計算學(xué)科中的系統(tǒng)科學(xué)方法課件

1、計算科學(xué)導(dǎo)論思想與方法計算機與信息學(xué)院蔣川群2010年10月7/29/20221第1頁，共76頁。第六章 計算學(xué)科中的系統(tǒng)科學(xué)方法6.1 系統(tǒng)科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)方法6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因6.3 結(jié)構(gòu)化方法6.4 面向?qū)ο蠓椒?/29/20222第2頁，共76頁。第六章 計算學(xué)科中的系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)方法是指利用系統(tǒng)的觀點來認識和處理問題的各種方法的總稱。模型方法是系統(tǒng)科學(xué)的基本方法，研究系統(tǒng)具體來說就是研究它的模型。模型是對系統(tǒng)原型的抽象，是科學(xué)認識的基礎(chǔ)和決定性環(huán)節(jié)。模型與實現(xiàn)是認識與實踐的一種具體體現(xiàn)，在計算學(xué)科中，它反映了抽象、理論和設(shè)計3個過程

2、的基本內(nèi)容。模型與實現(xiàn)包括建模、驗證和實現(xiàn)3方面的內(nèi)容。7/29/20223第3頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)起源于對傳統(tǒng)數(shù)學(xué)、物理學(xué)和天文學(xué)的研究，誕生于20世紀(jì)40年代系統(tǒng)科學(xué)的崛起被認為是20世紀(jì)現(xiàn)代科學(xué)的兩個重大突破性成就之一建立在系統(tǒng)科學(xué)基礎(chǔ)上的系統(tǒng)科學(xué)方法開辟了探索科學(xué)技術(shù)的新思路，它是認識、調(diào)控、改造和創(chuàng)造復(fù)雜系統(tǒng)的有效手段，它為系統(tǒng)形式化模型的構(gòu)建提供了有效的中間過渡模式7/29/20224第4頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法現(xiàn)代計算機普遍采用的組織結(jié)構(gòu)，即馮.諾依曼計算機組織結(jié)構(gòu)就是系統(tǒng)科學(xué)在計算機領(lǐng)域所取得的應(yīng)用成果之一隨著計算技術(shù)的迅猛發(fā)

3、展，計算機軟硬件系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，因此，系統(tǒng)科學(xué)方法在計算學(xué)科中的作用也越來越大7/29/20225第5頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概念系統(tǒng)科學(xué)遵循的一般原則常用的幾種系統(tǒng)科學(xué)方法實例7/29/20226第6頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概念系統(tǒng)科學(xué)是探索系統(tǒng)的存在和運動變化規(guī)律的學(xué)問，是對系統(tǒng)本質(zhì)的理性認識，是人們認識客觀世界的一個知識體系。7/29/20227第7頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概念系統(tǒng)和子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)分析層次和層次分析環(huán)境、行為和功能狀態(tài)、演化和過程系統(tǒng)同構(gòu)7/29/20228第8頁，

4、共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概念系統(tǒng)和子系統(tǒng)系統(tǒng)是指由相互聯(lián)系、相互作用的若干元素構(gòu)成的、具有特定功能的統(tǒng)一整體。S=A表示系統(tǒng)S中所有元素的集合R表示系統(tǒng)S中所有元素之間關(guān)系的集合7/29/20229第9頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概念系統(tǒng)和子系統(tǒng)一個大的系統(tǒng)往往是復(fù)雜的，通?？梢詣澐譃橐幌盗休^小的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)稱為子系統(tǒng)。Si=SiS，AiA,RiR7/29/202210第10頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概念結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)內(nèi)各組成部分（元素和子系統(tǒng)）之間相互聯(lián)系、相互作用的框架結(jié)構(gòu)分析的重要內(nèi)

5、容就是劃分子系統(tǒng)，并研究各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系7/29/202211第11頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概念層次和層次分析層次是劃分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個重要工具，也是結(jié)構(gòu)分析的主要方式。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以表示為各級子系統(tǒng)和系統(tǒng)要素的層次結(jié)構(gòu)形式。高層次包含和支配低層次，低層次隸屬和支撐高層次明確所研究的問題處在哪一個層次上，可以避免因混淆層次而造成的概念混亂7/29/202212第12頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概念層次和層次分析層次分析的主要內(nèi)容有系統(tǒng)是否劃分層次、劃分了哪些層次、各層次的內(nèi)容、層次之間的關(guān)系以及層次劃分的原則等7/29/202

6、213第13頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概念環(huán)境、行為和功能系統(tǒng)的環(huán)境是指一個系統(tǒng)之外的一切與它有聯(lián)系的事物組成的集合。系統(tǒng)要發(fā)揮它應(yīng)有的作用，達到應(yīng)有的目標(biāo)，系統(tǒng)自身一定要適應(yīng)環(huán)境的要求7/29/202214第14頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概念環(huán)境、行為和功能系統(tǒng)的行為是指系統(tǒng)相對于它的環(huán)境所表現(xiàn)出來的一切變化行為屬于系統(tǒng)自身的變化，同時又反映環(huán)境對系統(tǒng)的影響和作用系統(tǒng)的功能是指系統(tǒng)行為所引起的、有利于環(huán)境中某些事物乃至整個環(huán)境存在與發(fā)展的作用7/29/202215第15頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概

