才能形成有序结构建立自组织涨落原理系统理论与方法精品课程.ppt
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①复杂系统的自创生不是单纯的自整合过程，还包括自稳 定、自维持、自适应、自学习、自复制等多种自组织形式。
②建立复杂自组织的动力学方程并非易事，较为有效的方 法是计算机模拟。如著名的模型“阿斯彭”系统，就是对经济 系统自创生的计算机模拟，其可以大大逼近真实系统的自组织 。
鱼鳞状的云树叶有规则的形状龟背的图案贝纳德benard对流液体静止热传导液体对流传热大导热板距离很小平衡态稳定的非平衡态出现宏观有序对称对称对称破缺蜂窝模式俯视图自组织领域涉及的是事物自发自主形成结构的过程在这种过程中存在特有的自组织特征条件环境和动力学规律
自组织ห้องสมุดไป่ตู้论
自组织理论
自组织现象 自组织理论的历史背景 自组织理论的核心概念 自组织方法论简述 自组织的条件 自组织原理 自组织的形式
突变论则从数学抽象的角度研究了自组织的途径问 题
超循环论解决了自组织的结合形式问题
分形和混沌理论，则是从时间序与空间序的角度研 究了自组织的复杂性和图景问题。
在这样的定位下，不同的方法论不存在逻辑冲突， 它们是一个序列，是一个研究自组织各个方面和全 过程的方法论集合体，它们各自在整体的自组织方 法论中有自己的“生态龛”。
关于系统的定义，不同学科由于研究范围和重点的不同，常 常给出不同的定义。
在技术学层次上，通常采用我国科学家钱学森的定义：系统 是由相互制约的各部分组成的具有一定功能的整体。
在基础科学层次上，通常采用美籍奥地利生物学家贝塔朗菲 （Luduig Von Bertalanffy）的定义：系统是相互联系、相互 作用的诸元素的综合体。
在近阶段，混沌理论标志了人类对客观世界的认识已进入了 一个新阶段：不仅对“非此即彼”的明晰形态，而且对“亦 此亦彼”的过渡性形态都能进行研究。
自组织原理
自组织原理自组织的研究对象主要是复杂自组织系统(生命系统、社会系统)的形成和发展机制问题，即在一定条件下，系统是如何自动地由无序走向有序，由低级有序走向高级有序的。
自组织由以下理论构成：1.耗散结构论主要研究系统与环境之间的物质与能量交换关系及其对自组织系统的影响等问题。
建立在与环境发生物质、能量交换关系基础上的结构即为耗散结构，如城市、生命等。
远离平衡态、系统的开放性、系统内不同要素间存在非线性机制、系统的涨落是耗散结构出现的四个基本条件。
远离平衡态，指系统内部各个区域的物质和能量分布是极不平衡的，差距很大。
2.协同论主要研究系统内部各要素之间的协同机制，认为系统各要素之间的协同是自组织过程的基础，系统内各序参量之间的竞争和协同作用使系统产生新结构的直接根源。
涨落是由于系统要素的独立运动或在局部产生的各种协同运动以及环境因素的随机干扰，系统的实际状态值总会偏离平均值，这种偏离波动大小的幅度就叫涨落。
当系统处在由一种稳态向另一种稳态跃迁时，系统要素间的独立运动和协同运动进入均势阶段时，任一微小的涨落都会迅速被放大为波及整个系统的巨涨落，推动系统进入有序状态。
3.突变论它建立在稳定性理论的基础上，认为突变过程是由一种稳定态经过不稳定态向新的稳定态跃迁的过程，表现在数学上是标志着系统状态的各组参数及其函数值变化的过程。
突变论认为，即使是同一过程，对应于同一控制因素临界值，突变仍会产生不同的结果，即可能达到若干不同的新稳态，每个状态都呈现出一定的概率。
4.协同动力论有三大要点：第一，在大量子系统存在的事物内部，在平权输入必要的物质、能量和信息的基础上，须激励竞争，形成影响和相互作用的网络；第二，提倡合作，形成与竞争相抗衡的必要的张力，并不受干扰地让合作的某些优势自发地、自主地形成更大的优势；第三，一旦形成序参量后，要注意序参量的支配不能采取被组织方式进行，应按照体系的自组织过程在序参量支配的规律下组织系统的动力学过程。
高中通用技术豫科版必修2课件- 3.2 系统的结构和层序(共13张PPT)
（三）结构的分类
关于读书的作文：书,我最好的朋友 关于读书的作文:书,我最好的朋友 读书是一种享受,可以不出家门就能欣 赏到壮 丽的山 河美景;读书让 我明白 了许多 的 做人道理;读书还增长了我的知识面,给 我带来 了许多 快乐! 很小的时候,我就躺在妈妈的怀里,听妈 妈读《 婴儿画 报》, 看着那 些生动 有趣的 图 片,听着妈妈委婉动听的声音,我入了迷 ,连觉 都懒得 睡,睁着 大眼睛, 一个劲 地让妈 妈 往后读。慢慢地,我也喜欢上了读书,识 字以后 ,我便 开始自 己捧着 书,津津 有味地 读
