《第5章系统自组织PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章系统自组织PPT课件（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、管理学院管理学院第五章第五章系统自组织系统自组织8/1/20241管理学院管理学院自组织是复杂系统演化时出现的一种现象。自组织是复杂系统演化时出现的一种现象。与他组织的联系与区别与他组织的联系与区别自组织过程前后系统状态的特点，如何用有序、无序来标识自组织过程前后系统状态的特点，如何用有序、无序来标识自组织理论自组织理论自组织的形式自组织的形式8/1/20242管理学院管理学院一、自组织与他组织一、自组织与他组织 组织是指组织是指“按照一定目的、任务和形式加以编制按照一定目的、任务和形式加以编制”，属于一类特，属于一类特殊的演化过程。同时，把组织过程所形成的结构也称为组织。组织殊的演化过程。同
2、时，把组织过程所形成的结构也称为组织。组织结构具有以下特点：结构具有以下特点： (1) 相对于组织前的状态，其有序程度增加，对称性降低。相对于组织前的状态，其有序程度增加，对称性降低。 组织的有序结构与在系统科学中讨论的系统状态的有序、对称组织的有序结构与在系统科学中讨论的系统状态的有序、对称性等性质可建立对应关系，这样可以从系统科学角度，从状态有序性等性质可建立对应关系，这样可以从系统科学角度，从状态有序无序变化来分析组织结构。无序变化来分析组织结构。 (2) 组织过程是系统发生质变的过程。组织过程是系统发生质变的过程。 量变：状态随时间变化的函数关系形式不发生变化；量变：状态随时间变化的函
3、数关系形式不发生变化； 质变：系统状态突变，突变前后状态变量的数量、形式改变。质变：系统状态突变，突变前后状态变量的数量、形式改变。1、组织、组织8/1/20243管理学院管理学院 利用演化方程分析系统组织的过程时，通常无法采用分析利用演化方程分析系统组织的过程时，通常无法采用分析其演化轨道的方法，而是对方程进行定性分析，讨论方程解的其演化轨道的方法，而是对方程进行定性分析，讨论方程解的个数、状态的稳定性，讨论参量变化如何影响系统状态稳定性个数、状态的稳定性，讨论参量变化如何影响系统状态稳定性发生的条件。发生的条件。 对组织过程分析，组织分为两类：一类是系统之外有一个对组织过程分析，组织分为两
4、类：一类是系统之外有一个组织者，完成组织行为，实现组织结构，称为他组织；另一类组织者，完成组织行为，实现组织结构，称为他组织；另一类是在一定的外界条件下，系统是在一定的外界条件下，系统“自发地自发地”组织起来，形成一定的组织起来，形成一定的结构，如蚂蚁、蜜蜂的社会组织，生物链组织，称为自组织。结构，如蚂蚁、蜜蜂的社会组织，生物链组织，称为自组织。8/1/20244管理学院管理学院 他组织有一个系统以外的组织者，设定目标，有预定的计划、他组织有一个系统以外的组织者，设定目标，有预定的计划、方案等，从而实施系统，达到预定的目标。方案等，从而实施系统，达到预定的目标。 组织者与被组织者组织者与被组织
5、者(系统系统)的关系是控制、管理的关系。对不包的关系是控制、管理的关系。对不包含人的系统的控制过程称为控制；对包含人的系统的控制过程称为含人的系统的控制过程称为控制；对包含人的系统的控制过程称为管理。管理。 控制要区分自然与人工控制作用。控制要区分自然与人工控制作用。 自然界控制作用就是系统与自然环境之间的各种因果关系，不自然界控制作用就是系统与自然环境之间的各种因果关系，不是控制论的研究对象。是控制论的研究对象。 人工控制作用取决于人工控制作用取决于:(1) 控制的内容、大小和形式等；控制的内容、大小和形式等；(2) 被被控制对象的响应机制控制对象的响应机制。控制论的研究对象。控制论的研究对
