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《控制论与科学方法论-金观涛+华国凡》读书笔记

2025-01-20 17:04:39   0  举报

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AI智能生成

控制论

科学方法论

作者其他创作

大纲/内容

第一章控制和反馈

控制过程

（1）了解事物的可能性空间

（2）在可能性空间中选择状态目标

（3）控制条件，使事物向目标转化

控制能力

实行控制前后的可能性空间之比

控制方法

随机控制

应用场景

陌生领域，没有其他控制方法

控制速度

应用计算机的高算力得到高控制速度

可能性空间

确保目标在可能性空间中

错误排除陷阱

避免错误排除目标状态

控制顺序

最后尝试可能削弱控制能力的状态

随机控制改进

有记忆的控制

随机控制中排除已证明非目标状态

共轭控制

应用场景

运用工具扩大控制能力，完成对控制对象的控制

控制过程

与控制过程A共轭的控制过程：

感受器：对控制对象进行控制转化，使之可以控制

效应器：对转化后的控制对象进行控制过程A

场景案例

曹冲称象、均匀粉末、数字和语言对现实世界的变现

研究共轭控制的意义

把数学的共轭控制理论运用到制造和使用工具中

负反馈调节

应用场景

通过积累有限的控制效果，扩大控制能力

控制环节

一旦出现目标差，便自动出现减少目标差的反应

减少目标差的反应多次发生，积累对目标的逼近

场景案例

生物界和人类行为中几乎所有趋向目的的控制过程

正反馈

应用场景

目标差不断扩大

场景案例

军备竞赛、炸药爆炸（化学反应和热量释放）

第二章信息、思维和组织

信息

获得信息（知道）

我们头脑中事物可能性空间变小或变大的过程

信息量

理念：通过概率计算信息量的大小

表示：信息概率的负对数-logP，使得信息量相加表示获得的总信息量

实际中，使用以2为底的负对数计算信息量，单位为比特

信息的传递

定义：信息源对接受者的影响，可能性空间变化的传递

环节：信息源、信息通道、接受者

信息和控制：信息传递需要实行控制，控制过程依赖信息的传递

通道容量

影响因素

（1）控制信息源的速度和控制能力

（2）信息源的可辨状态/可能性空间大小

（3）信息传递的速度和对接受者的控制能力

选择适当通道容量

太小不能及时准确传递

信息容量增大导致干扰增加

干扰

定义：信息的控制能力减弱或失去控制能力

三类干扰

控制干扰：发生在人控制信息源的可辨状态过程

自然干扰（噪音）：发生在信息传递过程

主观干扰：发生在接受者接受信息过程

选择适当通道容量

太小不能及时准确传递

信息容量增大导致干扰增加

滤波

定义：在信息传递过程中排除干扰的操作

信息沿同一通道重复传递

应用：排除随机干扰、偶然干扰

缺点：不能排除系统性、规则性干扰

用不同通道传递同一信息

应用：排除系统性、规则性干扰

注意：应当使不同通道的各个环节尽量地不同

选择：选择其中较短的信息通道

案例：染色体减数分裂

阻抗滤波法

定义：保留信息传递，限制干扰通过

案例：收音机滤波器、生物的感受器

信息和其重要性一起传递

定义：通过传递信息的重要性提醒接受者注意

案例：讲话时的语调、警示标志的颜色

反馈滤波法

定义：利用接收到的信息和通道互相作用，抑制干扰通过

案例：感官和大脑合作，视而不见、听而不闻

同步滤波法

定义：利用信息和通道开关的同步滤波

案例：感官和大脑合作，视而不见、听而不闻

信息的存储

定义：把不稳定的可辨状态变换成稳定的可辨状态

特点

储存信息的载体具有稳定性

载体只保存了事物的部分信息

储存信息的解读要求了解载体和信息的对应关系，以及载体的解读方式

案例：化石、文物、人的记忆

信息的加工

定义：对接收的信息进行处理获得新的信息的过程

信息加工形式

三段论：可能性空间的合理缩小

概率计算

自由联想

信息和组织

组织过程：事物之间联系的可能性空间从大到小（或从混乱无序到有秩序）建立联系的过程

组织过程与获得信息：系统必须获得信息才能组织起来

第三章系统及其演化

系统研究中的因果联系

因果长链，概率因果，互为因果和自为因果，因果网络

相对孤立系统

忽略影响概率足够小的因素

尽可能是自相闭合的互为因果网络

根据研究目的和系统变化的时间尺度，抓住主要的互为因果变量

系统的结构和演化

系统变化的可能性

系统处于稳态结构：若干扰使系统偏离这一状态，系统内的相互作用仍可使系统回到这一状态

系统发生震荡或崩溃

系统从一种稳态结构向另一种稳态结构的演化

稳态结构和预言

理念：期望那些稳定的结构将是事物最可能趋向的目标

