控制论、系统论、信息论

控制论、系统论、信息论

控制论

是研究动物(包括人类)和机器内部的控制与通信的一般规律的学科,着重于研究过程中的数学关系。综合研究各类系统的控制、信息交换、反馈调节的科学，是跨及人类工程学、控制工程学、通讯工程学、计算机工程学、一般生理学、神经生理学、心理学、数学、逻辑学、社会学等众多学科的交叉学科。

概述编辑

1834 年，著名的法国物理学家安培写了一篇论述科学哲理的文章，他进行科学分类时，把管理国家的科学称为“控制论”，他把希腊文译成法“Cybernetigue”。在这个意义下，“控制论”一词被编入19 世纪许多著名词典中。维纳发明“控制论”这个词正是受了安培等人的启发。

在控制论中，“控制”的定义是：为了“改善”某个或某些受控对象的功能或发展，需要获得并使用信息，以这种信息为基础而选出的、于该对象上的作用，就叫作控制。由此可见，控制的基础是信息，一切信息传递都是为了控制，进而任何控制又都有赖于信息反馈来实现。信息反馈是控制论的一个极其重要的概念。通俗地说，信息反馈就是指由控制系统把信息输送出去，又把其作用结果返送回来，并对信息的再输出发生影响，起到制约的作用，以达到预定的目的。

主要特征编辑

第一个特征

要有一个预定的稳定状态或平衡状态。例如在上述的速度控制系统中，速度的给定值就是预定的稳定状态。

第二个特征

从外部环境到系统内部有一种信息的传递。例如，在速度控制系统中，转速的变化引起的离心力的变化，就是一种从外部传递到系统内部的信息。

第三个特征

这种系统具有一种专门设计用来校正行动的装置。例如速度控制系统中通过调速器旋转杆张开的角度控制蒸汽机的进汽阀门升降装置。

第四个特征

这种系统为了在不断变化的环境中维持自身的稳定，内部都具有自动调节的机制，换言之，控制系统都是一种动态系统。

管理应用编辑

从控制系统的主要特征出发来考察管理系统，可以得出这样的论：管理系统是一种典型的控制系统。管理系统中的控制过程在本质上与工程的、生物的系统是一样的，都是通过信息反馈来揭示成效与标准之间的差，并采取纠正措施，使系统稳定在预定的目标状态上的。因此，从理论说：适合于工程的、生物的控制论的理论与方法，也适合于分析和说

明管理控制问题。

维纳在阐述他创立控制论的目的时说：“控制论的目的在于创造一种言和技术，使我们有效地研究一般的控制和通讯问题，同时也寻找一套恰当的思想和技术，以便通讯和控制问题的各种特殊表现都能借助一定的概念以分类”。的确，控制论为其他领域的科学研究提供了一套思想和技术，以致在维纳的《控制论》一书发表后的几十年中，各种冠以控制论名称的边学科如雨后春笋般生长出来。例如工程控制论、生物控制论、神经控制论、经济控制论以及社会控制论等。而管理更是控制论应用的一个重要领域。甚至可以这样认为，人们对控制论原理最早的认识和最初的运用是在管理面。从这个意义上说，控制论之于管理恰似青出于蓝。用控制论的概念和方法分析管理控制过程，更便于揭示和描述其内在机理

科学地位编辑

与研究物质结构和能量转换的传统科学不同，控制论研究系统的信息变换和控制过程。尽管一般系统具有质料、能量和信息三个要素，但控制论只把质料和能量看作系统工作的必要前提，并不追究系统是用什么质料构造的，能量是如何转换的，而是着眼于信息方面，研究系统的行为方式。控制论的另一位创始人、英国生理医学家W.R.阿什贝认为，控制论也是一种“机器理论”，但它所关注的不是物件而是动作方式。可以进一步说，控制论是以现实的（电子的、机械的、神经的或经济的）机器为原型，研究“一切可能的机器”──一切物质动态系统的功能，揭示它们在行为方式方面的一般规律。因此，与那些只研究特定的物态系统,揭示某一领域具体规律的专门科学相比较,控制论是一门带有普遍性的横断科学。

