[数学]系统动力学教材：政策实验室.doc

系统动力学——组织学习实验室 前 言 伽俐略在比萨斜塔上证实了自由落体定律，居里夫人在实验室里发现了放射性元素镭、客观世界的许多定律和发现都是依靠实验手段来完成的。然而，客观世界中还存在着一大类难以用具体试验来解决的问题，比如彩电的寿命，地下矿藏的形成，物价改革的决策选择，城市发展的趋势分析，等等。对于这些问题，虽然有时基于历史经验的思维模拟方法可以提供一点帮助，但是思维模拟常常是不明确、不完善和不全面的，很容易坠入决策的陷阱中去。系统动力学作为一门分析研究信息反馈系统的综合性新学科，提供了一个认识和解决实际系统问题的实验室。 系统动力学自1956年创始以来，已经得到了很大的发展，其应用范围已遍及社会、经济、教育、商业、金融、企业、政治、军事、医学、生物等众多领域，并取得了显著的成果。但是，在国内系统动力学的发展起步比较迟，有关的（尤其是中文的）文献资料很少。写作本书最主要的目的，就是要为系统动力学理论与应用感兴趣的系统理论工作者、大专院校师生以及各类管理人员和研究人员提供一本参考读物，以促进系统动力学在我国的普及和发展。 第一章 系统动力学的孕育、诞生、成长 1近代西方实验科学对系统动力学创立的孕育作用 传统的自然科学方法以及伽俐略的变革 自然科学研究有其方法论基础，在一定的方法论指导下，自然科学必然沿着一定的方向探索。如果方法论正确得当，这种探索将使自然科学得到迅速发展；反之，则可能使自然科学研究停滞甚至倒退。 基于人们对世界的认识与探索，形成了古代的科学思想与方法、中世纪的科学思想与方法。在文艺复兴之前的传统科学思想与方法中，没有比亚里士多德的思想与方法更显得神圣与重要的了。 亚里士多德通过研究运动学、天文学、动物学、抽象并总结出有其特色的科学研究方法，这即是以演绎逻辑的方法来对自然世界进行研究，以获取科学知识。他认为论证是获取科学知识的主要认识方式与途径，演绎逻辑的三段论式是其论证的方法基础。 不容置疑，亚里士多德的演绎逻辑科学方法对古代以至中世纪科学的发展（甚至近代、现代的科学发展）都产生了极其重要的影响。演绎逻辑的方法对科学假说的形成与完善，甚至对整个世界体系的形成都产生了积极的作用，推动了自然科学的发展。 但遗憾的是，中世纪的科学界笼罩在宗教气氛中，亚里士多德的思想被宗教化与神化了，整个自然科学处于被残酷扼杀的境遇之中。由于自然科学的思想方法论被限止在演绎逻辑的框框之中，一些难以运用演绎逻辑方法的科学门类就无法得到发展。此外，为了完善学科的体系（公理体系及逻辑体系），不得不人为地加入许多“修正”与“限界”，在科学中加入了许多人为的臆想与猜测，使科学变得千疮百孔。为了保证学科的完整与正确，还人为地设置了许多禁区，这又极大地扼杀了科学发展的活力。托勒密的地心说即是一例。为了使托勒密的地心说体系保持完整，对其修正不断增多，以致到15世纪托勒密体系的圆圈增至80多个，超过了亚里士多德天球的数目。 15～16世纪的文艺复兴运动也对统治科学界的宗教产生了冲击波：哥白尼的日心说揭开了近代自然科学的序幕，是向神学发出的挑战书，是自然科学的“独立宣言”，其科学意义是无与伦比的。然而，作为向神学挑战的日心说，从方法论上而言并未有太大的创新。是伽俐略借助望远镜观察天体得到的一系列重大发现。借助其力学思想以及天文学中的新发现，进一步捍为与丰富了哥白尼的日心说。更重要的是，伽俐略创立了科学的实验方法，为自然科学的研究方法开辟了一个崭新的历史时期。 伽俐略发扬了意大利文艺复兴时期思想解放的传统，以实验事实为依据，坚信科学的结论必须经受实验的检验，通过实验检验的科学结论将是不以人的意志为转移的。伽俐略认为一个平凡的人只要找到真理，将会使一千个亚里士多德陷于困境。在归纳与演绎逻辑推理的问题上，他认为在实际的认识问题过程中归纳是先于演绎的。 伽俐略把自然科学的研究带入实验方法的新阶段，在他的实验方法中，理性的使用并没有被忽略，他以理性思维发现并指出亚里士多德关于自由落体运动的错误论述（物体的重量越大则下落的速度越快），以著名的比萨斜塔实验来论证他自己的假说。为了克服塔不够高，物体下落过快，观察时间过短，难以得出明确结论的不足之处，他设计了斜面实验。由于可以通过人工控制斜面的长度与倾角，小球在斜面上滚动的速度与时间均可控制，易于观察。在这里，逻辑推理的方法弥补了实验条件的不足，从而使在斜塔实验中所不能解决的问题在书桌的斜面上即可解决，把自然科学的问题带到实验室中来了。 自伽俐略之后，大至天体运动、海洋潮汐运动，小至分子运动、微生物运动等问题，都被带进了小小的实验室中。科学实验方法的发展大大改变了人类自身理性认识以及观察、经验之不足，使人类的理性推理可建立在严密的实验基础之上。同时，克服了人类自身的生理以及人类个体生命的限制，也克服了人们在时