚至通過多次反復來欣賞這個內部自相似性。
　　1.1 拋一塊磚：係統科學的思想、目標和定位
　　任何一門學科，要成熟就必須有自己的研究對象，自己這個學科的目的，核心的概念和分析方法。 我們已經提到係統科學還沒有成熟到能夠把這些內容成體係地整理齣來。在這裏，我們嘗試對這些問題給一個答案，不求精確，不求永恒，但求對這個學科的成熟有一定促進作用。我們認為所謂係統科學，就是把來自於屬於具體科學領域(例如物理學、化學、生物學、信息科學、計算機科學等) 的思想和方法抽象和提煉齣來——通常這個抽象和提煉的結果是一個數學結構， 然後把這些思想和方法應用於更加廣泛的其他領域的問題的研究。也就是說，係統科學是一個來自於具體係統，同時以具體係統為*終的研究對象， 但是其基本理論又不在具體係統的層次上的科學。這個定位使得這個學科非常像數學。但是，兩者不是完全一樣：數學，盡管本質上也來自於現實世界，隻要邏輯上自洽是可以不接受實踐的檢驗的①係統科學是科學，而科學*重要的特徵是來源於現實世界，並接受實踐的檢驗。因此， 哲學的以及完全從心智來構造的係統科學的理論是不存在的。當然，倒過來，係統科學的哲學思考， 當係統科學本身已經比較明確的時候，是可以存在的。
　　因此，我們把什麼是係統科學以及係統科學的基本任務和研究對象、目標總結為下麵的列錶。
　　科學性 ：批判性思維，用數學結構描述現實世界，從現實世界提煉數學結構，並通過實驗和實踐來檢驗兩者的關係
　　係統性 ：係聯性思考，融閤和跨越學科領域來解決問題、發展科學，促進思維方式、分析方法、概念甚至問題的遷移和創新
　　典型研究對象 ：包含多個個體、個體之間存在相互作用相互聯係、沒有具體領域的限製
　　典型研究問題 ：從整體的層麵來關心係統的行為
　　典型思維方式 ：整體視角和還原視角的融閤——從係統內部元素以及元素之間的關係開始，從孤立到有聯係，從直接聯係到間接聯係，從個體到整體的角度來研究問題
　　典型分析方法 ：科學研究方法 (觀察、猜想、抽象化模型化、數學化、實驗和實踐檢驗)，網絡科學以及其他對相互作用的計算分析方法 (係統圖示法、廣義投入産齣分析)，湧現與相變 (集體行為、臨界性和自組織臨界、動力學係統的相變——定態、分支)
　　和世界以及其他學科的關係 ：從具體係統中來，提煉一般概念與方法，到其他具體係統中去，促進對具體問題的理解和解決，促進其他學科的發展
　　其中“整體視角和還原視角的融閤”這一條，在本書中有的時候也稱作係聯性思考。當然，通用的科學思維：批判性思維、實際係統和理論模型之間的的可驗證或者至少可證僞但是迄今沒有被證僞的這個關係，毫無疑問也是係統科學的核心思維方式。在典型分析方法上，還可以列進去一些更通用的分析，例如統計分析、用隨機過程建模、計算機數值計算和數值模擬等等。但是，正是由於其通用性一般性，就不再列在這裏當做係統科學的特點瞭。可以看到係統科學天生具有交叉學科性。因此，很多學科的研究者開始找係統科學的研究者閤作。這當然是很好的事情。但是，要注意，係統科學的研究者第*具有有限的具體領域的知識，第二隻能夠研究具有前麵提到的係統性特徵的係統和隻會這樣的具有係統性的思維方式和研究方法。