系统论

宇宙、自然、人类社会，由于人类设定的参照系不同，而分属于不同的子系统。如果把世界上所有的存在，划分为物质与精神世界的话，那么宇宙、自然、人类社会就通通属于物质与精神世界这个复杂巨系统。如果这样来看全宇宙，系统论就是具有哲学价值的世界观，所以可以说，宇宙是由具有组织性和复杂性的不同子系统构成的，这就是宇宙系统观。同时系统论又有很多类似数学模型的具体方法，来面对具体的子系统，从科学工具的角度来看系统论，系统论又是具有哲学价值的方法论。总之系统论在具备系统科学之个性化属性的同时，又有别于具体的数学方法、物理方法或化学方法等等具体科学门类的技术方法，从而具有普遍意义上的的哲学属性，像宗教观、物质观、信息观一样，具有世界观和方法论意义。

思想来源编辑

系统思想源远流长，但作为一门科学的系统论，人们公认是美籍奥地利人、理论生物学家L.V.贝塔朗菲（L.Von.Bertalanffy）创立的。他在1932年发表“抗体系统论”，提出了系统论的思想。1937年提出了一般系统论原理，奠定了这门科学的理论基础。但是他的论文《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。确立这门科学学术地位的是1968年贝塔朗菲发表的专著：《一般系统理论基础、发展和应用》(《GeneralSystemTheory;Foundations,Development, Applications》）,该书被公认为是这门学科的代表作。

系统一词，来源于古希腊语，是由部分构成整体的意思。今天人们从各种角度上研究系统，对系统下的定义不下几十种。如说“系统是诸元素及其顺常行为的给定集合”，“系统是有组织的和被组织化的全体”，“系统是有联系的物质和过程的集合”，“系统是许多要素保持有机的秩序，向同一目的行动的东西”，等等。一般系统论则试图给一个

能描示各种系统共同特征的一般的系统定义，通常把系统定义为：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。这些，既是系统所具有的基本思想观点，而且它也是系统方法的基本原则，表现了系统论不仅是反映客观规律的科学理论，具有科学方法论的含义，这正是系统论这门科学的特点。贝塔朗菲对此曾作过说明，英语SystemApproach直译为系统方法，也可译成系统论，因为它既可代表概念、观点、模型，又可表示数学方法。他说，我们故意用Approach这样一个不太严格的词，正好表明这门学科的性质特点。

核心思想

系统论的核心思想是系统的整体观念。贝塔朗菲强调，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或简单相加，系统的整体功能是各要素在孤立状态下所没有的性质。他用亚里斯多德的“整体大于部分之和”的名言来说明系统的整体性，反对那种认为要素性能好，整体性能一定好，以局部说明整体的机械论的观点。同时认为，系统中各要素不是孤立地存在着，每个要素在系统中都处于一定的位置上，起着特定的作用。要素之间相互关联，构成了一个不可分割的整体。要素是整体中的要素，如果将要素从系统整体中割离出来，它将失去要素的作用。正象人手在人体中它是劳动的器官，一旦将手从人体中砍下来，那时它将不再是劳动的器官了一样。

基本方法

系统论的基本思想方法，就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，并优化系统观点看问题，世界上任何事物都可以看成是一个系统，系统是普遍存在的。大至渺茫的宇宙，小至微观的原子，一粒种子、一群蜜蜂、一台机器、一个工厂、一个学会团体、……都是系统，整个世界就是系统的集合。

系统是多种多样的，可以根据不同的原则和情况来划分系统的类型。按人类干预的情况可划分自然系统、人工系统；按学科领域就可分成自然系统、社会系统和思维系统；按范围划分则有宏观系统、微观系统；按与环境的关系划分就有开放系统、封闭系统、孤立系统；按状态划分就有平衡系统、非平衡系统、**衡系统、远平衡系统等等。此外还有大系统、小系统的相对区别。