二、系统的层次与秩序
（一）系统的层次
系统之所以有不同的层次，是由于系统和元素具有相对性。 在一定时空范围内是系统，在更大的时空范围内则是元素。反之， 在一定时空范围内是元素，在更小的时空范围内却是系统。
二、系统的层次与秩序
（二）系统的秩序
秩序可以具体地理解为组成系统的诸要素在时间、空间 中的相对位置。例如，它可以反映为时间的先后、空间的分 布、比例的大小等。讨论秩序问题时，可以把有序理解为事 物之间规则的相互联系，把无序理解为不规则的相互联系。 没有相互联系的事物群体是非系统，不存在秩序问题。组分 （元素、子系统）之间的联系方式可能是规则的、确定的， 也可能是不规则的、不确定的。
（三）结构的分类
从系统意义看，结构是千差万别的，有多种分类方法。以下是常 见的两种分类方法：
1.空间结构与时间结构 元素在空间中的排列分布方式（代表元素间一定的相互作用方
式），称为空间结构。如晶体的点阵结构（图3.10）、建筑物的立体 结构等。系统运行过程中呈现出来的内在时间节律，如地球一月球系 统的周期运动、生物钟等，称为时间结构。还有一些系统可能会呈现 出时空混合结构。
自组织原理
自组织原理结课论文摘要：一般来说，组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。
德国理论物理学家H.Haken认为，从组织的进化形式来看，可以把它分为两类：他组织和自组织。
如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织；如果不存在外部指令，系统按照相互默契的某种规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构，就是自组织。
自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。
一个系统自组织功能愈强，其保持和产生新功能的能力也就愈强。
例如，人类社会比动物界自组织能力强，人类社会比动物界的功能就高级多了。
关键词：八个自组织原理正文：（一）涌现原理：所谓涌现原理，通常是指多个要素组成系统后，出现了系统组成前单个要素所不具有的性质，这个性质并不存在于任何单个要素当中，而是系统在低层次构成高层次时才表现出来，所以人们形象地称其为“涌现”。
系统功能之所以往往表现为“整体大于部分之和”，就是因为系统涌现了新质的缘故，其中“大于部分”就是涌现的新质。
系统的这种涌现性是系统的适应性主体之间非线性相互作用的结果。
涌现是一种从低层次到高层次的过渡，是在微观主体进化的基础上，宏观系统在性能和机构上的突变,在这一过程中从旧质中可以产生新质。
“系统科学中，有一条很重要的原理，就是系统结构和系统环境以及它们之间关联关系，决定了系统整体性和功能。
也就是说，系统整体性与功能是内部系统结构与外部系统环境综合集成的结果，也就是复杂性研究中所说的涌现(E-mergence)。
”涌现过程是新的功能和结构产生的过程，是新质产生的过程，而这一过程是活的主体相互作用的产物。
自下而上式、自发性，涌现性是自组织必备的和重要特征。
（二）非线性原理：所有已知系统，当输入足够大时，都是非线性的。
因此，非线性系统远比线性系统多得多，客观世界本来就是非线性的，线性只是一种近似。
对于一个非线性系统，哪怕一个小扰动，象初始条件的一个微小改变，都可能造成系统在往后时刻行为的巨大差异。
系统自组织概述
容易产生的错误认识：系统越有序，其对称性越大。如晶体与 高温下晶体转化后的气体。
有序与系统对称性、描述系统演化方程的不变量三者有着密切 的关系。设系统演化方程组为：
dxi dt
fi ( x1 , x2 ,, xn )
(i 1,2,, n)
(5 1)
若系统存在某种对称性，则对应一个不变量，为状态变量的某
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(3) 系统的微观表现不同。静态有序的平衡结构的每一部分是不 变化的；动态有序的耗散结构，宏观上看，有确定的形状、规律， 但从微观上看，其每一部分是在不断变化的。贝纳尔图样是流体分 子微团不停运动而形成的一个宏观稳定的图形。
系统科学把动态有序结构作为研究对象。 分析系统有序与无序，通常考虑结构排列上的结构序以及在实 现不同功能上有一定先后的功能序。 结构序有三种形式。(1)空间序，子系统在空间分布上规律性； (2)时间序，系统演化过程中，时间上的先后次序以及周期性变化； (3)时空序，系统在时空维上的周而复始的变化。 功能序也称功能结构，指系统具有某种新的功能。演化过程不 仅要关心轨迹，更要关注表现出来的功能，也存在一定顺序关系。 研究处于起步阶段。