　　在係統科學的目標，也就是和世界以及其他學科的關係，這一點上，Mobus 和Kalton 的Principles of Systems Science(《係統科學原理》)[17] 一書有比較好的論述。在他們的書裏麵*簡潔的總結是“is about understanding”(就是關於理解的事情)。什麼是理解？理解就是不斷地追問為什麼，而且要衝著係統內部的元素之間的關係去問為什麼。這樣的為什麼通常會自動跨過領域的鴻溝，要求你從對一個元素的理解跑到對另外一個元素的理解，要求你從一個子係統看到另外一個子係統，還能夠不迷失在大量的子係統的樹木之中，還看到森林，看到對你一開始關心的整體問題的理解的促進。見樹木又見森林，這是對係統科學目標是“促進理解”的另一個比較好的錶述。在 Mobus 和 Kalton 的Principles of Systems Science (《係統科學原理》)[17]，Senge 的The Fifth Discipline: The Art & Practice of The Learning Organization[18]，Sherwood 的Seeing the Forest for The Trees: A Manager's Guide to Applying Systems Thinking[19]，Boardman 和 Sauser 的Systemic Thinking: Building Maps for Worlds of Systems[20] 都有類似的錶述。甚至它就是 Sherwood 書 [19] 的標題。我自己還特彆喜歡下麵這句話：係統科學洞徹聯係 (Systems Science: See Through Connections)。我把它當做瞭我郵件的簽名。它錶示瞭下麵三重意思：通過聯係來看清楚係統的元素和整體，通過瞭解係統看清楚這個係統和其他係統的聯係，通過把世界看做聯係來建立一個理想模型從而洞徹這個世界 (的某個方麵)。
　　盡管有瞭前麵我提到的這基本講什麼是係統科學的書，還有本書，但是，係統科學還遠遠不是一個成熟的學科。因此，我想再強調一遍，本書對什麼是係統科學的總結僅僅是一個嘗試，一塊引玉的磚。實際上，這就是本書對係統科學的認識。在後麵的章節中，我們將用大量的例子來促進大傢理解對係統科學的這個認識。
　　1.2 整體論和還原論、相互作用
　　有的關於係統科學的書籍，大部分是科普書和哲學書，非常強調係統科學“整體大於部分之和”，“1 + 1 > 2”的特點，進而批判還原論，高度贊揚整體論。有的甚至認為整體論纔是科學的未來。我要說的是，沒有還原的整體是空的假的整體，還原和整體思維兩者必須結閤。這也就是通常所說的分析與綜閤的結閤。
　　我舉一個簡單的例子，來說明什麼是還原論。例如你電腦壞瞭，你怎麼辦？*簡單的辦法是換一颱，主機和顯示器一起換。采取這個方案的人大概不用懂得電腦的知識。如果想節省一點點成本，科學和還原論可以幫你忙。大概來說，稍微懂得一點點科學思考方式的話，你就可以識彆齣來那部分壞瞭：找到另一颱能用的大概型號相同的電腦 (假設我們找得到這樣的電腦。要是找不到，以下的思想還是適用的就是需要你懂一點電腦模塊型號的知識)，按照模塊，替換一下。例如，更換顯示器，看看是不是可以用瞭。以下假設一個毛病，多個毛病同時齣現的情形先不討論。如果還是不能用，錶現一樣，就按照模塊，替換下一個，例如內存條。如果還不行，復雜一點，顯卡、硬盤、主闆等等。也就是把能夠拆下來模塊都試試。知道哪裏齣問題瞭，就去更換哪一個模塊。當然，如果你懂得電腦，其實，能夠從癥狀直接瞭解大概哪一個模塊的毛病。但是，隻要懂得還原論——去考查一個係統的下一個層次的模塊 (或者叫做單元，子係統)——和基本的科學思維——這裏也就是“換一個好的來對比”的邏輯和“做實驗”的方法，那麼你就可以用更低的成本來修好的電腦。實際上，我們還可以把這個按照模塊來做替換實驗的方法用到下一個層次：例如，如果問題齣在主闆身上 (例如，替換型號一緻的主闆之後，電腦可以運行瞭)，則我們可以直接替換整個主闆，或者再來考慮主闆上的顯卡、聲卡、網卡還是主闆本身，甚至更進一步，考慮主闆本身的電容的問題還是 CMOS 電池的問題，而不需要更換整個主闆。從這個例子，你已經看見，還原論的思想，是一個多麼自然的解決問題、認識世界的方式。不遵循還原論的科學是不存在的。從這個例子，我們還看見瞭，可以在不同的層次，逐層遞進的方式，來運用還原論。
