系統(tǒng)科學(xué)教程

目錄
前言
第1章 系統(tǒng)科學(xué)概述 1
1.1 定義與學(xué)科方向 1
1.2 系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展簡史 3
1.2.1 系統(tǒng)思想的產(chǎn)生和形成——系統(tǒng)科學(xué)的初級階段 3
1.2.2 定量的系統(tǒng)科學(xué)在應(yīng)用學(xué)科層次上的建立 5
1.2.3 綜合的系統(tǒng)科學(xué)體系的構(gòu)建 8
1.3 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系下的系統(tǒng)科學(xué) 11
1.4 相關(guān)系統(tǒng)思想 14
思考題 20
參考文獻 20
第2章 系統(tǒng)的基本概念與特征 22
2.1 系統(tǒng)的基本概念 22
2.1.1 系統(tǒng)與非系統(tǒng) 22
2.1.2 組分、元素與要素 23
2.1.3 結(jié)構(gòu)與子系統(tǒng) 24
2.1.4 層次 25
2.1.5 環(huán)境 26
2.2 系統(tǒng)的特征 27
2.2.1 系統(tǒng)的涌現(xiàn)性 27
2.2.2 系統(tǒng)的其他特征 29
2.2.3 系統(tǒng)的功能 30
2.2.4 系統(tǒng)的屬性 31
2.3 系統(tǒng)的分類 32
2.3.1 基于規(guī)模和復(fù)雜性的分類 32
2.3.2 基于數(shù)學(xué)模型的分類 33
2.3.3 其他分類 34
2.4 基于動態(tài)集合論的系統(tǒng)概念描述與特征分析 35
2.4.1 引言 35
2.4.2 系統(tǒng)的屬性 36
2.4.3 子系統(tǒng) 39
2.4.4 系統(tǒng)間的相互作用 41
2.4.5 基于動態(tài)集合論的系統(tǒng)性質(zhì)分析 41
2.4.6 小結(jié) 45
2.5 系統(tǒng)復(fù)雜性 45
2.5.1 復(fù)雜性語義簡析 46
2.5.2 復(fù)雜性的界定 46
2.5.3 復(fù)雜性的特征 48
2.5.4 復(fù)雜性的分類 50
2.5.5 復(fù)雜性的度量 53
2.5.6 復(fù)雜性科學(xué)的理論構(gòu)成 55
2.5.7 復(fù)雜系統(tǒng)研究方法 56
2.5.8 小結(jié) 59
思考題 59
參考文獻 60
第3章 穩(wěn)定性與突變論 63
3.1 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 63
3.1.1 穩(wěn)定性概念 64
3.1.2 狀態(tài)穩(wěn)定性判定 67
3.1.3 二維線性系統(tǒng)的定態(tài)解性質(zhì) 69
3.1.4 平面非線性自治系統(tǒng)及等傾線 75
3.2 吸引子與分岔 86
3.2.1 吸引子與目的性 86
3.2.2 分岔 88
3.3 突變論 91
3.3.1 突變 91
3.3.2 奇點理論與拓?fù)涞葍r 92
3.3.3 勢函數(shù)與剖分引理 93
3.3.4 突變的主要特征 94
3.3.5 基本突變類型 95
3.4 案例 98
3.4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析案例 98
3.4.2 突變論應(yīng)用 104
思考題 106
參考文獻 106
第4章 自組織：耗散結(jié)構(gòu)論與協(xié)同學(xué) 108
4.1 組織與自組織 109
4.1.1 經(jīng)典定義 109
4.1.2 基于集合論的定義 110
4.1.3 幾類自組織現(xiàn)象 111
4.1.4 自組織思想 115
4.2 耗散結(jié)構(gòu) 115
4.2.1 經(jīng)典熱力學(xué)與非平衡熱力學(xué) 115
4.2.2 耗散結(jié)構(gòu)論 120
4.2.3 耗散結(jié)構(gòu)形成的條件 121