无序：系统组分之间混乱、无规则的组合，在运动转化上的无 规律性。
有序概念利用偏序关系来区别两个系统之间的差别；系统组分 之间具有某种偏序关系，则系统是有序的。
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理解序概念应注意以下几点： (1) 有序、无序是相比较的结果 状态有序一定是相对于另一个状态而言的。 (2) 系统之间比较是否有序总是依据某个规则 规则不同，其有序、无序的程度则不同，会得到完全不同的结 果。从导电性看，铝、锗(zhe)、氮气是有序排列；从密度看铝、锗 、氮气不是有序排列，而锗、铝、 氮气是有序排列。 (3) 有序、无序在一定条件下可相互转化 是系统的演化行为，出现质变。可以通过系统有序程度的变化 来分析系统的演化。
进化论系列讲座（三十一）_涨落与有序结构形成
73化 石2023年 第3期进化论坛郭建崴涨落与有序结构形成进化论系列讲座（三十一）前文说到，普利高津的耗散结构理论把远离平衡态作为自组织现象产生的必要条件之一。
除此之外，系统产生不稳定现象却又能形成稳定的有序结构的另一个必要条件，是系统的动力学过程中包含的非线性反馈步骤。
反馈的概念来自于控制论——系统输出的信息又被输入回系统，调节控制系统的再输出，这一过程称之为反馈。
反馈有正反馈和负反馈两种基本类型。
一般情况下，负反馈是维持系统稳定的反馈，正反馈则是放大系统偏离的反馈。
系统的动力学过程是否包含反馈步骤，情况大不相同。
一个远离平衡的系统，当其内部的动力学过程存在非线性的反馈时，不可逆过程不仅能够使系统的原有状态失去稳定性，还可以从中产生出新的有序结构，并且还能使有序结构稳定存在。
例如在生命活动中发生的各种酶的催化调节（即酶促反应）中，就存在非线性反馈的这种双重作用。
既能使酶活化并不断增强酶促反应，对有机体某种状态的稳定性产生动摇；又能进行抑制调节，使酶促反应保持在适当的限度内，从而维持有机体的稳定状态。
那么，当上述两个必要条件均具备了，系统是如何跨越从无序到有序的“门槛”形成耗散结构呢？一个决定性的触发因素是——涨落。
介绍涨落之前，还必须先铺垫一个概念——控制参数。
前面曾经介绍过，当一个系统在经历了一段时间的自发变化到达平衡态时，系统不仅内部不再发生任何宏观过程，而且与环境之间也不再发生宏观的物质转移和能量传输。
对环境而言，此时一定处于某种特定的不变状态。
这种状况可以一定的环境参数来表征。
用A 代表环境对系统的输入、B 代表系统对环境的输出，那么当系统到达平衡态时，A 和B 就会有彼此密切相关的两个确定值A 0和B 0。
一旦A 0和B 0的值改变，系统就将出现宏观过程从而离开平衡态。
环境参数A 和B 代表了从外部控制系统状态的作用。
当把这种控制作用同系统内部的动力学过程结合起来，可以用一个综合的量——控制参数，来表征外部和内部相结合的对系统的控制。
涨落致有序
非平衡是有序的源泉。
在此处这种情形是特别清楚的。
在平衡态，分子作为基本上是独立的实体而动作；它们互不理睬。
我们愿意把它们称作是“睡子”或“梦游者”。
虽然它们当中的每一个都可能像我们所希望的那样复杂，但它们互不干涉。
但是，非平衡却把它们唤醒，且引入了一种和平衡态大不相同的相干性。
涨落有序律。
系统的发展演化通过涨落达到有序，通过个别差异得到集体影响得到放大，通过偶然性表现出来必然性，从而实现无需到有序、从低级向高级的发展，这就是涨落有序律。
涨落有序这一重要发现，在非平衡非线性热力学基础上给予秩序和涨落的关系以全新的自洽的解释。
通过涨落达到有序是系统自组织向上发展的基本途径。
自组织的机制就是通过涨落的有序。
这就是说系统的自组织的这个基本途径包括丰富的内容。
涨落。
涨落也被称作起伏，有时也被称作噪声，干扰，从系统的存在状态来看，涨落是对系统的稳定的平衡状态的偏离。
从系统的演化过程来看，涨落是系统同一发展演化过程之中的差异。
因此，从平衡非平衡角度看，涨落就是在一种不平衡性。
任何一个现实的系统，都不可能处于绝对静止的状态，都有其非平衡因素。
热力学第三定律说，绝对零度不可能达到，就意味着系统不可能处于绝对的平衡状态。
只要是由大量子系统或要素组成的宏观系统，其中就必定存在着一定的涨落。
涨落是普遍的，无处不在的。
涨落普遍存在，其形式是多种多样的。
类型：1、从形成涨落作用的主要因素来考察，涨落作用可以区分为内涨落和外涨落。
内涨落是指主要由自组织系统内部因素所引起的涨落作用形式。