系统论任务

系统论的任务，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、改造或创造一系统，使它的存在与发展合乎人的目的需要。也就是说，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。

系统论出现的意义

系统论的出现，使人类的思维方式发生了深刻地变化。以往研究问题，一般是把事物分解成若干部分，抽象出最简单的因素来，然后再以部分的性质去说明复杂事物。这是笛卡尔奠定理论基础的分析方法。这种方法的着眼点在局部或要素，遵循的是单项因果决定论，虽然这是几百年来在特定范围内行之有效、人们最熟悉的思维方法。但是它不能如实地说明事物的整体性，不能反映事物之间的联系和相互作用，它只适应认识较为简单的事

物，而不胜任于对复杂问题的研究。在现代科学的整体化和高度综合化发展的趋势下，在人类面临许多规模巨大、关系复杂、参数众多的复杂问题面前，就显得无能为力了。正当传统分析方法束手无策的时候，系统分析方法却能站在时代前列，高屋建瓴，综观全局，别开生面地为现代复杂问题提供了有效的思维方式。所以系统论，连同控制论、信息论等其他横断科学一起所提供的新思路和新方法，为人类的思维开拓新路，它们作为现代科学的新潮流，促进着各门科学的发展。

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，系统观念正渗透到每个领域。

当前系统论发展的趋势和方向是朝着统一各种各样的系统理论，建立统一的系统科学体系的目标前进着。有的学者认为，“随着系统运动而产生的各种各样的系统(理)论，而这些系统（理）论的统一业已成为重大的科学问题和哲学问题。”

信息论

信息论是运用概率论与数理统计的方法研究信息、信息熵、通信系统、数据传输、密码学、数据压缩等问题的应用数学学科。

信息论将信息的传递作为一种统计现象来考虑，给出了估算通信信道容量的方法。信息传输和信息压缩是信息论研究中的两大领域。这两个方面又由信息传输定理、信源－信道隔离定理相互联系。

香农被称为是“信息论之父”。人们通常将香农于1948年10月发表于《贝尔系统技术学报》上的论文《A Mathematical Theory of Communication》（通信的数学理论）作为现代信息论研究的开端。这一文章部分基于哈里·奈奎斯特和拉尔夫·哈特利先前的成果。在该文中，香农给出了信息熵（以下简称为“熵”）的定义：

H = - ∑ pilogpi

这一定义可以用来推算传递经二进制编码后的原信息所需的信道带宽。熵度量的是消息中所含的信息量，其中去除了由消息的固有结构所决定的部分，比如，语言结构的冗余性以及语言中字母、词的使用频度等统计特性。

信息论中熵的概念与物理学中的热力学熵有着紧密的联系。玻耳兹曼与吉布斯在统计物理学中对熵做了很多的工作。信息论中的熵也正是受之启发。

互信息(Mutual Information)是另一有用的信息度量，它是指两个事件集合之间的相关性。两个事件X和Y的互信息定义为：

I(X,Y) = H(X) + H(Y) - H(X,Y)

其中H(X,Y) 是联合熵(Joint Entropy)，其定义为：

H(X,Y) = - ∑ p(x,y)logp(x,y)

互信息与多元对数似然比检验以及皮尔森χ2校验有着密切的联系。

应用范围

编码学

密码学与密码分析学

数据传输

数据压缩

检测理论

估计理论

政治学（政治沟通）

信息论概述

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。

研究范围

信息论的研究范围极为广阔。一般把信息论分成三种不同类型：

(1)狭义信息论是一门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的一门通讯理论。

(2)一般信息论主要是研究通讯问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制与信息处理等问题。

(3)广义信息论不仅包括狭义信息论和一般信息论的问题，而且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。

信息的定义域

信息是确定性的增加----逆Shannon信息定义；

信息是物质、能量、信息的标示----Wiener信息定义的逆;

