Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования.
Санкт-Петербургский научно-исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики.
Кафедра безопасных информационных технологий.
Реферат
По «Теории систем и системному анализу»
«Закономерности сложных систем»
Выполнил: студент гр.1894
Сидорова К.П.
Проверил: Иващук Ирина Юрьевна
Санкт-Петербург, 2012
Оглавление.
Закономерности взаимодействия части и целого
Закономерности иерархической упорядоченности систем
Энтропийные закономерности
Закономерности развития
Закономерности возникновения и формулирования целей.
Другие общесистемные закономерности
Иерархические закономерности
1. Закономерности взаимодействия части и целого
1.1. ЭмерджентностьПри объединении элементов в систему наблюдается явление эмерджентности.Эмерджентность(от англ. emergence — возникновение, явление нового) — это возникновение в системе новых инегративных качеств, не свойственных ее компонентам. Эмерджентность является одной из форм проявления диалектического закона перехода количественных изменений в качественные (о том, что объединение элементов создает новое качество, человечество знало давно, еще со времен Аристотеля). Чем проще система, чем из меньшего числа элементов и связей она состоит, тем меньше проявляет она системное качество, и чем сложнее система, тем более непохожим является ее системный эффект по сравнению со свойствами каждого элемента. Из данной закономерности следует важный практический вывод: невозможно предсказать свойства системы в целом, разбирая и анализируя ее по частям. Кроме эмерджентных свойств, у системы сохраняются отдельные свойства, свойственные ее элементам. Пример. Вес системы равен весу ее элементов.1.2. ЦелостностьБолее общей закономерностью, чем эмерджентность, является целостность. Если изменение в одном элементе системы вызывает изменения во всех других элементах и в си-стеме в целом, то говорят, что система ведет себя как целостность или как некоторое связанное образование. Целостность возникает благодаря связям в системе, которые осуществляют перенос (передачу) свойств каждого элемента системы ко всем остальным элементам. Предельным случаем целостности является абсолютная целостная система. Благодаря абсолютно жестким связям такая система может находиться только в одном состоянии, поэтому эн-тропия ее равна нулю. Абсолютно жесткие связи предполагают передачу свойств от элемента к элементу без потерь (с максимально возможным коэффициентом передачи: к = 1). Тогда воздей-ствие на любой элемент системы тождественно отразится во всех элементах и в системе в целом. В реальных системах связи между элементами не являются абсолютно жесткими (к < 1), из-за чего система может находиться в нескольких состояниях. В этом случае воздействие на элемент системы отразится во всех элементах и в системе в целом, но с неким «затуханием». Следствием целостности является наличие побочных эффектов как положительных, так и отрицательных. Когда осуществляется какое-либо изменение в одной части системы, его влияние распространяется в разные стороны, подобно кругам на воде от брошенного в нее камня; поэтому действия в пределах системы не могут быть ограничены только отдельной ее частью. Ярким примером является воздействие лекарств на организм: нет такого лекарства, которое, кроме положительного воздействия на больной орган, не имело бы побочных эффектов его применения для других частей организма (иногда положительных, но чаще отрицательных). К важным аспектам целостности следует отнести соотношение свойств системы с суммой свойств составляющих ее элементов: свойства системы Qsне являются простой суммой свойств составляющих ее элементов (частей) qi:
Объединенные в систему элементы, как правило, утрачивают часть своих свойств (вернее сказать, утрачивают способность проявлять часть своих свойств), присущих им вне системы (Q-), т.е. система как бы подавляет ряд свойств элементов; но, с другой стороны, элементы, попав в систему, получают возможность проявить свои потенциальные свойства, которые не могли быть проявлены вне системы, т. е. они как бы приобретают новые свойства (Q+):
1.3. АддитивностьПротивоположный случай - поведение объекта, состоящего из совокупности частей, совершенно не связанных между собой; здесь изменение в каждой части зависит только от самой этой части. Такое свойство называют физической аддитивностью, суммативностью, независимостью, обособленностью. Если изменения в системе представляют собой сумму изменений в ее отдельных частях, то такое поведение называется обособленным, или физически суммативным. Свойство физической аддитивности проявляется у системы, как бы распавшейся на независимые элементы: тогда становится справедливым равенство:
В этом крайнем случае, когда ни о какой системе говорить уже нельзя, мы получаем некоторую вырожденную систему. Если считать элементы системы неделимыми, то энтропия адди-тивного образования достигает максимума. 1.4. СинергизмСинергизм (от греческого сотрудничество, содействие) проявляется в виде мультипликативного эффекта при однонаправленных действиях. Мультипликативность отличается от аддитивности тем, что отдельные эффекты не суммируются, а перемножаются.