6、象。2、他组织、他组织8/1/20245管理学院管理学院 在系统实现空间的、时间的或功能的结构过程中，若没有外界在系统实现空间的、时间的或功能的结构过程中，若没有外界的特定干扰，仅是依靠系统内部的相互作用达到的，称为系统的自的特定干扰，仅是依靠系统内部的相互作用达到的，称为系统的自组织。特定干扰是指外界施加作用、影响的形式、特点与系统所形组织。特定干扰是指外界施加作用、影响的形式、特点与系统所形成的新结构和功能之间存在直接的联系。成的新结构和功能之间存在直接的联系。 从效果上看，自组织与他组织相同；从发生的原因看，两者有从效果上看，自组织与他组织相同；从发生的原因看，两者有根本的差异。直接原因
7、在系统之外的为他组织，多为人工系统。根本的差异。直接原因在系统之外的为他组织，多为人工系统。由于系统划分不同，影响系统演化的原因可能是外部环境，也由于系统划分不同，影响系统演化的原因可能是外部环境，也可能是内部因素。当系统环境确定后，无法找出环境如何影响系统可能是内部因素。当系统环境确定后，无法找出环境如何影响系统组织状态的出现，无法分析相互之间的控制与响应关系，此时看成组织状态的出现，无法分析相互之间的控制与响应关系，此时看成为自组织。如贝纳尔对流。为自组织。如贝纳尔对流。3、自组织、自组织8/1/20246管理学院管理学院贝纳尔对流实验：取一薄层流体，上下各放置一块金属平板以贝纳尔对流实验
8、：取一薄层流体，上下各放置一块金属平板以使其温度在水平方向上无差异。从下对流体加热，下上平面温度分使其温度在水平方向上无差异。从下对流体加热，下上平面温度分别为别为T1和和T2。T1T2未加热时，系统处于平衡态，未加热时，系统处于平衡态， T1=T2 ，各处温度相同，流体内分子，各处温度相同，流体内分子作杂乱无章的运动，系统在水平方向上是对称的。作杂乱无章的运动，系统在水平方向上是对称的。T1T2刚开始加热时，上下温度梯度不大，刚开始加热时，上下温度梯度不大，T1T2 ，从下往上的热量流与，从下往上的热量流与温度梯度力之间为线性关系，系统处于平衡态，温度梯度力之间为线性关系，系统处于平衡态，
9、流体内分子仍然作流体内分子仍然作杂乱无章的运动，系统在水平方向上仍然是对称的无序状态。杂乱无章的运动，系统在水平方向上仍然是对称的无序状态。8/1/20247管理学院管理学院T1T2继续加热时，上下温度梯度加大，继续加热时，上下温度梯度加大，T1 T2 ，从下往上的热量流与温度，从下往上的热量流与温度梯度力之间为非线性关系，系统逐渐远离平衡态。当温度梯度大到梯度力之间为非线性关系，系统逐渐远离平衡态。当温度梯度大到某个阀值时，系统性质发生突然改变，依靠流体内分子碰撞传递能某个阀值时，系统性质发生突然改变，依靠流体内分子碰撞传递能量的无序状态消失，系统呈现出规则的运动花样，所有流体分子开量的无序
10、状态消失，系统呈现出规则的运动花样，所有流体分子开始有规律地定向运动，水平水平方向上的对称性被破坏。从侧面看始有规律地定向运动，水平水平方向上的对称性被破坏。从侧面看如图如图5-1所示。所示。图图5-1 立面图立面图从侧面看，形成一个个环，现象地成为贝纳尔蛋卷。从侧面看，形成一个个环，现象地成为贝纳尔蛋卷。8/1/20248管理学院管理学院 上下温度差在水平方向上并没有变化，却在水平方向上造成流上下温度差在水平方向上并没有变化，却在水平方向上造成流体微团的不同运动，目前无法解释。系统温度差达到临界值后系统体微团的不同运动，目前无法解释。系统温度差达到临界值后系统状态发生突变，也无法分析外界控制
11、与系统响应之间的关系，称为状态发生突变，也无法分析外界控制与系统响应之间的关系，称为系统自组织。此时，外界作用不称为控制，而称为实现自组织的条系统自组织。此时，外界作用不称为控制，而称为实现自组织的条件。件。从顶面向下看，是一个个正六边形，流体从六边形中心流上来，又从顶面向下看，是一个个正六边形，流体从六边形中心流上来，又从六个边流下去，如图从六个边流下去，如图5-2所示。所示。图图5-2 平面图平面图8/1/20249管理学院管理学院 有时，同一个现象，既可以说成是自组织现象，用自组织理论有时，同一个现象，既可以说成是自组织现象，用自组织理论来处理；也可以说成是他组织现象，用控制论来处理。来