信息是事物及其属性标识的集合。

信息与通讯

信息就是一种消息，它与通讯问题密切相关。1948年贝尔研究所的香农在题为《通讯的数学理论》的论文中系统地提出了关于信息的论述，创立了信息论。维纳提出的关于度量信息量的数学公式开辟了信息论的广泛应用前景。1951年美国无线电工程学会承认信息论这门学科，此后得到迅速发展。20世纪50年代是信息论向各门学科冲击的时期，60年代信息论不是重大的创新时期，而是一个消化、理解的时期，是在已有的基础上进行重大建设的时期。研究重点是信息和信源编码问题。到70年代，由于数字计算机的广泛应用，通讯系统的能力也有很大提高，如何更有效地利用和处理信息，成为日益迫切的问题。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而

加以充分利用和共享。信息的概念和方法已广泛渗透到各个科学领域，它迫切要求突破申农信息论的狭隘范围，以便使它能成为人类各种活动中所碰到的信息问题的基础理论，从而推动其他许多新兴学科进一步发展。目前，人们已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

信息科学是人们在对信息的认识与利用不断扩大的过程中，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。它的任务主要是研究信息的性质，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。信息科学在安全问题的研究中也有着重要应用。

信息论假说编辑

英译 Materialism

详细定义

物质、能量与信息是组成世界的三大要素。人们已经很深入地了解了物质与能量，而对信息的认识才刚起步。那么，信息是什么？它又是以何种方式存在的？它有着怎样的作用？以下是我的猜想，希望对人类进一步认识世界有一定帮助。

一、信息的定义

非世界三要素的信息定义:信息是事物及其属性标识的集合。不含世界三要素的的信息定义.

含三要素的信息定义：

1．信息是确定性的增加----逆Shannon信息定义；

2．信息就是信息，信息是物质、能量、信息及其属性的标示----Wiener信息定义的逆.

信息（information）是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，客观世界中大量地存在、产生和传递着以这些方式表示出来的各种各样的信息。然而，这只是对于我们所生活的三维空间而言的，信息还有更深藏的本质。那么，难道信息还存在于四维空间（这里所说的四维空间不包括时间，而是空间的四维状态）中吗？是的，但要明确一点，信息只存在于四维空间，三维空间中的信息只是四维空间中真实信息的影子。信息大量存在于四维空间中，其本质是在四维空间中存在的一种信息子（informer，假想的存在于四维空间的组成信息的基本单位）的规则排布。

信息是事件（corritor）发生的根本原因，这将在第三节中细作分析。

二、信息的性质

信息有以下性质：客观性、广泛性、完整性、专一性。首先，信息是客观存在的，它不是由意志所决定的，但它与人类思想有着必然联系（第四节将具体分析）。同时，信息

又是广泛存在的，四维空间被大量信息子所充斥。信息的一个重要性质是完整性，每个信息子不能决定任何事件，须有两个或两个以上的信息子规则排布为完整的信息，其释放的能量才足以使确定事件发生。信息还有专一性，每个信息决定一个确定事件，但相似事件的信息也有相似之处，其原因的解释需要信息子种类与排布密码理论的进一步发现。

三、信息论机制

在平常状态下，信息子杂乱无章地分布于四维空间中。当三维空间中的分子摩擦碰撞时，其中的能量逃逸到四维空间中，启动了信息子的规则排布，排布好的信息子又将能量释放出来，进入三维空间，引起其他分子的摩擦碰撞，如此循环下去。如果被引起摩擦碰撞的分子恰好是决子（decider，决定事件的因子，如引起神经冲动的钠钾离子、引起雷电的电荷），并且有一定物质的量的决子被引起摩擦碰撞时，事件发生。当然，不同分子摩擦碰撞产生的能量不同，其引起的信息子的排布形式的种类也不同，因而决定的事件也不同。

