协同学简介谭晓宇.pptx

1、,协同学简介（synergetics）,赫尔曼哈肯,组员：曾文霞 钱学艳 周风娇 谭晓宇,目录,1.协同学的产生,协同学的意义协同与协同学基本思想研究对象,熵与能量退降基本概念协同论的基本原理协同与竞争阴阳五行学说,1.协同学的产生,协同学是由原西德斯图加特大学理论物理学教授哈肯（HHaken）创立，他从1960年起就研究激光理论。激光的形成是非平衡开放系统从无序到有序的典型现 象。他以激光理论为基础，通过类比归类，形成完整 的理论，1970年，他最初提出协同学，又用了7年时 间，哈肯于1977年出版了协同学导论，创立了协 同论。立即引起了国际理论物理、理论生物、化工、医学、工程应用，以及社会

2、学界的极大兴趣。1983年 出版了高等协同学以及由他主编的近20本有关协 同学的的专著，标志着协同学在十几年间由孕育、诞 生，走向成熟。,2.协同学的意义,协同学从问世到现在，虽然只有短短的几十年 的时间，但由于所研究的现象普遍，对有关的 自然学科一般都能给出定量结果，对有关的社 会科学问题也能在科学的基础上给出良好的定 性说明，因而受到世界各国自然科学界的瞩目、哲学界的关注，被称为横跨自然科学和社会科 学的纽带和桥梁。,3.协同与协同学,协同：就是一种合作现象，是指一个开放系统 内各子系统之间的协调同步的非线性的一种特 性。协同学：协同学是“一门关于共同协作或合作 的科学”，也称为“协同工作

3、之学”，指的是 系统的各个部分之间的互相协作，其结果使整 个系统产生出一些在微观个体层次中并不存在 的新的结构和特征。,协同学定义协同学是以现代最新的一些科学理论（如信息论、控制论、突变论等）为基础，采用适用范围很广 的统计学和动力学相结合的方法，通过分析类比，建立了一整套数学模型和处理方案，来描述各种 系统和运动现象中从无序到有序转变的共同规律 的一门新兴学科。,协同学的本质系统内部的协同综合作用的本质是一个系统不 断实现有序化的分化过程。从微观上看：子系统实现了某种联系和统一。从宏观上看，系统离开了某种均匀分布的平衡 态，形成了步调、格局、空间模式和时间周期 的某种稳定的区分和有序。例如：

4、社会进化中的产业分工。,4.基本思想,从系统内部寻找有序源泉。系统的行为并不是其子系统行为的迭加，而是 由子系统的相互作用调节和组织起来的。涨落导致有序。自组织是系统有序化的内在根据。,5.研究对象,协同学是研究由不同性质的大量子系统（诸如电子、原子、,分子、细胞、神经元、力学元、光子、器官、动物乃至人 类）所构成的各种系统。系统是由两个以上的要素组成的整体，单个要素也无法 构成系统。系统的诸要素之间、要素与整体之间、以及整体与环境 之间存在着一定的有机联系。系统要素之间的联系与作用必产生一定的功能。功能是 系统所发挥的作用或效能，且是各要素个体所不具备的 功能，这种功能是由系统内部要素的有机

5、联系和系统的 结构所决定的。,6.熵与能量退降,热力学第一定律：一个实际过程发生后，能量 总值保持不变。热力学第二定律：在一个不可逆的过程中，系 统的熵值增加。系统的能量不变，但由于系统熵值的增加，说 明系统中一部分能量丧志了做功的能力，这就 是“能量退降”。,热冷能量传递,平衡,把温度不同的两个 铜块放在一个绝热 的容器中，最终二 者的温度会趋于一 致。,热力学平衡,热力学平衡用热力学的语言来讲，孤立系统的熵总是趋向 于它的极大值。熵是系统混乱程度的量度，熵 愈大系统的混乱程度也就愈大，从而系统的有 序度就愈小，而热平衡态则对应着系统熵的极 大值,：,能级退降的例子考虑一辆关闭了引擎而仍在行