12、处理；也可以说成是他组织现象，用控制论来处理。 能够分析出外界控制与系统响应之间关系的系统，称为他组织能够分析出外界控制与系统响应之间关系的系统，称为他组织系统，否则为自组织系统。目前看来是自组织系统，将来可能是他系统，否则为自组织系统。目前看来是自组织系统，将来可能是他组织系统。如贝纳尔对流。组织系统。如贝纳尔对流。自组织是系统存在的一种形式，是系统在一定环境下最易存在自组织是系统存在的一种形式，是系统在一定环境下最易存在最稳定的状态。对于生态系统，人们应使自己的行为限制在生态系最稳定的状态。对于生态系统，人们应使自己的行为限制在生态系统的自组织范围内活动。在经济系统中，必须符合经济规律，使
13、经统的自组织范围内活动。在经济系统中，必须符合经济规律，使经济系统处在自组织状态。济系统处在自组织状态。8/1/202410管理学院管理学院二、两种有序原理二、两种有序原理自然科学认为序是对两个元素之间关系的确定。数学上严格定自然科学认为序是对两个元素之间关系的确定。数学上严格定义偏序，指一种具有传递性、反对称性和自反性的二元关系。义偏序，指一种具有传递性、反对称性和自反性的二元关系。子系统之间有偏序关系的两个系统可以比较其有序程度。进一子系统之间有偏序关系的两个系统可以比较其有序程度。进一步用有序、无序来描述系统的状态。步用有序、无序来描述系统的状态。 有序：系统组分之间有规则的联系与转化，
14、即系统组分之间存有序：系统组分之间有规则的联系与转化，即系统组分之间存在类似数学的偏序关系。在类似数学的偏序关系。 无序：系统组分之间混乱、无规则的组合，在运动转化上的无无序：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。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。之间具有某种偏序关系，则系统是有序的。1、序的一般概念、序的一般概念8/1/202411管理学院管理学院 理解序概念应注意以下几点：理解序概念应注意以下几点： (1) 有序、无序是相比较的结果有序、无序是相比较的
15、结果 状态有序一定是相对于另一个状态而言的。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、锗果。从导电性看，铝、锗(zhe)、氮气是有序排列；从密度看铝、锗、氮气是有序排列；从密度看铝、锗、氮气不是有序排列，而锗、铝、氮气不是有序排列，而锗、铝、 氮气是有序排列。氮气是有序排列。 (3) 有序、无序在一定条件下可相互转化有序、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
16、有序程度的变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。来分析系统的演化。8/1/202412管理学院管理学院有序可以是空间的、时间的或功能的有序，不同种类的有序是有序可以是空间的、时间的或功能的有序，不同种类的有序是根据不同规则来确定。根据不同规则来确定。 系统科学对无生命系统的有序性分析是通过对称性来实现的。系统科学对无生命系统的有序性分析是通过对称性来实现的。 某系统或运动以一定的中介进行变换时，若变换后结果保持不某系统或运动以一定的中介进行变换时，若变换后结果保持不变，则称该系统或运动在一定的中介变换下是对称的。系统状态发变，则称该系统或运动在一定的中介变
