华中农业大学,数学建模课程探求实际问题解决路径

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协同学讨论系统自组织过程的数学建模程序

华中科技大学,吴大进,曹立,陈立华等编著的《协同学原理和应用》是好教材。其中有协同耗散自组织理论在社会学,经济学,信息学,生物学,工程学的应用实例。

协同学,自组织,耗散结构,突变论,已逐渐融为一体。

定性与定量分析相结合,会使问题的探讨更完备,更严格。

自组织是由于,开放系统在与外部物质,能量和信息交换的条件下,系统内各子系统序参量(决定系统变化的慢变参量)相互关联涨落到某一个临界态,通过耗散协同的干涉与互动,自动形成的高度有序时空结构的现象与过程。最后面的图案,就是一种通过耗散协同过程,自组织形成的高度有序的新的时空结构图案。

协同学讨论系统自组织的程序

1, 协同学处理的系统,具有开放性(与外界有物质,能量和信息交流),合作性(相关与相互作用),随机性(耗散涨落)。将支配原理和序参量,用于一个开放的复杂系统,建立起相关的方程组,用支配原理分析序参量的自组织过程。

2,对建立的众多参量的方程组,协同学支配原理常采用绝热消去法,保留对系统演变起主导作用的慢弛豫参量,即令变化快的弛豫参量对时间的导数等于零,然后将得到的关系代入其他方程,从而得到只有一个或几个慢弛豫参量演化的序参量方程组,即支配原理把难以求解,无法求解的一组非线性方程,简化为少数几个甚至一个序参量方程。并进一步从物理图像确定处于支配地位的序参量(模式),在考虑和忽略涨落的二个情形下,求解序参量方程(这也是协同学数学工作量较大的一步),在此基础上说明和预言是否存在自组织现象(即是否产生新的时空结构)。

3,对非线性运动方程进行稳定性分析,并对失稳后的分岔情况进行讨论。靠前个方面的数学基础是,对子系统运动方程线性化算子的谱在临界区分离的分析,系统只有在线性失稳情况下,才可能进入自组织状态。人为控制参数超过临界值后,系统宏观结构类型取决于失稳特征和分岔解的类型。子系统运动方程线性化算子的谱在临界区的分离,是用支配原理获得序参量方程的前提。这个方面数学中的微分方程,稳定性理论和分岔理论是协同学重要的数学基础。

协同学另一个方面的数学基础是,对非线性随机微分方程的分析,协同学最终得到的序参量方程也正是这种类型的方程,为获得自组织系统的动力学性息,必须探讨求解非线性随机微分方程的方法,包括直接求解和**为概率分布运动求解。上述数学方法正在和协同学交叉发展。

序参量方程与解产生自组织的常见情况有,(1)通过外部条件控制参数调节系统(系统组份变量的前后数量不变),(2)通过控制参数的变化,实现了系统组份变量数目的变化(这时证明会产生自组织),(3)控制参数在临界值上下迅速变化,系统无法弛豫到一个稳定的终态,却始终处于过渡状态,这过渡态本身就是一种自组织状态,最终态是否稳定的存在不一定被讨论。

4,通过计算机模拟解分析序参量方程的上述三种变化,将有限的基本实验参数代入该系统的序参量动力学方程组的解,得出的解可以用直观的曲线方式清晰的表达出来。从而直观的看到复杂系统的自组织图形,并与实验结果进行比对,进一步分析序参量在动力学方程组之间的协同关联,是如何决定系统产生新的自组织有序结构的,从定量和定性二个方面,更深刻的理解协同学的支配原理,及序参量在自组织过程中的行为模式和所起的作用。

求解上述方程组的所用到的“支配原理(绝热法等),快慢变量(慢变量是序参量),线性失稳,非线性随机微分,涨落失稳分岔,最终态与过渡态,耗散与自组织,非线性方程之间的耦合,有序结构,协同突变”等,都上升到一种可量化的科学的哲学思想。

协同学,耗散结构和突变等思想一起,提供了一种认识和改造自然与社会的新思维。

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