Главные принципы синергетического подхода в современной науке таковы:
Принцип дополнительности Н. Бора.В сложных системах возникает необходимость сочетания различных, ранее казавшихся несовместимыми, а ныне взаимодополняющих друг друга моделей и методов описания.
Принцип спонтанного возникновения И. Пригожина.В сложных системах возможны особые критические состояния, когда малейшие флуктуации могут внезапно привести к появлению новых структур, полностью отличающихся от обычных (в частности, это может вести к катастрофическим последствиям — эффекты «снежного кома» или эпидемии).
Принцип несовместимости Л. Заде.При росте сложности системы уменьшается возможность ее точного описания вплоть до некоторого порога, за которым точность и релевантность (смысловая связанность) информации становятся несовместимыми, взаимно исключающими характеристиками.
Принцип управления неопределенностями.В сложных системах требуется переход от борьбы с неопределенностями к управлению неопределенностями. Различные виды неопределенности должны преднамеренно вводиться в модель исследуемой системы, поскольку они служат фактором, благоприятствующим инновациям (системным мутациям).
Принцип незнания.Знания о сложных системах принципиально являются неполными, неточными и противоречивыми: они обычно формируются не на основе логически строгих понятий и суждений, а исходя из индивидуальных мнений и коллективных идей. Поэтому в подобных системах важную роль играет моделирование частичного знания и незнания.
Принцип соответствия.Язык описания сложной системы должен соответствовать характеру располагаемой о ней информации (уровню знаний или неопределенности). Точные логико-математические, синтаксические модели не являются универсальным языком, также важны нестрогие, приближенные, семиотические модели и неформальные методы. Один и тот же объект может описываться семейством языков различной жесткости.
Принцип разнообразия путей развития.Развитие сложной системы многовариантно и альтернативно, существует «спектр» путей ее эволюции. Переломный критический момент неопределенности будущего развития сложной системы связан с наличием зон бифуркации — «разветвления» возможных путей эволюции системы.
Принцип единства и взаимопереходов порядка и хаоса.Эволюция сложной системы проходит через неустойчивость; хаос не только разрушителен, но и конструктивен. Организационное развитие сложных систем предполагает своего рода конъюнкцию порядка и хаоса.
Принцип колебательной (пульсирующей) эволюции.Процесс эволюции сложной системы носит не поступательный, а циклический или волновой характер: он сочетает в себе дивергентные (рост разнообразия) и конвергентные (свертывание разнообразия) тенденции, фазы зарождения порядка и поддержания порядка. Открытые сложные системы пульсируют: дифференциация сменяется интеграцией, разбегание — сближением, ослабление связей — их усилением и т, п.
Нетрудно понять, что перечисленные принципы синергетической методологии можно разбить на три группы: принципы сложности (1-3), принципы неопределенности (3-6) и принципы эволюции (7-9).