17、换下是对称的。系统状态发生变化时，若从无序均匀分布状态变化为有序结构，对称性降低，生变化时，若从无序均匀分布状态变化为有序结构，对称性降低，即对称破缺。即对称破缺。 可以用对称性的高低来表示系统有序程度的多少，用对称破缺可以用对称性的高低来表示系统有序程度的多少，用对称破缺来表示系统状态的突变。来表示系统状态的突变。 空间对称分为形象对称和结构对称。旋转、反射、平移等操作空间对称分为形象对称和结构对称。旋转、反射、平移等操作使事物位置发生变化，但变化前后的状态未发生改变，则称对此操使事物位置发生变化，但变化前后的状态未发生改变，则称对此操作是对称的。如正方形经中心且垂直图形的轴旋转作是对称的。
18、如正方形经中心且垂直图形的轴旋转/2,后对称。后对称。2、对称性与有序、对称性与有序8/1/202413管理学院管理学院时间对称：时间对称：f(t)=f(t+mT)，T称为对称周期。通常有时间平移对称为对称周期。通常有时间平移对称、时间反演对称等。称、时间反演对称等。 系统在演化过程中若具有一种对称性，则系统对应着满足一种系统在演化过程中若具有一种对称性，则系统对应着满足一种守恒律。守恒律。如物理系统，若时间平移不变，则一定满足能量守恒；若如物理系统，若时间平移不变，则一定满足能量守恒；若空间平移不变，则一定满足动量守恒。空间平移不变，则一定满足动量守恒。 比较两个状态的有序程度，定义对称性低
19、的状态更加有序。系比较两个状态的有序程度，定义对称性低的状态更加有序。系统演化时，由对称性低的状态向对称性高的演化称为退化，反之为统演化时，由对称性低的状态向对称性高的演化称为退化，反之为进化。进化。 对称性与有序关系的定义基于热力学理论。高熵状态所包含的对称性与有序关系的定义基于热力学理论。高熵状态所包含的微观态数量多，分子相互交换的可能性大，子系统可有更多的自由微观态数量多，分子相互交换的可能性大，子系统可有更多的自由度，运动更加混乱，这样的状态更无序。某状态所包含的微观态数度，运动更加混乱，这样的状态更无序。某状态所包含的微观态数量多，表明它可以在更多的对称操作下保持不变，具有更大的对称
20、量多，表明它可以在更多的对称操作下保持不变，具有更大的对称性。性。8/1/202414管理学院管理学院系统从无序状态向有序状态的演化过程就是系统不断地对称破系统从无序状态向有序状态的演化过程就是系统不断地对称破缺的过程。热力学的平衡态是系统熵最大、最无序、对称性最大的缺的过程。热力学的平衡态是系统熵最大、最无序、对称性最大的状态，无论采取什么操作，系统状态均不发生改变。状态，无论采取什么操作，系统状态均不发生改变。容易产生的错误认识：系统越有序，其对称性越大。如晶体与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。高温下晶体转化后的气体。有序与系统对称性、描述系统
21、演化方程的不变量三者有着密切有序与系统对称性、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：的关系。设系统演化方程组为：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，为状态变量的某种函数：种函数：8/1/202415管理学院管理学院将将(5-2)代入代入(5-1)，可以消去一个变量，得到，可以消去一个变量，得到n-1维的系统演化方程组维的系统演化方程组。降维有助于方程的求解。降维有助于方程的求解。 在系统科学中，利用系统对称性主要体现在：在系统科学中，利用系统对称性主要体现在： (1) 根据系统对称性的多少来判定系统状态的有序程