然而，在宇宙爆炸前只有信息存在，一个决定因素（现在还不了解这个因素是什么）导致了信息子的偶然规则排布，一部分信息子转化为能量（信息子转化为能量是有一定条件的，这只有在宇宙爆炸前或初期才能实现），能量再在一定条件下转化为物质，并继续转移转化，最终形成了我们现在的宇宙。因此，信息子的有序排布是事件发生的根本原因，物质摩擦碰撞是事件发生的直接原因，而能量的传递是事件发生的必要条件。

四、信息论假说的实例

1．思想与记忆：思想是我们一直捉摸不透的东西，而按照信息论假说来讲，思想其实就是一种信息。大脑中的某些特定分子摩擦碰撞，引起了某些信息子的规则排布，在三

维空间中的表现就是产生电流，引起脑细胞的活动，这便是思想的本质，当然，不同信息表现出不同思想。然而，这不等于我们的思想是早已限定好了的吗？其实就是这样。只不过我们脑中分子数量是庞大的，其能引起信息子的排布形式的种类是极其多的，我们现在的思想不过也只开发了很少一部分。现实中我们所谓的思想还要有另一个因素，那就是需要通过一个完整复杂的调节机制将其表达出来，这个调节机制对于人类来说便是神经系统，因此只有我们能将复杂的思想表达出来。记忆是思想的特化，是信息引起摩擦碰撞的分子恰好是以前产生思想的分子（记忆的决子）时，以前的思想便会再次通过特定信息子的规则排布表达出来。这样看来，我们的思想是连续的，前一刻的思想直接决定了后一刻的思想，只是我们并没发觉也没有手段去发现罢了。

2．生命现象：人的生老病死也可以通过信息论假说来解释。人生病其实是不融合分子（细菌或病毒）与体内分子摩擦引起的信息。成长其实是各种各样的外界分子（如钙离子）进入人体内与体内分子摩擦引起的信息。衰老与死亡是细胞内分子摩擦引起的信息，其宏观表现为细胞的衰老与凋亡，进而影响人。

3．预感与巧合：预感是思想的一种极特殊的形式，当脑中某些分子摩擦引起信息子排布后，信息并未释放全部能量，而是只将其中一部分能量先释放出来，引起预感决子的摩擦，剩下的能量则在另外的时刻释放出来，并由于与前一部分能量同源，恰好引起事件决子的摩擦，从而印证了预感。巧合也是一种极特殊的现象，其本质是信息释放的能量分为两半进入到三维空间中的不同地点，引发相同分子的摩擦，从而引起不同地点相同事情的发生，这一般出现在同卵双胞胎身上，因为其基因的相似性决定了其相同分子摩擦的几率较大。

4．梦与不实印象（untrue impressions）：梦是在无意识情况下产生的思想，其本质也是信息。我们平时会产生不实印象，看到某情景感觉以前似乎发生过，可是以前却并

没有发生，其实这是因为脑内分子摩擦引起信息，而信息并没有将能量马上释放出来，而是暂时储存起来，当另一时刻又有同样的分子摩擦时，其能量被激活，双倍能量释放出来，其中一半能量使我们思想，另一半能量使我们产生印象，这便是不实印象的本质。

5．化学反应：一切化学反应的本质都是信息。几种分子摩擦引起特定信息，又引起其他分子摩擦，在摩擦中化学键断裂与形成，完成化学反应。

6．命运与灵魂：古人相信命运，可能是冥冥之中感到在另一空间中我们是早已被安排好的个体，于是出现了人类对灵魂、神的遐想。

五、信息论假说的意义

信息论假说将物质与思想相统一，它是唯物主义发展所必经的一步，它用唯物的观点解释了人类一直无法弄清的问题。它自身只是一个假说，需要人类长时间去探索与证明，它自身也存在缺陷，需要人类的不断发现。也许它本来就是个错误，但它是人类成长的见证，是人类伟大的精神财富。

用信息论假说的观点看问题，可以使人类认识到一个全新的世界，并有助于探索世界更深的本质。它给人类提供了一个丰富的经验，是人类跳出固有思想看问题的典范。总之，不管它是否正确，它都是人类的不朽之作。