6、驶的汽车。开始时汽车在运动，从物理学的观点来看，它是具有 一定动能的一个自由度的运动（向一个方向运动）。这些动能被摩擦力消耗掉，转变为热量（使轮子发 热）。热量意味着许多粒子的热运动，一个自由度上的能量 被分配于许多自由度上另一方面，显然我们不能通过仅仅加热轮子而使一辆 车子走动。,7.基本概念,相与相变平衡与非平衡平衡相变与非平衡相变快弛豫参量与慢弛豫参量序参量,7.1 相与相变,相：系统宏观上具有一定特性的状态。系统的不同状态或功能被称为不同的相。如气 态、液态和固态是空间结构不同的三种相。相变：系统从一种相到另一种相的转变。系统宏观状态的改变伴随着其有序性的改变。,7.2 平衡与非平衡,

7、平衡:系统处于热力学的平衡状态，在平衡状 态时系统内部不产生宏观迁移的现象。包括系统各部分压强相等（力学平衡）、温度 相等（热平衡）、化学势相等（相平衡）等。非平衡：不符合平衡时。,7.3 平衡相变,平衡相变：在平衡系统中发生的相变，即为平 衡相变。相变之后产生的新系统不需要外界供给能量和 物质来维持它的平衡。,无序有序当我们从外部操纵一个系统时，我们能够改变它的有序程 度。比如水蒸汽，在高温下，它的分子互不相关地自由运动。当温度降低时，它形成液滴，分子互相之间保持一个平均 距离。因此它们的运动是高度相关的。最后，在更低的温度，在凝固点处，水转变成冰的晶体。现在分子完全以固定的秩序排列。,平衡

8、相变,固,汽,液,平衡相变,虽然三种状态都是有 同一种水分子组成的，但在从汽态到液态，从液态到固态的变化 过程中，系统的有序 化程度也在不断增加，它们的宏观物理特性 如光学性能和热学性 能也发生了很大的变 化。,7.3 非平衡相变,非平衡相变：我们把远离平衡时系统从无序向 有序结构的转变过程称为“非平衡相变”。非平衡相变的实质耗散结构理论耗散结构理论：是指一个远离平衡态的开放系统（力 学的、物理的、化学的、生物的、社会的等等）通过 不断地与外界交换物质和能量，在外界条件的变化达 到一定阈值时，就可能从原有的混沌无序状态过渡到 一种在时间上，空间上或功能上有序的规范状态。,激光器,当我们把泵源的

9、能量注入激光器时，发 生下面的情况：在小的泵源功率下，激光器如一盏灯那 样运行。原子天线互相独立地（即随机 地）辐射光波径迹。当泵源功率达到所谓激光阈值时，一个 全新的现象发生了，各个激活了的原子 在相干作用下变成同相振荡，这时它们 辐射出一个大的波径迹，其长度有 300000公里！,涨落系统自发地偏离某一平衡态（点）的现象，称为涨 落。当系统处于稳定状态时，这种涨落的幅度与宏观量 相比是很小的，并且衰减又快，因此常常可以把它 忽略。当系统刚刚进入临界点时，子系统间的各种可能的 耦合相当活跃，而且这些局部耦合所形成的涨落不 断冲击这系统，由于系统的无序和混乱就使涨落相 对的变大。,7.4 快弛

10、豫参量与慢弛豫参量,很多涨落得不到其它大多数子系统的响应便表 现为阻尼大而很快衰减下去，这种涨落的内容 就是快弛豫参量（也叫慢变量）。那个得到大多数子系统很快响应的涨落，边由 局部波及系统，得到放大，成为推动系统进入 新的有序状态的巨涨落，这种涨落的内容就是 出现临界无阻尼的慢弛豫参量（也叫快变量）。慢弛豫参量是主宰系统最终结构和功能的有序 度的序参量。,举例激光系统的电场强度化学反应中的浓度生态系统中种群的个体数社会系统中的语言、文化、公共道德、公众舆 论等等企业经营中的经营战略,7.5 序参量,怎样才能有效地描述系统的实际状态和结构并 进行研究系统演化中的共同性特征呢？首要问题就是要在各种

