许仁忠：20世纪以来的科学技术(145)

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（续）第十一篇 教学相长   学在教中 — 我的教学心得与感悟

20世纪中叶，系统论控制论信息论“三论”蓬勃兴起。二十世纪四十年代末，随着科技的发展，各个科学研究领域的分支日益细化，各学科之间相互渗透的现象越来越明显。在这种趋势下，系统论、控制论、信息论这三门边缘学科应运而生，“三论”对科学技术和思维的发展起到了巨大的推动作用，为现代多门新学科的出现奠定了坚实的基础。“三论”中，系统论提出系统概念并揭示其一般规律，控制论研究系统演变过程中的规律性，信息论则研究控制的实现过程。因此，信息论是控制论的基础，二者共同成为系统论的研究方法。

系统论是研究系统的结构、特点、行为、动态、原则、规律以及系统间的联系，并对其功能进行数学描述的新兴学科。系统论的基本思想是把研究和处理的对象看作一个整体系统来对待。

系统论的主要任务就是以系统为对象，从整体出发来研究系统整体和组成系统整体各要素的相互关系，从本质上说明其结构、功能、行为和动态，以把握系统整体，达到整体最优化的目标。

美籍奥地利人理论生物学家贝塔朗菲被认为是系统论的创立人， 他在1932年发表“抗体系统论”中提出了系统论的思想，在1937年提出了一般系统论原理，奠定了这门科学的理论基础，他的论文《关于一般系统论》，到1945年才公开发表，他的理论到1948年在美国再次讲授“一般系统论”时，才得到学术界的重视。确立系统论科学学术地位的是1968年贝塔朗菲发表的专著：《一般系统理论基础、发展和应用》，这本书被认为是这门学科的代表作，书中把系统定义为：由若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体。在这个定义中包括了系统、要素、结构、功能四个概念，表明了要素与要素、要素与系统、系统与环境三方面的关系。

系统论认为，开放性、自组织性、复杂性，整体性、关联性，等级结构性、动态平衡性、时序性等，是所有系统的共同的基本特征。系统论的核心思想是系统的整体观念，任何系统都是一个有机的整体，它不是各个部分的机械组合，系统的整体功能是各要素在孤立状态下所没有的性质。亚里斯多德的“整体大于部分之和”的名言正好说明了系统的整体性，那种认为要素性能好整体性能一定好的机械论观点是系统论不认同的。

系统论的基本思想方法是把所研究和处理的对象当作一个系统，分析系统的结构和功能，研究系统、要素、环境三者的相互关系和变动的规律性，对系统进行优化。系统论不仅在于认识系统的特点和规律，更重要地还在于利用这些特点和规律去控制、管理、改造或创造系统，使它的存在与发展合乎人的目的需要，研究系统的目的在于调整系统结构，协调各要素关系，使系统达到优化目标。

系统论反映了现代科学发展的趋势，反映了现代社会化大生产的特点，反映了现代社会生活的复杂性，所以它的理论和方法能够得到广泛地应用。系统论不仅为现代科学的发展提供了理论和方法，而且也为解决现代社会中的政治、经济、军事、科学、文化等等方面的各种复杂问题提供了方法论的基础，系统观念已经渗透到每个领域。

控制论的建立是20世纪的伟大科学成就之一，现代社会的许多新概念和新技术几乎都与控制论有着密切关系。控制论的应用范围覆盖了工程、生物、经济、社会、人口等领域，成为研究各类系统中共同的控制规律的一门科学。1948年维纳的奠基性著作《控制论》出版，成为控制论诞生的一个标志。这本书的副标题为“关于在动物和机器中控制与通信的科学”，这为控制论在当时研究现状下提供了一个科学的定义。

控制论是从一般意义上研究信息提取、信息传播、信息处理、信息存储和信息利用等问题，控制论是从信息和控制两个方面研究系统，涉及4个方面：确定输入输出变量。控制系统为达到一定的目的，需要以某种方式从外界提取必要的信息，再按一定法则进行处理，产生新的信息反作用于外界。根据系统的输入输出变量找出它们之间存在的函数关系。通过引入仅与系统有关的状态变量而用两组方程来描述系统即建立系统模型。一组称为转移方程又称状态方程，用以描述系统的演变规律；一组称为作用方程又称输出方程，用以描述系统与外界的作用。抽象后的系统模型可用于一般性研究并确定系统的类别和特性。引入无偏性、最小方差、输入输出函数的自相关函数和相关分析等概念，从每个个别样本函数来获取所需的信息，建立时间序列的预测和滤波理论，非线性随机理论不但是控制论的数学基础，而且是处理一切大规模复杂系统的重要工具。

