复杂性科学方法.ppt

* 所谓计算方法就是从可计算理论出发，对问题的是否可以计算以及怎样计算进行分析，并且对计算的方法进行算法描述，以找到问题的解决方案或途径。 长期以来，算法和计算等概念一直与人类的认识活动相联系。计算机带给人类思维的最大冲击莫过于将这些范畴和方法泛化到了自然界。我们知道，自然界的事件都是在自然规律作用下的过程。计算机科学给我们的一个启示是，特定的自然规律实际上就是特定的“算法”，特定的自然过程实际上就是执行特定的自然“算法”的一种“计算”。这样来看，在我们的周围就存在着形形色色的“自然计算机”，生命和心灵也不例外。因此，计算方法就具有了普遍的一般方法论的意义。 图灵详细论证了心灵的计算本质，并批驳了反对机器能够思维的多种可能的意见。在图灵的影响下，麦卡锡、明斯基、西蒙和纽厄尔等人开创了人工智能这样一门新的学科，他们都把心灵的本质看作是计算，把思维看作是一种信息加工的过程。 * 通过把图灵机与生物细胞内DNA自我复制过程的比较，阿德勒曼得出细胞就是计算机的思想。不过，阿德勒曼进一步认为，通过适当的方法完全可以设计出用DNA进行计算的生物计算机。 现实世界事物的多样性只不过是算法的复杂程度的不同的外部表现。整个世界的演化:从虚无到存在，从非生命到生命，从感觉到思维，实际上都是一个计算复杂性不断增加的过程。不仅生命和思维的本质是计算，自然事件的本质也是计算。这或许是当今生命科学和相关的学科给我们的最大的启示。 * 复杂性科学与虚拟方法 在科学活动中，我们很少对研究对象进行完全直接的研究，相反，我们往往用某种替代物或过程来替代原来的对象，这也就是我们的科学实验。在实验中，我们采用“模拟”的方法来探索研究对象的现象与规律。实验作为实践的一种形式，在科学研究中起着探索和检验知识的作用。 计算机出现之后，虚拟实验和虚拟方法就成为一种新的实验形式和研究方法。 模拟、计算机与虚拟方法 用数字电子计算机来模拟真实的对象，都是要把对象信息转化成计算机能够处理的数字信息。这种新方法不是基于直接的观察与实验，而是基于从真实空间向虚拟空间的映射。在这里，诞生了科学研究的一种新方法一一模拟方 法。由于计算机模拟的数字虚拟特征，我们也一般把模拟方法称之为“虚 拟方法”。 面对复杂系统，直接的受控实验不太现实，我们不得不采用虚拟方法。借助于计算机的虚拟方法克服了直接实验或受控实验的缺点，使得复杂系统的实验检验成为可能。 * * 本方案严格保密，只对代用名开放。 2011-9-21 复杂性科学方法 * * 复杂性科学与模型方法 在科学研究活动中，给对象实体以必要的简化，用适当的表现形式或规则把它的主要特征描绘出来，这样得到的模仿品称为模型，对象实体称为原型。 模型的重要价值，就在于我们可以不必进行费时费力，而且可能有危险的公开实践，就可以预测到结果。 通过选择积木块和重组这些积木块的不同方法，我们建立起一些规则，用 来创建易于理解的受某些规则支配的系统模型。构思很好的模型，将会展 现出被模仿系统中的复杂性及涌现现象，但是删减了大量的细节部分。 复杂性科学一般都是在隐喻类比的基础上，建立复杂系统的模型。 对于一个难于直接下手研究的复杂客体，怎样着手研究，能不能顺利地进行研究，其关键常常就在于能不能针对所要研究的问题构建出一个合适的科学模型。 只有上升到模型建构层面，并且真正建立起属于自己富有特色的科学模型，复杂性科学才真正上升到了科学层次。 * 复杂性科学中的几个重要模型 复杂适应系统的回声模型 复杂适应系统(CAS)是美国圣菲研究所霍兰提出的一种复杂性理论，复杂性科学的一个重要方面，是对于复杂性的产生机制的研究，CAS理论就是对这个问题的一种回答。简单地说，其基本思想可以用一句话概括:“适应性造就复杂性”。我们把系统中的成员称为具有适应性的主体，简称为主体。所谓适应性就是指它能够与环境以及其他主体进行交互作用。主体在这种持续不断的交互作用的过程中，不断地“学习”或“积累经验”，并且根据学到的经验改变自身的结构和行为方式。整个宏观系统的演变或进化，包括新层次的产生，分化和多样性的出现，新的、聚合而成的、更大的主体的出现等等，都是在这个基础上逐步派生出来的。 霍兰在研究CAS时，就是在隐喻的基础上采用模型方法建构CAS的模型，从而建立其复杂适应系统理论的。他通过选择积木块和重组这些积木块的不同方法，建立起一些规则，用来创建易于理解的受某些规则支配的系统模型:刺激一反应模型。这个模型反映了CAS中具有主动性的主体的基本行为模型，即对个体是怎样适应和学习的理解和描述。他分三个步骤建立起这个微观模型，即:(1)建立执行系统的模型;(2)确立信用分派的机制;(3)提供规则发现的手段。 * 在微观的主体模型的基础上，霍兰开始建立整个系统的宏观模型，他称之为回声模型(Ehco