22、度，再利根据系统对称性的多少来判定系统状态的有序程度，再利用状态有序程度的变化来讨论系统的演化方向。用状态有序程度的变化来讨论系统的演化方向。 (2) 利用系统的对称性来求解系统的演化方程。算子对函数的利用系统的对称性来求解系统的演化方程。算子对函数的作用可以看成对系统的一个操作，系统具有一种对称性，就存在一作用可以看成对系统的一个操作，系统具有一种对称性，就存在一个不变量，该不变量对应的算子对系统状态函数操作后，状态函数个不变量，该不变量对应的算子对系统状态函数操作后，状态函数不变。利用算子方法求解系统演化方程，就是讨论某演化算子对系不变。利用算子方法求解系统演化方程，就是讨论某演化算子对系
23、统操作后系统状态如何变化。统操作后系统状态如何变化。8/1/202416管理学院管理学院自然和社会存在着两种有序现象。自然和社会存在着两种有序现象。一块食盐晶体中的离子规则排列，它们仅保留了平移一个晶胞一块食盐晶体中的离子规则排列，它们仅保留了平移一个晶胞距离或数倍晶胞距离的对称性，食盐晶体出现了空间排列对称性的距离或数倍晶胞距离的对称性，食盐晶体出现了空间排列对称性的破缺。没有外界环境干扰，食盐的有序排列结构将会一直维持，这破缺。没有外界环境干扰，食盐的有序排列结构将会一直维持，这是一种有序现象，称为静态有序，所形成的结构称为平衡结构。是一种有序现象，称为静态有序，所形成的结构称为平衡结构。
24、贝纳尔图样也是一种有序现象，仅保留了平移一个花样或数个贝纳尔图样也是一种有序现象，仅保留了平移一个花样或数个图样的对称性，称为动态有序，所形成的结构称为非平衡结构或耗图样的对称性，称为动态有序，所形成的结构称为非平衡结构或耗散结构。散结构。动态有序广泛存在自然界和人文社会科学领域。四季的变化、动态有序广泛存在自然界和人文社会科学领域。四季的变化、昼夜交替，经济发展周期、稳定的社会组织形式等。昼夜交替，经济发展周期、稳定的社会组织形式等。3、两种有序、两种有序8/1/202417管理学院管理学院动态有序与静态有序存在明显的区别：动态有序与静态有序存在明显的区别：(1) 结构形式不同。静态有序的平
25、衡结构是死的、宏观不变的结结构形式不同。静态有序的平衡结构是死的、宏观不变的结构，是由子系统的规则排列构成的；动态有序的耗散结构是活的结构，是由子系统的规则排列构成的；动态有序的耗散结构是活的结构，微观上每个子系统在不停地变化运动从而构成了宏观上的稳定构，微观上每个子系统在不停地变化运动从而构成了宏观上的稳定结构。结构。平衡结构一般没有空间尺度的限制，食盐晶体打碎后仍呈现规平衡结构一般没有空间尺度的限制，食盐晶体打碎后仍呈现规则的晶体结构。则的晶体结构。(2) 形成机制、维持结构稳定的条件不同。静态有序的平衡结构形成机制、维持结构稳定的条件不同。静态有序的平衡结构形成需要确定的外部环境，一旦形
26、成，则与外界再无任何交换。只形成需要确定的外部环境，一旦形成，则与外界再无任何交换。只要外界环境不再破坏系统，其有序结构将永远保持下去。动态有序要外界环境不再破坏系统，其有序结构将永远保持下去。动态有序的耗散结构不仅只有在远离平衡态和外界环境的作用下才能形成，的耗散结构不仅只有在远离平衡态和外界环境的作用下才能形成，结构形成后仍然需要与外界交流，通过结构形成后仍然需要与外界交流，通过“新陈代谢新陈代谢”才能保持。才能保持。 8/1/202418管理学院管理学院(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
27、构，宏观上看，有确定的形状、规律，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。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。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。现不同功能上有一定先后的功能序。结构序有三种形式。结构序有三种形式。(1)空间序，子系统在空间分
