Пример: Транспортная логистика
Я ищу:
На главную  |  Добавить в избранное  

Естествознание /

Наука о сложных системах

←предыдущая  следующая→
1 2 3 



Скачать реферат


ПЛАН

Понятие сложной системы

Понятие обратной связи

Понятие целесообразности

Кибернетика

ЭВМ и персональные компьютеры

Модели мира

Понятие сложной системы

Теория относительности, изучающая универсальные физические закономерности, относящиеся ко всей Вселенной, и квантовая меха¬ника, изучающая законы микромира, нелегки для понимания, и тем не менее они имеют дело с системами, которые с точки зрения совре¬менного естествознания считаются простыми. Простыми в том смыс¬ле, что в них входит небольшое число переменных, и поэтому взаи¬моотношение между ними поддается математической обработке и выведению универсальных законов.

Однако, помимо простых, существуют сложные системы, ко¬торые состоят из большого числа переменных и стало быть большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее подда¬ется предмет исследования достижению конечного результата — выведению закономерностей функционирования данного объекта. Трудности изучения данных систем связаны и с тем обстоятельст¬вом, что чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных свойств, т. е. свойств, которых нет у ее частей и кото¬рые являются следствием эффекта целостности системы.

Такие сложные системы изучает, например, метеорология — наука о климатических процессах. Именно потому, что метеороло¬гия изучает сложные системы, процессы образования погоды го¬раздо менее известны, чем гравитационные процессы, что, на пер¬вый взгляд, кажется парадоксом. Действительно, почему мы точно можем определить, в какой точке будет находиться Земля или ка¬кое-либо другое небесное тело через миллионы лет, но не можем точно предсказать погоду на завтра? Потому, что климатические процессы представляют гораздо более сложные системы, состоя¬щие из огромного количества переменных и взаимодействий меж¬ду ними.

Разделение систем на простые и сложные является фундаментальным в естествознании. Среди всех сложных систем наи¬больший интерес представляют системы с так называемой «обрат¬ной связью». Это еще одно важное понятие современного естество¬знания.

Понятие обратной связи

Если мы ударим по бильярдному шару, то он полетит в том направлении, в котором мы его направили, и с той скоростью, с которой мы хотели. Полет брошенного камня тоже соответствует нашему желанию, если ничего не препятствует этому. Сам камень совершенно индифферентен по отношению к нам. Он не сопротивляется, если только не иметь в виду закона инерции.

Совсем иным будет поведение кошки, которая активно реаги¬рует на наше воздействие. Так вот, если поведение объекта (поведе¬нием будем называть любое изменение объекта по отношению к окружающей среде) зависит от воздействия на него, мы говорим, что в такой системе имеется обратная связь — между воздействием и ее реакцией.

Поведение системы может усиливать внешнее воздействие: это называется положительной обратной связью. Если же оно уменьшает внешнее воздействие, то это отрицательная обратная связь. Особый случай — гомеостатические обратные связи, которые действуют, чтобы свести внешнее воздействие к нулю. Пример: тем¬пература тела человека, которая остается постоянной благодаря гомеостатическим обратным связям. Таких механизмов в живом теле огромное количество. Свойство системы, остающееся без изменений в потоке событий, называется инвариантом системы.

В любом нашем движении с определенной целью участвуют механизмы обратной связи. Мы не замечаем их действия, потому что они включаются автоматически. Но иногда мы пользуемся ими со¬знательно. Скажем, один человек предлагает место встречи, а другой повторяет: да, мы встречаемся там-то и во столько-то. Это обратная связь, делающая договоренность более надежной. Механизм обрат¬ной связи и призван сделать систему более устойчивой, надежной и эффективной.

В широком смысле понятие обратной связи «означает, что часть выходной энергии аппарата или машины возвращается на вход... Положительная обратная связь прибавляется к входным сиг¬налам, она не корректирует их. Термин «обратная связь» применя¬ется также в более узком смысле для обозначения того, что поведе¬ние объекта управляется величиной ошибки в положении объекта по Отношению к некоторой специфической цели» (Н. Винер. Кибернетика.-М., 1968.- С.288). Механизм обратной связи делает систему принципиально иной, повышая степень ее внутренней организованности и давая возможность говорить о самоорганизации в данной системе.

Итак, все системы можно разделить на системы с обратной связью и без таковой. Наличие механизма обратной связи позволяет заключить о том, что система преследует какие-то цели, т. е. что ее поведение целесообразно.