　　既然有逐層遞進的問題，那麼，自然也就有瞭整體論的問題。實際上，每一個層次的功能模塊，都是一個“整體”——我們可以在一定程度忽略這個模塊的內部細節而僅僅關注這個層次的整體提供的功能這個整體如何跟其他的子係統聯係起來。沒有整體的科學，那將是人類完全不可能理解的科學。很多時候，我們需要把一個係統看做一個單元，而不需要考慮其下層細節。這樣當考慮這個係統的上層結構的時候，更加方便。因此，還原論和整體論完全沒有衝突，完全是相輔相成的。經常說物理學是還原論的科學，為瞭認識世界，竟然要去認識比原子還小，比原子核還小的東西。可是，你沒有注意到的是，物理學關心的這樣的問題，實際上和宇宙的起源、碎瞭的雞蛋不會自己恢復成好的雞蛋、光為什麼會有不同的顔色甚至形成激光——一種光的協調模式，這樣的問題是息息相關的。物理學一直知道，瞭解粒子物理，僅僅是一個步驟，為瞭迴答物態物性、宇宙的過去現在和未來等問題，總要考慮把各個基本單元重新閤起來會怎樣，這樣的問題的。因此，整體論提供的是這樣一個視角：不要認為不斷地拆分就能夠解決問題，有的時候從已經瞭解的各個部分再一次閤起來不是一件平庸的事情。例如，將來我們會看到，有的獨特的在個體的層次不會齣現的現象會在整體的層次湧現齣來，而且一般來說這樣的“再次閤起來”的分析計算技術不是那麼簡單。
　　我記得小的時候，修理自行車的師傅，給補胎、修飛輪裏麵的鋼珠。現在的師傅經常是換胎、換飛輪。當然，根本原因是經濟發展瞭，導緻人工成本提高。不過，我們也注意到，實際上就是以前的師傅和現在的師傅都懂得還原論和整體論——你看沒讓你直接換自行車，隻不過以前的師傅做到瞭拆分第二層——雖然他不會一直拆分下去給你用原子物理方法來修一修鋼珠然後再放迴去，而現在的師傅就停留在隻拆分一層。造成這個差彆不是說還原層次多少的好壞，而是社會和科學發展階段等外界條件的不同。那為什麼師傅也是懂得整體論的呢？他明白當把各個組建中心組閤起來的時候，整體上起到的是另一個各個部分自己並不具有的功能，而且有可能某些結閤的部位結構的方式需要得到特殊的照顧，纔能使得整體功能更好。因此，修車師傅們是懂得還原論、整體論，懂得相互作用 (結閤) 的重要性的人。
　　這個問題的另一個側麵，就是瞭解瞭各個下一個層次的單元之後，並不錶示瞭解瞭整體。例如，一堆沒有組裝成為電腦和自行車的元件，不等於電腦和自行車。這些元件，通過相互作用——在這裏這個“相互作用”就是什麼地方與什麼元件采用什麼方式結閤——結閤起來之後實際上各個部分之間一般還會存在力的相互作用甚至物質或者信息的交流，整閤起來之後，形成瞭其各個部分都不具有的整體的功能。這個就是整體大於部分之和。學習過物理學的人都知道，如果一個係統裏麵有兩個以上的單元，而且這些單元存在相互作用，那麼，其能量就絕對不是兩者之和，還存在著一個相互作用項。這個就是“整體大於部分之和”的含義。非常的平庸。隻不過，在係統科學裏麵，除瞭能量，我們還關心其他的東西，例如功能。這個更加廣義的關注點，使得整體大於部分之和，顯得更加有意義一些。不過，也是
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