7、念狀態(tài)、演化和過程狀態(tài)是指系統(tǒng)的那些可以觀察和識別的形態(tài)特征，狀態(tài)可以用系統(tǒng)的定量特征（如溫度T、體積V等）來表示演化是指系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、特征、行為和功能等隨時間的推移而發(fā)生的變化過程是指系統(tǒng)的演化所經(jīng)過的發(fā)展階段，它由若干子過程組成。過程的最基本元素是動作，動作不能再分7/29/202216第16頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概念系統(tǒng)同構(gòu)系統(tǒng)同構(gòu)是指不同系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型之間存在的數(shù)學(xué)同構(gòu)，它是系統(tǒng)科學(xué)的理論依據(jù)在數(shù)學(xué)中，同構(gòu)有以下二個重要特征：兩個不同的代數(shù)系統(tǒng)，它們的元素基數(shù)相同，并能建立一一對應(yīng)的關(guān)系7/29/202217第17頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系

8、統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概念系統(tǒng)同構(gòu)兩個代數(shù)系統(tǒng)運算的定義也對應(yīng)相同。一個代數(shù)系統(tǒng)中的兩個元素經(jīng)過某種運算后得到的結(jié)果與另一個代數(shù)系統(tǒng)對應(yīng)的兩個元素經(jīng)相應(yīng)的運算后得到的結(jié)果元素互為對應(yīng)一個代數(shù)系統(tǒng)中的元素被其對應(yīng)系統(tǒng)的元素替換后，可得另一代數(shù)系統(tǒng)的運算表7/29/202218第18頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概念系統(tǒng)同構(gòu)系統(tǒng)同構(gòu)是數(shù)學(xué)同構(gòu)概念的拓展根據(jù)系統(tǒng)同構(gòu)的性質(zhì)，就可以用一種性質(zhì)和結(jié)構(gòu)相同的系統(tǒng)來研究另一種系統(tǒng)根據(jù)同構(gòu)的特征可知，布爾代數(shù)與數(shù)字邏輯電路同構(gòu)；因此，可以用數(shù)字邏輯電路來表示布爾代數(shù)，也可以用布爾代數(shù)來研究數(shù)字邏輯電路7/29/202219第19頁

9、，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)的基本概念系統(tǒng)同構(gòu)提到同構(gòu)，還會涉及同態(tài)的概念不同系統(tǒng)間的數(shù)學(xué)同態(tài)關(guān)系具有自反性和傳遞性，但不具有對稱性數(shù)學(xué)同態(tài)一般用于模型的簡化，不能用來劃分等價類7/29/202220第20頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)遵循的一般原則整體性原則動態(tài)原則最優(yōu)化原則模型化原則7/29/202221第21頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)遵循的一般原則整體性原則整體性原則是基于系統(tǒng)要素對系統(tǒng)的非還原性或非加和性關(guān)系，是系統(tǒng)方法的根據(jù)和出發(fā)點。這一原則要求人們在研究系統(tǒng)時應(yīng)從整體出發(fā)，立足于整體來分析其部分以及部分之間的關(guān)系

10、，進而達到對系統(tǒng)整體更深刻的理解7/29/202222第22頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)遵循的一般原則整體性原則系統(tǒng)科學(xué)把整體具有而部分不具有的東西（即新質(zhì)的涌現(xiàn)）稱為“涌現(xiàn)性”。從層次結(jié)構(gòu)的角度看，涌現(xiàn)性是指那些高層次具有而還原到低層次就不復(fù)存在的屬性、特征、行為和功能7/29/202223第23頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)遵循的一般原則整體性原則簡單地借用亞里士多德的名言“整體大于部分之和”來表述整體涌現(xiàn)性是不夠的在某些特殊情況下，當(dāng)部分構(gòu)成整體時，出現(xiàn)了部分所不具有的某些性質(zhì)，同時又可能喪失了組成部分單獨存在時所具有的某些性質(zhì)。這個規(guī)律叫做

11、“整體不等于部分之和”原理，也稱為“貝塔朗菲定律”7/29/202224第24頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)遵循的一般原則整體性原則系統(tǒng)的整體功能是否大于或小于部分功能之和關(guān)鍵取決于系統(tǒng)內(nèi)部諸要素相互聯(lián)系、相互綜合的方式如何7/29/202225第25頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)遵循的一般原則動態(tài)原則動態(tài)原則是指系統(tǒng)總是動態(tài)的，永遠處于運動變化之中。在科學(xué)研究中經(jīng)常采用理想的“孤立系統(tǒng)”或“閉合系統(tǒng)”的抽象，但在實際中，系統(tǒng)無論是在內(nèi)部各要素之間，還是在內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境之間，都存在著物質(zhì)、能量及信息的交換和流通。7/29/202226第26頁，共