28、布上规律性；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；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。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。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。研究处于起步阶段。8/1/202419管理学院管理学院系统有序性可用于划分系统状态、区分不同的系统，分析系统
29、系统有序性可用于划分系统状态、区分不同的系统，分析系统的演化方向的演化方向(进化或退化进化或退化)。4、有序与系统演化、有序与系统演化经典物理学研究了大量的退化现象，发现了热力学第二定律：经典物理学研究了大量的退化现象，发现了热力学第二定律：一个孤立系统的自发演化，总是朝着对称性越来越高、有序程度越一个孤立系统的自发演化，总是朝着对称性越来越高、有序程度越来越低的方向发展，最终达到对称性最高的平衡态。来越低的方向发展，最终达到对称性最高的平衡态。自然界存在大量进化现象：达尔文的生物进化论。自然界存在大量进化现象：达尔文的生物进化论。统计物理中，建立了熵与有序度的关系。孤立系统在自发演化统计物理
30、中，建立了熵与有序度的关系。孤立系统在自发演化过程中是不会减少的。过程中是不会减少的。8/1/202420管理学院管理学院三、自组织理论三、自组织理论自组织理论是研究客观世界中自组织现象产生、演化的理论。自组织理论是研究客观世界中自组织现象产生、演化的理论。与系统的非线性相互作用密切相关，没有普遍适用的处理方法，未与系统的非线性相互作用密切相关，没有普遍适用的处理方法，未形成完整规范的体系。目前，将耗散结构理论和协同学理论统称为形成完整规范的体系。目前，将耗散结构理论和协同学理论统称为自组织理论。自组织理论。1、耗散结构形成的条件、耗散结构形成的条件通过对大量自组织现象的研究，普利高津总结耗散
31、结构形成的通过对大量自组织现象的研究，普利高津总结耗散结构形成的条件：条件：(1) 系统必须开放系统必须开放热力学第二定律：一个孤立系统的自发演化，总是朝着对称性热力学第二定律：一个孤立系统的自发演化，总是朝着对称性越来越高、有序程度越来越低的方向发展，最终达到对称性最高的越来越高、有序程度越来越低的方向发展，最终达到对称性最高的平衡态。孤立系统在自发演化过程中是不会减少的。熵的统计热力平衡态。孤立系统在自发演化过程中是不会减少的。熵的统计热力学表示如下：学表示如下：8/1/202423管理学院管理学院式中：式中：k玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，p热力学几率。热力学几率。 对于孤立系统，对于孤立
32、系统，ds 0。 对于开放系统，熵的改变有两部分组成：对于开放系统，熵的改变有两部分组成：式中：式中：des与外界交换产生的熵流与外界交换产生的熵流 dis系统内部自发产生的熵，系统内部自发产生的熵， dis 08/1/202424管理学院管理学院 因因dis 0当当des 0，则，则ds 0，系统向环境输入物质、能量，加速向平衡态运动；，系统向环境输入物质、能量，加速向平衡态运动；当当des0，则，则ds 0，系统平衡态受到扰动，但保持近平衡态；，系统平衡态受到扰动，但保持近平衡态；当当des 0，且，且ds 0，系统从环境获取物质、能量，有序性增加大于无序性增加，系统从环境获取物质、能量，