方法：找出全部稳定结构，分析最稳定的结构

均匀和稳定

均匀：系统在某维度上均匀，指系统在该维度上任意变换后的系统不变

稳定性：系统在干扰作用下不变的性质

耗散结构理论：与外界有能量和物质交换的开放体系不能维持均匀稳定结构，
其在与外界交换过程中自动趋向有序的不均匀结构，以保证自身的稳定

周期性振荡

影响因素

系统初始值大于振荡临界值

系统内各子系统的相互作用方式：正反馈

控制系统稳定性的方法

改变系统初始值

改变系统结构：在反馈回路中设置放大器或滤波器

超稳定系统

特点：不稳定出现时重新修复系统，直到找到原有的稳态结构

案例：人体系统

系统的演化

分叉：原有稳定结构不再稳定，系统新的稳定结构存在多种

汇流：系统的多种稳定结构打破后，迈向共同的稳定结构

一般孤立的系统演化中出现分叉，原先孤立后来发生联系的系统出现汇流

系统的崩溃（自繁殖）

特点：系统稳态结构迅速打破，发生崩溃

自繁殖过程共性

系统变量大于临界值

系统内部存在有因果关系的自动增长链

多由于负反馈控制机制被破坏

案例：核爆、激光、细菌繁殖、癌的生长、传染病流行

自组织系统

系统和组织：系统的行成过程也是一个组织过程

自组织过程：在一组事物间自动发生的，形成系统的过程

特点

先有一个组织核心

系统是不稳定系统或亚稳定系统

系统内部存在有因果关系的自动选择链

自组织过程是不可逆的

自组织核心的微小差别可以导致形成大组织的巨大差别

应用

智力放大

实质：选择能力的放大

通过选择和调节自组织核心，使整个选择过程自动放大

超级放大器

以不可观察的事物作为自组织核心，以这一核心引发成长的组织不断增大到可以观察的程度

第四章质变的数学模型

质的稳定性

事物受到较大干扰时，状态发生的变化很小

事物受到干扰偏离状态时，能自动回到原来状态

事物自动发生或容易发生的总趋势

稳定结构的数学表达
——突变理论

动态图

定义：用示象点表示变换经历的各个状态，用示象点之间的箭头表示状态的变换方向

解读：示象点之间箭头集中的位置就是稳定状态

势函数曲线

定义：事物的能量随变量变化的函数曲线

解读

事物的状态总是自动趋向能量最小的状态，因此势函数曲线的洼底就是事物的稳定态

每一个洼都表示事物的一个稳定态，洼越深说明相应的稳定态越稳定

描绘事物变化的过程

势函数的洼不变时，事物处于稳定状态

条件改变引起洼的移动变浅时，事物发生渐变

条件改变使旧洼消失时，事物从不稳定态向新洼过渡，事物发生突变

飞跃和渐变

飞跃：质变中渐进过程中断，出现区别两种质态的关节点，以不连续的方式完成过渡

渐变：两种质态间没有绝对分明和固定不变的界限，差异在中间阶段互相融合，以渐进、连续方式完成过渡

判断原则

飞跃过程：质变中经历的中间过渡态是不稳定的

渐变过程：质变中经历的中间过渡态是稳定的

不同的条件

飞跃过程：新质因素增强的同时，旧质因素没有明显减弱

渐变过程：新质因素增强的同时，旧质因素明显减弱

矫枉必须过正现象

表现：滞后现象

原因：飞跃的关节点是一个区域，干扰越大飞跃发生得越早

场景：质变以飞跃方式进行时，存在于关节点分布区域之内

极端共存

定义：大系统的各个子系统同时处于完全不同的质态，共存的质态之间不连续

场景：质变以飞跃方式进行时，存在于关节点分布区域之内

第五章黑箱认识论

黑箱理论：控制论的认识论，研究主体和客体之间的反馈系统

主体和客体的反馈耦合

主体通过可观察变量（输出变量）认识客体

主体通过可控制变量（输入变量）改造客体

主体的精神活动被客体认识和改造

认识客体黑箱的方法

不打开黑箱的方法

优点：简便易行，破坏黑箱原有结构

适用场景

内部结构非常复杂的系统（特大系统、特大黑箱）

尚无手段打开的黑箱

打开黑箱会严重干扰本身结构的系统

打开黑箱的方法（打开了黑箱的某一个层次）

认识论模式

过程：提出模型、检验模型、修改模型、再检验模型等循环过程

原理：运用负反馈调节原理认识真理

模式成立的条件

可观察变量和可控制变量受到生产水平和实践手段的限制，要求实践手段不断更新

模型或理论本身要具有清晰性和可证伪性，要求理论给出信息量

模型逼近客观真理的速度，要求模式循环的速度超过客体变化的速度

避免反馈过度

可判定条件：实验结果的误差要能反映理论跟客观真理的接近程度

可判定条件不成立时，运用中间标准（科学范式）

1、事物存在的基础不只是确定性，还包括种种可能性。事物的状态可能只是事物可能性的一种。
2、控制就是在事物的众多可能性中找出希望得到的目标可能性，并控制条件使事物向目标可能性转化。
3、信息是对事物可能性的描述，因此可以依赖获取的信息对事物进行控制，而控制也会产生信息。
4、我们面对的事物实质是具有因果联系的多因素组成的系统。从系统的稳定状态研究入手，分析系统的演化过程。