11、微观变量或宏观变量中 进行选择，找到描述系统宏观状态、结构和行 为的最主要、最有效、最后决定性的参量。为此哈肯采用了兰道在平衡相变理论中所使用 的序参量概念。,？,序参量序参量：是描述系统宏观有序度或宏观模式的参 量。它旨在描述系统在时间的进程中会处于什么样的 有序状态，具有什么样的有序结构和性能，运行 于什么样的模式之中，以什么模式存在和变化等。序参量一旦通过综合研究被找到，它不但对把握 系统的宏观秩序有决定性作用，而且可以通过它 去了解微观层次上各种子系统的行为或运动状态。,8.协同论的基本原理,哈肯把多组分系统整体协同变化的自组织过程（即协同过程）概括为三个基本原理：不稳定 性原理、支配

12、原理和序参量原理。协同学处理问题的三部曲：研究稳定性的丧失导出支配原理建立和求解序参量方程,不稳定性原理协同学采用与耗散结构理论基本相同的步骤，即使用 数学中的线性稳定性分析寻找分岔点（失稳点），其 物理思想是随着控制参量的逐渐变化，系统所处状态 的稳定性程度也在变化，这种数学方法旨在考查系统 原来状态的稳定性，关键在于当控制参量达到临界值 或阈值时，原状态丧失了线性稳定性即系统进入 不稳定状态，也就是达到了相变点，因此往往把这类 问题成为不稳定性问题。,支配原理又称为役使原理。自组织过程中，慢变量左右 着系统演化的整个进程，决定着演化结果出现 的结构与功能。慢变量决定快变量。,绝热消去原理绝

13、热消去原理：是指当系统处于阈值时，有序 结构形成的速度很快，外界对系统的影响可以 忽略，而在系统内部，可以采取忽略那些相对 衰减很快的“快弛豫参量”的变化，这样就可 以减少了许多变量，极大地简化了方程。,序参量原理慢变量在系统从稳定态向非稳定态过渡的过程中起主 宰作用，但是快变量也不是无所作为的，两者是相互 联系又相互制约的，各自都不能独立存在。所以，当 系统达到不稳定状态时，在快变量的作用下，将使系 统达到一个新的稳定平衡位置。这是一个有序化的进 程。伴随着系统有序化的进程（新的有序结构的产生、发 展），慢变量和快变量相互联系，相互制约，表现出 一种协同运动。这是系统子组织过程中子系统协调运

14、 动的一个重要表现。,序参量原理系统在自组织过程中的协同运动，不仅表现为慢变量 决定快变量的协同方面，而且表现在若干个慢变量间 的合作与竞争之中。几个序参量同时处在一个矛盾竞 争的系统中，每一个序参量决定着一种宏观结构以及 它所对应的微观组态，也就是说在这种情况下，系统 在不稳定点孕育着几种宏观结构的“胚芽状态”。最 终能出现哪一种结构，由序参量的合作与竞争的结果 决定。,序参量原理当几个序参量之中任何一个序参量都不能单独主宰宏 观结构形成过程时，便通过它们之间的合作，确定某 种反映序参量共同作用的宏观结构。当某一个序参量在各序参量的竞争中获胜时，就会形 成由该序参量主宰的宏观结构。即序参量的

15、合作会形 成一种宏观结构，而序参量的竞争终将导致只有一个 模式的存在。序参量之间的协同合作与竞争决定着系统从无序到有 序的演化进程，这是协同学的精髓所在。,协同放大原理非平衡的开放系统之所以具有发展的生机与魅 力，是因为存在着协同规律和竞争规律，子系 统间的协同合作与竞争，导致系统整体功能放 大，使整体大于局部之和。,催化作用原理开放系统要素间存在非线性的相互作用，会有 催化作用，促使自己和对立面都放大。自催化：反应物自己催化自己。互催化：反应物互相催化，相互作用。,9.协同与竞争,协同和竞争是自然界、人类社会和思维认知领 域的普遍现象，二者既相互区别，相互对立，有相互联系互为因果，是对立统一