外涨落是指主要由自组织系统外部因素所引起的涨落作用形式。
2、从各种涨落作用对自组织系统整体稳定性的影响程度来看，涨落作用又可以区分为微涨落和巨涨落。
微涨落是指作用程度不能改变系统结构性的整体性，起作用不足以破坏系统结构原有稳定性的涨落作用形式；巨涨落是指其作用程度可以改变系统结构的整体性，其作用力足以破坏系统结构原有稳定性的涨落作用形式。
3、从各种涨落作用自组织系统整体演化方式，演化方向等各方面的不同关系来考察，涨落作用还可以区分微正向涨落和反向涨落。
自组织系统理论
A
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①复杂系统的自创生不是单纯的自整合过程，还 包括自稳定、自维持、自适应、自学习、自复制等 多种自组织形式。
②建立复杂自组织的动力学方程并非易事，较为 有效的方法是计算机模拟。如著名的模型“阿斯彭 ”系统，就是对经济系统自创生的计算机模拟，其 可以大大逼近真实系统的自组织。
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自生长：系统规模的增大，即系统组分的不断增加
②如贝纳德流和激光都是典型的例子。它们属于物 理系统的自适应问题，采用的是实验方法进行研究， 也可以用数学模型法写出动力学方程研究自适应。
③但是复杂的自适应现象同时包含学习、生长、 复制、创新等操作，需要运用计算机模拟来研究。如 遗传算法（基因算法）（GA）。GA在组织研究中显 示了诱人的前景。
A
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出现了以揭示一般自组织规律为目标的科学学派并提出了一些理论
A
4
贰
普利高津把自然界自 组织产生的结构分为 平衡结构和耗散结构
哈肯参照引起组织运动的不 同方式给出的分类为（1） 改变控制参量引起的自组织 ；（2）改变组分数引起的 自组织；（3）瞬变引起的 自组织。
A
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叁
自由能判据 这是相变理论的判据，它需满足一下公式： F=E-TS
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伍
理论，实验，计算
自创生，自生长，自适应，自复制，自修复
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理论，计算，实验
理论方法的核心是建立数学模型，计算是在电 脑上进行数值模拟又称数值实验，实验一般指 真是的实验研究。
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系统的自创生是指在没有特定外力干预下系统从无到有
的自我创造，自我产生，自我形成。自创生首先解决从无
到有的问题，然后才解决从差到好的问题。
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持，因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。
协同学：1977年，德国科学家哈肯出版了《协同作用学导论》 一书，创立了协同学。
协同论是一门专门研究系统进化普遍规律的科学。它研究子 系统构成的系统是如何通过协作从无序到有序演化的规律。 “协同”思想有两个最基本的观点：①“协同效应”是核心 概念。即“协同导致有序”；②“自组织”是协同思想的硬 核。
关于系统的定义，不同学科由于研究范围和重点的不同，常 常给出不同的定义。
在技术学层次上，通常采用我国科学家钱学森的定义：系统 是由相互制约的各部分组成的具有一定功能的整体。
在基础科学层次上，通常采用美籍奥地利生物学家贝塔朗菲 （Luduig Von Bertalanffy）的定义：系统是相互联系、相互 作用的诸元素的综合体。
20世纪中期以来，当代自然科学的前沿出现了“耗散结 构论”(Dissipative Structure Theory)、“协同学” (Synergetics)、“突变论”(Morphogensis)、“超循环论” (Hypercycle Theory)、“混沌理论”(Chaos Theory)和 “分形理论”(Fractal Theory)等一批新兴学科。
不论是哪种定义都指出，系统是由部分构成且具有整体特性 的一类事物。
组织既指按照一定规则构成或存在某种秩序的事物，又指事 物形成一个空间、时间或功能上的有序结构的过程。前一种 情况是组织作名词解，后一种情况是作动词解。