Понятие целесообразности

Активное поведение системы может быть случайным или целесооб¬разным, если «действие или поведение допускает истолкование как направленное на достижение некоторой цели, т. е. некоторого конеч¬ного состояния, при котором объект вступает в определенную связь в пространстве или во времени с некоторым другим объектом или со¬бытием. Нецеленаправленным поведением является такое, которое нельзя истолковать подобным образом» (Там же.- С. 286).

Для обозначения машин с внутренне целенаправленным пове¬дением был специально выкован термин «сервомеханизмы». Напри¬мер, торпеда, снабженная механизмом поиска цели. Всякое целена¬правленное поведение требует отрицательной обратной связи. Оно может быть предсказывающим или непредсказывающим. Предска¬зание может быть первого, второго и последующих порядков в зави¬симости от того, на сколько параметров распространяется предска¬зание. Чем их больше, тем совершеннее система.

Понятие целесообразности претерпело длительную эволю¬цию в истории человеческой культуры. Во времена господства мифо¬логического мышления деятельность любых, в том числе неживых, тел могла быть признана целесообразной на основе антропоморфиз¬ма, т. е. приписывания явлениям природы причин по аналогии с дея¬тельностью человека. Философ Аристотель в числе причин функци¬онирования мира, наряду с материальной, формальной, действую¬щей, назвал и целевую. Религиозное понимание целесообразности основывается на представлении о том, что Бог создал мир с опреде¬ленной целью, и стало быть мир в целом целесообразен.

Научное понимание целесообразности строилось на обнару¬жении в изучаемых предметах объективных механизмов целепола-гания. Поскольку в Новое время наука изучала простые системы, по¬стольку она скептически относилась к понятию цели. Положение из¬менилось в XX веке, когда естествознание перешло к изучению сложных систем с обратной связью, так как именно в таких системах существует внутренний механизм целеполагания. Наука, которая первой начала исследование подобных систем, получила название кибернетики.

Кибернетика

Кибернетика (от греч. kybernetike - искусство управления) — это наука об управлении сложными системами с обратной связью. Она возникла на стыке математики, техники и нейрофизиологии, и ее интересовал целый класс систем, как живых, так и неживых, в ко¬торых существовал механизм обратной связи. Основателем кибер¬нетики по праву считается американский математик Н. Винер (1894-1964), выпустивший в 1948 году книгу, которая так и называ¬лась «Кибернетика».

Оригинальность этой науки заключается в том, что она изуча¬ет не вещественный состав систем и не их структуру (строение), а ре¬зультат работы данного класса систем. В кибернетике впервые было сформулировано понятие «черного ящика» как устройства, которое выполняет определенную операцию над настоящим и прошлым входного потенциала, но для которого мы не обязательно располага¬ем информацией о структуре, обеспечивающей выполнение этой операции.

Системы изучаются в кибернетике по их реакциям на внешние воздействия, другими словами, по тем функциям, которые они выпол¬няют. Наряду с субстратным (вещественным) и структурным подхо¬дом, кибернетика ввела в научный обиход функциональный подход как еще один вариант системного подхода в широком смысле слова.

Если XVII столетие и начало XVIII столетия — век часов, а ко¬нец XVII и все XIX столетие — век паровых машин, то настоящее время есть век связи и управления. В изучение этих процессов ки¬бернетика внесла значительный вклад. Она изучает способы связи и модели управления, и в этом исследовании ей понадобилось еще од¬но понятие, которое было давно известным, но впервые получило фундаментальный статус в естествознании — понятие информации (от лат. informatio — ознакомление, разъяснение) как меры органи¬зованности системы в противоположность понятию энтропии как меры неорганизованности.

Чтобы яснее стало значение информации, рассмотрим дея¬тельность идеального существа, получившего название «демон Мак¬свелла». Идею такого существа, нарушающего второе начало термо¬динамики, Максвелл изложил в «Теории теплоты» вышедшей в 1871 году. «Когда частица со скоростью выше средней подходит к дверце из отделения А или частица со скоростью ниже средней подходит к дверце из отделения В, привратник открывает дверцу и частица проходит через отверстие; когда же частица со скоростью ниже средней подходит из отделения А или частица со скоростью выше средней подходит из отделения В, дверца закрывается. Таким обра¬зом, частицы большей скорости сосредоточиваются в отделении В, а в отделении А их концентрация уменьшается. Это вызывает очевидное уменьшение энтропии, и если соединить оба отделения тепло¬вым двигателем, мы, как будто, получим вечный двигатель второго рода» (Там же.- С. 112).

Может ли действовать «демон Максвелла»? Да, если получает от приближающихся частиц информацию об их скорости и точке уда¬ра о стенку. Это и дает

←предыдущая  следующая→
1 2 3 



Copyright © 2005—2007 «Mark5»