控制论:无需高深数学,人人皆可理解的科学方法论

控制论并非数学专属!本文揭示其核心思想:信息反馈控制系统。无需高数基础,也能掌握其科学方法论,提升思维与决策能力。

原文标题:不懂数学,你也可以学会“控制”和理解科学

原文作者:图灵编辑部

冷月清谈:

本文介绍了控制论这一交叉学科的起源与发展,指出其思想源流可追溯至数学、物理学、生物学以及人类对思维规律的探索。控制论强调通过信息反馈实现对系统的控制,其方法论在经济、社会、工程等领域均有广泛应用。文章作者认为,尽管控制论涉及复杂的数学工具,但其核心思想并不依赖于高等数学,即使是不懂数学的读者也能理解和运用控制论的基本方法。通过实例和中国古典哲学,作者旨在以通俗易懂的方式阐述控制论的科学方法论,帮助读者打开思路,提升解决问题的能力。

怜星夜思:

1、文章提到控制论强调信息反馈的重要性,那么在日常生活中,你认为哪些场景可以应用信息反馈的原理来改进?分享你的想法。
2、文章中提到“与其不断重复一句不会错的话,不如试着讲一句错话”,你如何理解这句话?在你的工作或生活中,有没有类似的经历或体会?
3、文章将中医理论与控制论联系起来,你认为这两种看似不同的理论之间有哪些共通之处?你觉得还可以从哪些角度理解中医?

原文内容

印度哲学家维韦卡南达曾说,“最伟大的东西是世界上最简单的东西,它和你自己存在一样简单。

有一次,我们向一位化学界的老教授谈起控制论,认为这门和电子计算机一起成长起来的边缘科学,提供了许多有益的方法论启示。他不相信,他认为一切被称为方法论的东西无非事后诸葛亮,对科学研究无济于事。

在争论中,他向我们提出了挑战。当时他正在探索“的确良”合成的新工艺,实验遇到巨大的困难;做出来的产品的黏度总是太低,一个多月来,还没有找到失败的原因。他说,如果你们的控制论真的能对科学方法论有所建树,就应该拿出解决的办法来。在他的提议下,我们这些既没有做过聚合实验,又没有足够的化学知识的外行,开始帮助他分析问题。

  图 / unsplash 

我们发现,虽然老教授对这一具体的化学问题有比我们丰富的知识,但有一些在我们研究控制论的人看来极为简单的原则却被忽视了。比如,反应釜是一个黑箱,实验的目的是要控制化学反应朝某个方向进行。从控制论的角度来分析,为了控制反应,我们必须获得关于反应进行程度的足够的信息,并使信息系统构成负反馈体系。在分析了实验过程之后,我们认为失败的关键在于未能获得足够的信息量,因此不能形成有效的控制。这不是一个化学问题,而是一个控制方法的问题。

为此,我们提出了一个简单的改进办法——建立一个新的仪器系统,准确及时地取得反应釜中变化的信息以及考虑信息的反馈。最初,老教授半信半疑。第二天,他和助手们开始考虑我们的方案,不到一个星期,实验就成功了。从此以后,老教授对控制论的方法论产生了浓厚的兴趣,并运用有关的原理又陆续完成了一些很出色的工作。他建议我们讲一讲控制论的方法论,认为这是一件有意义的事情。


如果我们去追溯控制论的思想源流,就能发现它至少是三条悠长的支流汇合的结果。一条是数学和物理的发展。特别是19世纪末和20世纪初,美国科学家约西亚·威拉德·吉布斯(Josiah Willard Gibbs)提出了统计力学,20世纪20年代之后,量子力学又建立起来。有不少科学家认为,与其说我们这个世界建立在必然性之上,倒不如说是建立在偶然性之上,许多物理定律仅仅是大量事件统计平均的结果。科学的发展迫使人们回答必然性和偶然性之间的关系。于是,确定性与非确定性以及它们之间关系的研究成为科学界最热门的课题。概率论的成熟、热力学中“熵”和“信息”概念的提出,就是这一研究的逐步深入。

  图 / unsplash 

另一条支流是生物学和生命科学的进展。科学家早就发现,生物界不是一个充满必然性的机械世界,生物个体行为也不能用统计力学和量子力学所用的概率论来刻画。生命的活动中既有偶然性,也有必然性。生命是怎样把必然与偶然统一起来的?科学家对生命的机制产生了浓厚兴趣。20世纪三四十年代,生物学家提出了“内稳定”概念,意味着人类对这一问题的认识已推进到新的阶段,它直接为控制论的诞生奠定了基础。

第三条支流是人类对思维规律的探讨。它集中地反映在电脑研发和数理逻辑的进展,数学家特别是电脑的研制者们企图用数学语言来模拟人的思维过程。第二次世界大战前后,电脑的制造成为控制论成熟的前奏曲。在20世纪40年代,标志着这三条支流汇合的科学著作终于出现了。美国数学家诺伯特·维纳(Norbert Wiener)在1948年出版的《控制论:或关于在动物与机器中控制和通信的科学》就是统一它们的最初尝试。尽管维纳的这本书中有许多错误,有很多大胆的但后来被证明是不妥当的设想,但这本书震动了科学界。科学家们被建立各门学科的统一方法论的雄心所吸引。一大批来自各个领域的专家纷纷互相对话,控制论、系统论成为第二次世界大战后直至今天都不可忽视的科学思潮。