33、有序性增加大于无序性增加， 形成耗散结构。形成耗散结构。(2) 系统必须远离平衡态系统必须远离平衡态按热力学定义，平衡态是孤立系统经长时间的自发演化，稳定按热力学定义，平衡态是孤立系统经长时间的自发演化，稳定存在的一种最均匀无序的状态，处于线性区域。只有远离平衡态，存在的一种最均匀无序的状态，处于线性区域。只有远离平衡态，系统才会处于非线性区域，出现耗散结构。系统才会处于非线性区域，出现耗散结构。8/1/202425管理学院管理学院(3) 非线性相互作用非线性相互作用非线性相互作用是形成耗散结构的内在原因，可使子系统之间非线性相互作用是形成耗散结构的内在原因，可使子系统之间产生相干效应产生相干
34、效应(自组织结构自组织结构)和临界效应和临界效应(临界点上失稳临界点上失稳)，其演化方程，其演化方程一定是非线性微分方程。一定是非线性微分方程。(4) 涨落现象涨落现象涨落是随机系统特有的现象，来自于统计物理学的概念，表示涨落是随机系统特有的现象，来自于统计物理学的概念，表示宏观量的观测值与它的平均值存在偏差现象。宏观量的观测值与它的平均值存在偏差现象。涨落可以由系统内部引起，系统宏观状态确定后，各子系统仍涨落可以由系统内部引起，系统宏观状态确定后，各子系统仍可以随机运动，造成描写系统宏观物理量的涨落。可以随机运动，造成描写系统宏观物理量的涨落。涨落可以由系统外部引起，外部环境可以随机变化，造
35、成描写涨落可以由系统外部引起，外部环境可以随机变化，造成描写系统宏观物理量的涨落。系统宏观物理量的涨落。没有涨落存在，不论在什么条件下，系统都不会脱离原来不稳没有涨落存在，不论在什么条件下，系统都不会脱离原来不稳定的定态实现新的耗散结构。定的定态实现新的耗散结构。8/1/202426管理学院管理学院2、自组织的状态描述、自组织的状态描述自组织过程就是各状态变量相互作用，形成一种统一自组织过程就是各状态变量相互作用，形成一种统一 “力量力量”，使系统发生质变的过程。哈肯提出序参量的概念有效描述系统自组使系统发生质变的过程。哈肯提出序参量的概念有效描述系统自组织过程。织过程。描述系统状态的变量分为
36、两类：描述系统状态的变量分为两类：慢变量：系统处在无序状态时，状态变量的取值为零，随着系慢变量：系统处在无序状态时，状态变量的取值为零，随着系统由无序向有序的转化，变量值由零向正值变化，用来描述系统的统由无序向有序的转化，变量值由零向正值变化，用来描述系统的有序程度，这些变量随时间变化缓慢且数量少，也称为序参量。有序程度，这些变量随时间变化缓慢且数量少，也称为序参量。快变量：除序参量外的状态变量，随时间变化较快。快变量：除序参量外的状态变量，随时间变化较快。系统发生非平衡相变时，序参量的大小决定了系统有序程度的系统发生非平衡相变时，序参量的大小决定了系统有序程度的高低，同时具有支配其他快变量变
37、化的作用。高低，同时具有支配其他快变量变化的作用。8/1/202427管理学院管理学院讨论系统演化可以只研究序参量，它们将整个系统的信息集中讨论系统演化可以只研究序参量，它们将整个系统的信息集中概括起来，是了解、认识系统的一把钥匙。目前，确定序参量只有概括起来，是了解、认识系统的一把钥匙。目前，确定序参量只有原则，但没有具体规范方法。原则，但没有具体规范方法。系统发生非平衡相变时，序参量支配、主宰、役使快变量，它系统发生非平衡相变时，序参量支配、主宰、役使快变量，它本身一般又由系统的其他变量形成。本身一般又由系统的其他变量形成。哈肯将相变过程中，序参量与其它快变量之间的役使、服从关哈肯将相变过
38、程中，序参量与其它快变量之间的役使、服从关系称为役使原理。依据这一原理，提出求解系统演化方程的快变量系称为役使原理。依据这一原理，提出求解系统演化方程的快变量浸渐消去法。其法的思想基础在于演化方程中序参量变化慢，决定浸渐消去法。其法的思想基础在于演化方程中序参量变化慢，决定系统演化进程，因快变量先期达到相变点，然后不再变化。系统演化进程，因快变量先期达到相变点，然后不再变化。为此，令演化方程中快变量的导数为零，求出快变量与慢变量为此，令演化方程中快变量的导数为零，求出快变量与慢变量之间的关系，进而仅研究慢变量的微分方程。之间的关系，进而仅研究慢变量的微分方程。3、役使原理、役使原理8/1/20