控制论的跨学科性质通过信息和反馈建立了工程技术与生命科学和社会科学之间的联系，不仅可使一个科学领域中已经发展得比较成熟的概念和方法直接用于另一个科学领域，而且提供了采用类比的方法特别是功能类比的方法产生新设计思想和新控制方法的可能性，生物控制论与工程控制论、经济控制论和社会控制论之间就存在着类比的关系，自适应、自学习、自组织等系统通过与生物系统的类比研究可提供解决某些实际问题的途径。

信息论是一门用数理统计方法来研究信息的度量、传递和变换规律的科学。它主要是研究通讯和控制系统中普遍存在着信息传递的共同规律以及研究最佳解决信息的获限、度量、变换、储存和传递等问题的基础理论。香农被称为是“信息论之父”，1948年克劳德·香农发表的论文“通信的数学理论”是首次在通讯过程建立了数学模型的论文，这篇论文和1949年发表的另一篇论文一起奠定了现代信息论的基础。

信息理论包含了研究、通信 、信息熵、数据压缩与传输 、加密解密技术等，信息论的研究范围极为广阔，可分成三种不同类型：狭义信息论是应用数理统计方法来研究信息处理和信息传递的科学，它研究存在于通讯和控制系统中普遍存在着的信息传递的共同规律，以及如何提高各信息传输系统的有效性和可靠性。一般信息论研究通讯问题，包括噪声理论、信号滤波与预测、调制与信息处理等。广义信息论除包括狭义信息论和一般信息论的问题外，还包括所有与信息有关的领域，如心理学、语言学、神经心理学、语义学等。

20世纪70年代，由于数字计算机的广泛应用，如何更有效地利用和处理信息，人们越来越认识到信息的重要性，认识到信息可以作为与材料和能源一样的资源充分利用和共享，信息的概念和方法已广泛渗透到各个科学领域，成为人类各种活动中所碰到的信息问题的基础理论，推动了许多新兴学科进一步发展。人们把早先建立的有关信息的规律与理论广泛应用于物理学、化学、生物学等学科中去，一门研究信息的产生、获取、变换、传输、存储、处理、显示、识别和利用的信息科学正在形成。

信息科学是人们在对信息是在信息论、电子学、计算机科学、人工智能、系统工程学、自动化技术等多学科基础上发展起来的一门边缘性新学科。它研究信息的性质，研究机器、生物和人类关于各种信息的获取、变换、传输、处理、利用和控制的一般规律，设计和研制各种信息机器和控制设备，实现操作自动化，以便尽可能地把人脑从自然力的束缚下解放出来，提高人类认识世界和改造世界的能力。随着信息科学的不断发展。信息论的研究已与很多近代科学密切相关 ，如通信 、雷达 、声纳 、导航 、遥测 、遥控 、遥感、计算机、信息处理技术、物理学 、生物学、仿生学等。

信息论去控制论虽然都是系统论的研究方法与工具，但两者有着基本区别：控制论用抽象的方式揭示包括生命系统、工程系统、经济系统和社会系统等在内的一切控制系统的信息传输和信息处理的特性和规律，研究用不同的控制方式达到不同控制目的可能性和途径，它不涉及具体信号的传输和处理。信息论则研究信息的测度理论和方法，并在此基础上研究与实际系统中信息的有效传输和有效处理的相关方法和技术问题，如编码、译码、滤波、信道容量和传输速率等。

20世纪中叶的系统论、控制论与信息论在当时统称为“三论”，它们为20世纪。科学技术和社会经济发展做出了卓越的贡献。进入20世纪下半叶，又有一系列新的理论诞生，主要是耗散结构论、协同论、突变论，系统科学把它们合称为“新三论”，而把系统论、控制论和信息论合称为“老三论”。

（未完待续）

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