4.2.4 耗散結(jié)構(gòu)論分析 122
4.2.5 耗散結(jié)構(gòu)論體現(xiàn)的哲學(xué)思想 126
4.3 協(xié)同學(xué) 128
4.3.1 協(xié)同學(xué)的基本概念 129
4.3.2 序參量與役使原理 129
4.3.3 協(xié)同學(xué)在若干領(lǐng)域的應(yīng)用 132
4.3.4 協(xié)同學(xué)體現(xiàn)的哲學(xué)思想 138
4.4 自組織案例 140
思考題 141
參考文獻 142
第5章 混沌學(xué) 143
5.1 混沌的發(fā)展 143
5.2 混沌定義 145
5.2.1 周期3意味著混沌 145
5.2.2 混沌的數(shù)學(xué)定義 149
5.2.3 中國古代的混沌思想 150
5.3 離散混沌 151
5.4 混沌研究的判據(jù) 155
5.5 混沌與一般單關(guān)系系統(tǒng) 157
5.5.1 一般單關(guān)系系統(tǒng)的混沌 157
5.5.2 一般單關(guān)系系統(tǒng)的吸引子 159
5.6 混沌特征及示例 161
5.6.1 混沌特征 161
5.6.2 混沌示例 163
5.7 應(yīng)用簡介 165
5.7.1 應(yīng)用方向 166
5.7.2 案例 168
5.8 混沌的哲學(xué)思考 173
思考題 175
參考文獻 175
第6章 分形 176
6.1 分形概念及分形維數(shù) 176
6.1.1 分形現(xiàn)象與分形幾何 176
6.1.2 拓?fù)渚S與分維 177
6.1.3 規(guī)則分形與相似維數(shù) 178
6.1.4 不規(guī)則分形與關(guān)聯(lián)維 182
6.2 簡單L系統(tǒng)的分析與設(shè)計 183
6.2.1 L系統(tǒng)簡介 183
6.2.2 簡單L系統(tǒng)的定義 184
6.2.3 簡單L系統(tǒng)的性質(zhì) 186
6.2.4 簡單L系統(tǒng)生成圖形的基本原理 188
6.2.5 簡單L系統(tǒng)的設(shè)計 188
6.2.6 基于R0L的分支結(jié)構(gòu)設(shè)計 192
6.3 迭代函數(shù)系統(tǒng) 195
6.3.1 迭代函數(shù)系統(tǒng)基礎(chǔ) 195
6.3.2 迭代函數(shù)系統(tǒng)生成的圖形 197
6.4 分形的應(yīng)用 198
6.5 分形的哲學(xué)思考 201
思考題 202
參考文獻 203
第7章 復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論 204
7.1 復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)基礎(chǔ) 204
7.1.1 理論創(chuàng)立 204
7.1.2 核心思想：適應(yīng)性造就復(fù)雜性 205
7.1.3 基本概念 206
7.1.4 主要特點 207
7.2 主體的適應(yīng)與學(xué)習(xí) 211
7.2.1 建立執(zhí)行系統(tǒng)模型 211
7.2.2 確立信用分派機制 213
7.2.3 提供新規(guī)則發(fā)現(xiàn)手段 214
7.3 從個體到全局——回聲模型 215
7.3.1 位置和資源 215
7.3.2 Echo模型基本框架 216
7.3.3 Echo模型的擴充 217
7.4 應(yīng)用案例：利用回聲模型建模物種多樣性 217
7.4.1 回聲結(jié)構(gòu) 218
7.4.2 個體 218
7.4.3 個體與個體間交互 220
7.4.4 物種多樣性與回聲模型 220
7.5 Swarm仿真平臺 222
思考題 223
參考文獻 223
第8章 開放復(fù)雜巨系統(tǒng)理論 224
8.1 錢學(xué)森系統(tǒng)分類法 224
8.2 簡單巨系統(tǒng) 225
8.2.1 簡單系統(tǒng) 225
8.2.2 簡單巨系統(tǒng)概念及分析 227