16、的关系。,协同和竞争相互区别，相互对立从内容上看，协同是子系统间的合作、配合协调与和 谐，竞争是子系统间的对立矛盾、妨碍和抑制。从性质上看，协同表示事物间的相容性、共存性，竞 争表示事物间的相容性、排他性。从地位和作用上看，协同是客观事物间相互联系的基 础和前提，而竞争是客观事物在在普遍联系中得以运 动、变化、发展的重要条件和动力。第四，从内在规定性上看，二者各有其内在规定性和 质的差异，不容混淆。,协同和竞争相互联系，相互转化第一，竞争与协同相互联系、相互依赖。协同是竞争 前提下的协同，竞争是协同基础上的竞争。一方面，竞争与协同相互联系并依赖于竞争，协同离 不开竞争，离开竞争的协同不是真正的

17、协同，那将是“一潭死水”。另一方面，竞争与协同相互联系并依赖于协同，竞争 离不开协同，离开协同的竞争不是真正的竞争，那将 是“一盘散沙”。,协同和竞争相互联系，相互转化第二，竞争与协同引导相互引导、相互转化。协同是 竞争前提下的协同，竞争是协同基础上的竞争。一方面，竞争导致协同。序参量是最后的获胜者，决 定着新的序结构的形成，其他序参量为了整体的协同 放弃了自己的个性，服从于序参量。另一方面，协同并没有消除竞争，而是引导竞争，是 导致新竞争的前提。,10.阴阳五行学说,阴阳学说认为：任何事物都具有既对立又统一的阴阳 两个方面，这是万物生化不息的根源，是宇宙间事物 变化的根本规律。阴阳有两种意思

18、，一是说一切事物 都有阴阳两个方面；二是一切事物的属性也分为阴阳 两个方面。阴阳并不固定地代表某一事物，不是绝对 的，而是相对的，随着事物对立面的转化而转变。而 阴阳两者是相互滋生、相互依存的，必须把阴阳当作 一个整体而对待，并保持阴阳之间的协调，不能使其 一方偏盛或偏衰。,阴阳五行学说五行是以木、火、水、金、土为名的抽象概念。古人以这种抽象概念提示事物之间的相互联 系和运动变化规律。五行生克论认为任何一行 中具有生我、我生，克我、我克两个方面；而 相生之中，同时寓有相克；相克之中，寓有相 生，这是自然界运动变化的一般规律。,五行相生相克,五行反生与反克五行反生：指在五行相生序列中，当前项很强

19、 时，有可能出现前项生不出后项的反常现象。土不生金-土多则金埋；金不生水-金多则水浑；水不生木-洪水冲毁林木；木不生火-柴粗生不着火；火不生土-火大则土焦。,五行反生与反克五行反克：指在五行相克序列中，当前项较弱 而后项却很强时，前项反而要受到后项克制的 现象，又称反侮。水反克土-海水难成池；土反克木-土硬则木萎；木反克金-小刀难砍巨木；金反克火-真金不怕火炼；火反克水-杯水难灭车薪。,五行反生与反克,五行学说中的重要原则促进原则：任何一个相克过程，对于相克者的 相生者，起着促进相克过程的作用。例如：木是土的相克者，但水又是木的相生者。那么，水就起着促进“木克土”这一过程的 作用。,五行学说中

20、的重要原则抑制原则：任何一个相克过程，对于相克者的 相克者，起着抑制相克过程的作用。例如，在“木克土”这一相克过程中，木是土 的相克者，但在“金克木”这一相克过程中，金又是木的相克者，那么，金就起着抑制“木 克土”这一过程的作用。,五行学说中的重要原则掩蔽原则：任何一个相克过程，对于被克者的 相生者，起着掩蔽相克过程的作用。例如，在“木克土”这一过程中，土是木的被 克者，但在“火生土”这一相生过程中，火是 土的相生者，那么，火就起着掩蔽“木克土”这一过程的作用。,社会经济运动的五行循环经济运动中，生产引起分配分配引起交换，交换引起消费，消费引起了积累。生产对交换起着制约作用，交换又制约着积累，积累对分配起着制约作用，分配又制约着消 费，消费作为动力直接制约着生产。,社会经济运动的五行学说,企业生产经营的五行循环,企业参与市场竞争的五行循环,