  图 / unsplash 

由于控制论中含有把各门科学分支统一起来的科学方法论,它在各个领域中的运用都取得了辉煌的成果。经济控制论、社会控制论、工程控制论、生物控制论、信息论、教育控制论……一座座新兴的科学大厦在迅速建造中。但与此同时,对控制论方法本身的研究,反而显得薄弱了。这就造成一种印象:控制论方法是一种极度抽象高深的东西。特别是初学控制论的人,在碰到控制论中“信息”“通道容量”“滤波”“超稳定系统”等一大堆名词时,往往被弄得晕头转向。控制论所运用的数学工具,往往令人望而生畏。那么,是不是不懂高等数学,就无法掌握控制论的基本方法呢?不是,控制论不是一门只能用数学来表达的科学。


在这本书中,我们就打算抛开数学,从科学方法论的角度来谈谈控制论。我们力求以通俗的方式说明所涉及的问题,以便让从来没有接触过高等数学的读者也能毫不费力地跟大家一起讨论控制论,不至于因数学语言的隔阂而妨碍其对科学方法论的兴趣。

我们的讨论不一定局限在经典控制理论和系统论中,而是拓展到整个科学领域,比如我们花了很大篇幅讨论了近年来出现的突变理论及其对哲学的贡献。而突变理论的出发点,是控制论中有关系统稳定性的问题。

读者显然不能指望从这里了解控制论的全貌。书中所引述的例子,一部分来自科学和生活等各个领域,一部分来自中国古典哲学。这是因为现代科学的某些思想往往在今天我们能够以精确的方式表达之前,就被我们的祖先留意到,有的甚至还被认真地研究过。我们赞同一个说法:与其不断重复一句不会错的话,不如试着讲一句错话。它经常鼓励我们去考察那些虽不成熟但富有吸引力的新鲜思想,并把它们收集起来,跟大家一起讨论。

我们并不鼓励读者完全接受书中的每一个观点,但希望本书所提供的思考方式能有助于打开读者的思路。希望读者在读完本书后能提出更多的问题并斧正本书的种种谬误。

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控制论与科学方法论

金观涛、[美]华国凡 著

广东人民出版社

为什么老鹰能精准捕猎?导弹如何锁定目标?为什么中医理论能与现代控制论产生共鸣?


从先秦智慧到量子物理,从基因密码到人工智能,作者抛开数学,从科学方法论的角度来谈控制论,揭示万物运转的底层规律,比如,以“鱼乐之辩”“曹冲称象”等故事将抽象理论化为日常智慧,教你用“可能性空间”“共轭控制”等工具,破解工作难题、优化决策逻辑等等。


无论你是科技爱好者、职场人,还是渴望提升思维深度的普通人,这本书都将为你打开一扇重新理解世界的大门。



*以上内容摘自《控制论与科学方法论》序言,部分内容有删改,作者 金观涛 华国凡,部分图片来源网络。

从控制论的角度来看,任何涉及目标设定的活动都可以应用信息反馈。比如项目管理,定期review进度,了解偏差,及时调整资源分配和任务优先级。或者在产品设计中,通过用户调研和A/B测试,收集用户反馈,不断优化产品功能和用户体验。信息反馈是持续改进的关键,它可以帮助我们更有效地实现目标。

别把控制论想得太复杂啦!就说最简单的,做饭!你放盐,尝一口,淡了再加点,咸了赶紧补救,这就是最朴素的信息反馈啊!生活处处皆学问!

这句话很有哲理。我的理解是,创新往往伴随着尝试和错误。如果只说正确的话,虽然安全,但也可能错失发现新事物的机会。就像科学研究,很多重大突破都是在不断试错中实现的。在工作中,我鼓励团队成员大胆尝试,即使犯错也没关系,关键是从错误中学习,不断改进。

中医嘛,信则灵!我觉得吧,中医讲究天人合一,顺应自然规律。现代人生活压力大,更应该学习中医的养生之道,调理身心,才能保持健康!

中医和控制论的共通之处在于它们都强调系统的整体性和动态平衡。中医讲究阴阳平衡、气血调和,控制论则关注系统的稳定性、反馈机制。两者都试图通过调节系统的内部关系,使其达到最佳状态。从中医的角度来看,人体是一个复杂的控制系统,疾病是系统失衡的结果,治疗则是通过各种手段恢复平衡。

我觉得信息反馈在很多场景都很有用。比如健身,记录每次的训练数据,根据反馈调整训练计划,避免过度训练或者停滞不前。再比如,学习新技能,通过练习和测试,了解自己的薄弱环节,针对性地提高。甚至在人际交往中,观察对方的反应,及时调整沟通方式,也能更有效地建立良好关系。总的来说,有反馈才能形成闭环,不断迭代进步。

这不就是鼓励大家“整活”吗?哈哈哈!有时候一本正经地说教,效果反而不好。来点“歪理邪说”,说不定还能激发灵感,打开新思路!

中医其实可以看作是一种经验性的控制论。古代医者通过长期的实践,总结出各种调理身体的方法,这些方法实际上就是对人体这个复杂系统进行控制。虽然他们可能没有现代科学的理论支撑,但他们的经验是宝贵的。此外,中医还可以从哲学、文化等角度进行解读,它是中国传统文化的重要组成部分。

这句话让我想起了“真理是越辩越明”。有时候,我们坚持的“正确”观点,可能只是因为缺乏挑战和反思。敢于提出不同的观点,即使是“错误”的观点,也能引发思考,帮助我们更全面地认识问题。所以,要鼓励不同声音的出现,营造开放的讨论氛围。