8.2.3 簡單巨系統(tǒng)的傳統(tǒng)研究方法 229
8.3 復(fù)雜巨系統(tǒng) 229
8.3.1 開放復(fù)雜巨系統(tǒng) 229
8.3.2 從定性到定量的綜合集成方法 231
8.3.3 開放復(fù)雜巨系統(tǒng)的研究意義 234
8.4 Yoyo：定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)模型 236
8.4.1 結(jié)構(gòu)運動的一般形式 237
8.4.2 一般系統(tǒng)的Yoyo結(jié)構(gòu) 239
8.4.3 經(jīng)驗示例 240
8.5 Yoyo模型應(yīng)用舉例 241
8.5.1 雙星系統(tǒng)的系統(tǒng)定律 242
8.5.2 三體問題的系統(tǒng)機制 243
思考題 247
參考文獻 247
第9章 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論 249
9.1 引言 249
9.1.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的歷史 249
9.1.2 基本定義與說明 250
9.2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型 254
9.2.1 隨機網(wǎng)絡(luò) 254
9.2.2 小世界網(wǎng)絡(luò) 254
9.2.3 無尺度網(wǎng)絡(luò) 256
9.2.4 適應(yīng)度網(wǎng)絡(luò) 259
9.3 網(wǎng)絡(luò)魯棒性 260
9.3.1 Malloy-Reed準(zhǔn)則 260
9.3.2 隨機失效 261
9.3.3 有意攻擊 264
9.3.4 無尺度網(wǎng)絡(luò)的魯棒性 266
9.4 網(wǎng)絡(luò)傳播 267
9.4.1 經(jīng)典傳播模型 268
9.4.2 網(wǎng)絡(luò)上的傳播 271
9.4.3 網(wǎng)絡(luò)免疫 276
9.5 應(yīng)用案例：時態(tài)網(wǎng)絡(luò)上的源頭定位 278
9.5.1 時序傳播行為建模 279
9.5.2 時序網(wǎng)絡(luò)源頭定位研究 280
9.5.3 實驗結(jié)果分析 283
9.6 應(yīng)用案例：時態(tài)網(wǎng)絡(luò)上的中心性度量 288
9.6.1 時態(tài)網(wǎng)絡(luò)的矩陣建模 289
9.6.2 時間序列分析方法 290
9.6.3 特征向量中心性 291
9.6.4 實驗結(jié)果分析 292
9.7 應(yīng)用案例：社會網(wǎng)絡(luò)上的傳播影響力極大化問題 297
9.7.1 影響力極大化問題 297
9.7.2 局部有效傳播路徑算法 298
9.7.3 實驗結(jié)果分析 300
思考題 306
參考文獻 306
第10章 復(fù)雜系統(tǒng)模擬與優(yōu)化 308
10.1 元胞自動機 308
10.1.1 歷史發(fā)展 308
10.1.2 定義及結(jié)構(gòu) 309
10.1.3 經(jīng)典元胞自動機模型 312
10.1.4 元胞自動機與混沌分形的聯(lián)系 317
10.2 遺傳算法 321
10.2.1 遺傳算法的基本原理 321
10.2.2 遺傳算法的實施 324
10.2.3 遺傳算法的改進 336
10.2.4 遺傳算法的特征 339
10.3 蟻群優(yōu)化算法 340
10.3.1 蟻群算法的仿生學(xué)基礎(chǔ) 340
10.3.2 基本蟻群算法模型的建立 343
10.3.3 基本蟻群算法的實現(xiàn) 347
10.4 粒子群算法 349
10.4.1 基本粒子群算法 349
10.4.2 粒子群算法的軌跡分析 351
10.4.3 改進的粒子群算法 355
10.5 小結(jié) 356
思考題 357
參考文獻 358
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