Примеры: 1. Пусть система имеет два входа (х1и х2)и один выход у, тогда аддитивный эффект описывается уравнением у=а1х1+а2х2, а мультипликативный — уравнением у = ax1x2. 2. В медицине часто можно наблюдать явление, когда комбинированное действие лекарственных веществ на организм превышает действие, оказываемое каждым компонентом в отдельности. 3. В экономике доходы от совместного использования ресурсов превышают сумму доходов от использования тех же ресурсов по отдельности.1.5. Прогрессирующая изоляция и прогрессирующая систематизацияПоскольку абсолютная целостность и абсолютная аддитивность не более чем абстракция, то реальные системы находятся где-то в промежуточной точке на оси целостность - аддитивность. Поскольку большинство реальных систем изменяется во времени, то их состояние В конкретный момент времени можно охарактеризовать тенденцией к изменению состояния в сторону целостности или аддитивности. Для оценки этих тенденций американский ученый А. Холл ввел две сопряженные закономерности, которые он назвал: o прогрессирующая факторизация - стремление системы к состоянию со все более зависимыми элементами; o прогрессирующая систематизация - стремление системы к уменьшению самостоятельности элементов, т. е. к большей целостности. Если изменения в системе приводят к постепенному переходу от целостности к суммативности, то говорят, что система подвержена прогрессирующей изоляции (факторизации). Прогрессирующая изоляция может носить как прогрессивный (развивающий) характер, так и деструктивный. В связи с этим различают два типа прогрессирующей изоляции: 1. распад системы на независимые части с потерей общесистемных свойств; 2. изменения в направлении возрастающего деления на подсистемы с увеличением их само-стоятельности или в направлении возрастающей дифференциации функций, что характерно для систем включающих в себя некоторый творческий рост или процессы эволюции и развития. Примеры: 1. Эмбриональное развитие, при котором зародыш проходит путь от целостности до такого состояния, когда он ведет себя как совокупности частей, независимо развивающихся в специальные органы. 2. При развитии таких технических систем, как телефонная есть или автоматизированные си-стемы управления, в соответствии с определенным замыслом происходит разделение на подсистемы, конструирование и развитие которых впоследствии осуществляются относительно независимо. Прогрессирующая систематизация - это, в противоположность прогрессирующей изоляции, процесс, при котором изменение системы идет в сторону целостности. Прогрессирующая систематизация может состоять в усилении ранее существовавших связей между частями системы, появлении и развитии новых связей между ранее не связанными между собой элементами или подсистемами, добавлении в систему новых элементов. Прогрессирующая изоляция и прогрессирующая систематизация не являются взаимоисключающими явлениями - они могут проходить в системе одновременно или протекать последовательно, сменяя друг друга. Пример. В начале колонизации Америки группы людей из разных стран колонизировали различные ее области, и эти группы становились все более и более независимыми. В последующем стал усиливаться обмен, было образовано общее правительство, и новая страна становилась все более целостной.1.6. Изоморфизм и изофункционализмИзоморфизм - это сходство объектов по форме или строению. Это означает, что системы, рассматриваемые отвлеченно от природы составляющих их элементов, являются изоморфными друг другу, если каждому элементу одной системы соответствует лишь один элемент второй и каждой связи в первой системе соответствует связь в другой и наоборот. Если ввести в описание систем в качестве параметра время, т. е. рассматривать их в динамике, то понятие изоморфизма можно расширить до так называемого изофункционализма и с его помощью сопоставлять сходные процессы (физические, химические, производственные, экономические, социальные, биологические и др.) . Отсюда следует общесистемная закономерность: системы, находящиеся между собой в состоянии изоморфизма и изофункционализма, имеют сходные системные свойства. Примеры: 1. Из периодической системы Д.И. Менделеева следует, что химические элементы со сходной структурой имеют схожие свойства. 2. Многие процессы в химии, экономика, биологии и других областях описываются экспоненциальными зависимостями от времени. В связи с этим следует ожидать сходных реакций таких систем на однотипные возмущения. Возможность моделировать сложные системы любой природы с помощью средств вычислительной техники с соответствующим программным обеспечением позволяет считать такой программно-технический комплекс изоморфным и изофункциоиальным любой системе.