39、2428管理学院管理学院四、自组织的几种形式四、自组织的几种形式前面主要从时间、空间、功能三方面在系统的有序程度上对自前面主要从时间、空间、功能三方面在系统的有序程度上对自组织前后系统的稳定状态进行比较。利用有序程度的大小分析自组组织前后系统的稳定状态进行比较。利用有序程度的大小分析自组织过程，利用有序状态的种类来划分系统的类型，对自组织前后的织过程，利用有序状态的种类来划分系统的类型，对自组织前后的系统变化有较深入的了解。系统变化有较深入的了解。本节将各类不同的自组织进行归类，从不同角度、侧面突出自本节将各类不同的自组织进行归类，从不同角度、侧面突出自组织的共同特点，但又强调其某一方面特征，
40、以利于对个别自组织组织的共同特点，但又强调其某一方面特征，以利于对个别自组织现象的分析。现象的分析。1、自创生、自创生从新状态与原有旧状态对比角度，对自组织状态的一种描述。从新状态与原有旧状态对比角度，对自组织状态的一种描述。自组织过程类似于相变，在一定的外界条件下，系统原来无序态失自组织过程类似于相变，在一定的外界条件下，系统原来无序态失稳，系统内要素之间相互作用自发产生新的结构和功能，称之自创稳，系统内要素之间相互作用自发产生新的结构和功能，称之自创生。贝纳尔对流中，出现的一组新的六角花样就是系统的自创生。生。贝纳尔对流中，出现的一组新的六角花样就是系统的自创生。生物进化中，每一种新物种的
41、出现就是自创生的例子。生物进化中，每一种新物种的出现就是自创生的例子。8/1/202429管理学院管理学院自创生的特点是系统出现原来不曾有的新状态、结构、功能，自创生的特点是系统出现原来不曾有的新状态、结构、功能，且不能用某种组织理论来分析变化前后状态之间的关系。且不能用某种组织理论来分析变化前后状态之间的关系。通常，新状态与原状态相比有序程度提高称为自创生，反之称通常，新状态与原状态相比有序程度提高称为自创生，反之称为自坍塌。为自坍塌。2、自复制、自复制从系统内子系统之间如何相互作用，才能保证系统形成某种新从系统内子系统之间如何相互作用，才能保证系统形成某种新的、有序的、稳定状态的角度，对自
42、组织所形成的新状态特点的一的、有序的、稳定状态的角度，对自组织所形成的新状态特点的一种描述。种描述。对于自组织过程中形成的稳定状态，从系统的层次看，系统状对于自组织过程中形成的稳定状态，从系统的层次看，系统状态不变；从子系统状态看，又是变化的，有生有灭。自复制是对系态不变；从子系统状态看，又是变化的，有生有灭。自复制是对系统中的子系统而言的，指系统中具有某种性质的子系统个数不因个统中的子系统而言的，指系统中具有某种性质的子系统个数不因个别子系统状态的改变而改变。子系统具有自复制功能，新状态得以别子系统状态的改变而改变。子系统具有自复制功能，新状态得以保持。保持。8/1/202430管理学院管理
43、学院3、自生长、自生长从系统整体层次的角度，对系统新状态随时间演化情况的一种从系统整体层次的角度，对系统新状态随时间演化情况的一种描述。对系统整体状态的分析：整体除描述。对系统整体状态的分析：整体除“体积体积”变大外，其他如形状、变大外，其他如形状、性质、特点、结构、功能均不发生变化。体积是形象的比喻，生物性质、特点、结构、功能均不发生变化。体积是形象的比喻，生物体生长发育、社会组织规模的扩大等。但体生长发育、社会组织规模的扩大等。但“体积体积”变大不能用简单的变大不能用简单的规律得出，即不是规律得出，即不是1+1=2。系统的自生长可以由同样性质的子系统数量增多（子系统自复系统的自生长可以由同样性质的子系统数量增多（子系统自复制）或数量不变但制）或数量不变但“体积体积”变大（子系统自生长）来实现。通常，子变大（子系统自生长）来实现。通常，子系统的自复制是系统自系统的自复制是系统自 生长的原因。生长的原因。8/1/202431