系统和组织是描述事物同一种存在方式的两个不同概念，二 者的着眼点不同。系统是从整体性和相关性的立场上把握事 物，而组织是从结构和有序化的立场上把握对象。
2、自组织与他组织
自组织：如果不存在外部指令，系统按照相互默契的 某种规则，各尽其责而又协调的自动形成有序结构 就是自组织。 自组织有两种含义，一是组织的从 无到有，二是组织的从差到好。
自组织是系统科学的一个重要概念，它是复杂系统演化时出现 的一种现象。我们根据一个组织是否是按照外界特定干预而 形成的，又可以把组织分为自组织和他组织系统。
T2 大导热板
距离 很小
T2 Q
俯视图
T2
T1=T2 液体静止 平衡态 对称
T1>T2 ，△T <△TC T1 >T2 ，△T >△TC 液体静止，热传导 液体对流传热
稳定的非平衡态 出现宏观有序
对称
对称破缺
自组织理论的历史背景
自组织领域涉及的是事物自发、自主形成结构的过程，在这 种过程中存在特有的自组织特征、条件、环境和动力学规律。
突变论：突变论作为现代数学的一门新兴分支学科，是20世 纪70年代由法国数学家勒内·托姆提出的。
突变论指出系统的熵可以增加也可以减少。这种熵增熵减可 以在宏观无限小的时间内突然发生。突变熵减少产生的有序 性，可以抵消、战胜自然界某些自发熵增趋势，有可能造成 有序性的发展。
混沌论：“混沌”一词最初是一个哲学概念，源于古中国的” 混沌初开无所不包”的意思。目前主要指在确定性系统中出 现的“无序性”、“无规性”和“不可预测性”，是描述复 杂性和不能根据初始状态预知其未来的运动状态的动力学系 统的理论。
组织力来自系统内部的是自组织，组织力来自系统外部的是 他组织。
自组织方法论
自组织理论主要研究客观世界中自组织现象 的产生、演化等，关注系统在内部结构和复 杂性增加的相变期间内所表现出来的行为。
清华大学的吴彤教授认为：
耗散结构理论是解决自组织出现的条件问题
协同学基本上是解决自组织的动力学问题
自组织理论
自组织理论
自组织现象 自组织理论的历史背景 自组织理论的核心概念 自组织方法论简述 自组织的条件 自组织原理 自组织的形式
自组织现象
自组织现象是指自然界中自发形成的宏观有序现象。
冬天的雪花
六角形的雪花
鱼鳞状的云
树叶有规则的形状
龟背的图案
贝纳德（Benard）对流
蜂窝模式
耗散结构论：耗散结构论是伊里亚·普里戈金(Ilya Prigogine)教授于1969年在“理论物理学和生物学”国际会 议上正式提出。
耗散结构是一个远离平衡态的非线性的开放系统通过不断地 与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一 定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变， 由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能 上的有序状态。
德国哲学家康德（Kant）最早提出自组织的思想。 第一批自组织理论出现于19世纪中叶：英国生物学家达尔文
（Charles Robert Darwin）的进化论是生物学的自组织理论， 其自然选择原理就是一种自组织原理；马克思的五种社会形 态演进理论是关于社会历史的自组织理论；相变理论是物理 学的自组织理论。 这三者都是某个特定领域的自组织理论，但均未提出和使用 自组织概念。
在近阶段，混沌理论标志了人类对客观世界的认识已进入了 一个新阶段：不仅对“非此即彼”的明晰形态，而且对“亦 此亦彼”的过渡性形态都进行研究。
超循环论：20世纪70年代德国化学家艾根(Manfred Eigen)提 出了“超循环”概念。并于1977年出版了《超循环：自然的 自组织原理》一书。
“超循环”(HyPercycle)理论，是一门研究生物信息起源的 理论，是直接建立生命现象的数学模型。艾根他们观察到生 命现象都包含许多由酶的催化作用所推动的各种循环，而基 层的循环又组成更高一层次的循环，即“超循环”也可以出 现再高层次的超循环。
尽管它们研究的对象不同，但是它们的研究具有共同特征， 即都是针对非线性的复杂系统，或非线性的复杂的自组织形 成过程，因而被统称为自组织理论。
从此，自组织系统或自组织过程成为引人注目的焦点，并且 研究发现，自组织系统和自组织过程极为普遍，而且与人类 社会关系极为密切。
自组织理论的核心概念
1、系统与组织
突变论则从数学抽象的角度研究了自组织的途径问 题
超循环论解决了自组织的结合形式问题
分形和混沌理论，则是从时间序与空间序的角度研 究了自组织的复杂性和图景问题。