12、76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)遵循的一般原則動態(tài)原則實際系統(tǒng)都是活系統(tǒng)，而非靜態(tài)的死系統(tǒng)、死結(jié)構(gòu)在研究系統(tǒng)時，應(yīng)從動態(tài)的角度去研究系統(tǒng)發(fā)展的各個階段，以準(zhǔn)確把握其發(fā)展過程及未來趨勢7/29/202227第27頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)遵循的一般原則最優(yōu)化原則亦稱整體優(yōu)化原則，就是運用各種有效方法從系統(tǒng)多種目標(biāo)或多種可能的途徑中選擇最優(yōu)系統(tǒng)、最優(yōu)方案、最優(yōu)功能、最優(yōu)運動狀態(tài)，達到整體優(yōu)化的目的。7/29/202228第28頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)遵循的一般原則模型化原則模型化原則就是根據(jù)系統(tǒng)模型說明的原因和真實系統(tǒng)提供的依據(jù)，

13、提出以模型代替真實系統(tǒng)進行模擬實驗，達到認識真實系統(tǒng)特性和規(guī)律性的方法模型化方法是系統(tǒng)科學(xué)的基本方法7/29/202229第29頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)遵循的一般原則模型化原則系統(tǒng)科學(xué)研究主要采用的是符號模型而非實物模型符號模型包括概念模型、邏輯模型、數(shù)學(xué)模型，其中最重要的是數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型是指描述元素之間、子系統(tǒng)之間、層次之間以及系統(tǒng)與環(huán)境之間相互作用的數(shù)學(xué)表達式，如樹結(jié)構(gòu)、圖、代數(shù)結(jié)構(gòu)等7/29/202230第30頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)遵循的一般原則模型化原則數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)定性和定量分析的工具研究系統(tǒng)的模型化方法通常是指通過建立和分

14、析系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來解決問題的方法和程序用計算機程序定義的模型稱為基于計算機的模型7/29/202231第31頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)遵循的一般原則模型化原則所有數(shù)學(xué)模型均可轉(zhuǎn)化為基于計算機的模型，并通過計算來研究系統(tǒng)計算實驗對一些無法用真實實驗來檢驗的系統(tǒng)是唯一可行的檢驗手段7/29/202232第32頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法常用的幾種系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)分析法信息方法功能模擬方法黑箱方法整體優(yōu)化方法7/29/202233第33頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法常用的幾種系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)分析法系統(tǒng)分析法是以運籌學(xué)和計算機為主要工具，通過對系

15、統(tǒng)各種要素、過程和關(guān)系的考察，確定系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、功能、效用的方法廣泛應(yīng)用于計算機硬件的研制和軟件的開發(fā)、技術(shù)產(chǎn)品的革新、環(huán)境科學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)的研究以及城市管理規(guī)劃等方面7/29/202234第34頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法常用的幾種系統(tǒng)科學(xué)方法信息方法信息方法是以信息論為基礎(chǔ)，通過獲取、傳遞、加工、處理、利用信息來認識和改造對象的方法。7/29/202235第35頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法常用的幾種系統(tǒng)科學(xué)方法功能模擬方法功能模擬方法是以控制論為基礎(chǔ)，根據(jù)兩個系統(tǒng)功能的相同或相似性，應(yīng)用模型來模擬原型功能的方法7/29/202236第36頁，共76頁。6.

16、1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法常用的幾種系統(tǒng)科學(xué)方法黑箱方法黑箱是指內(nèi)部要素和結(jié)構(gòu)尚不清楚的系統(tǒng)黑箱方法就是通過研究黑箱的輸入和輸出的動態(tài)系統(tǒng)，確定可供選擇的黑箱模型進行檢驗和篩選，最后推測出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律的方法7/29/202237第37頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法常用的幾種系統(tǒng)科學(xué)方法整體優(yōu)化方法整體最優(yōu)方法是指從系統(tǒng)的總體出發(fā)，運用自然選擇或人工技術(shù)等手段，從系統(tǒng)多種目標(biāo)或多種可能的途徑中選擇最優(yōu)系統(tǒng)、最優(yōu)方案、最優(yōu)功能、最優(yōu)運動狀態(tài)，使系統(tǒng)達到最優(yōu)化的方法7/29/202238第38頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法實例1科學(xué)的分類錢學(xué)森：工程技術(shù)、技術(shù)科

17、學(xué)、基礎(chǔ)科學(xué)和哲學(xué)4個科學(xué)層次是相互聯(lián)系、相互作用的工程技術(shù)泛指一切應(yīng)用和技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)科學(xué)是為工程技術(shù)提供工程理論的科學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)是揭示客觀世界運動規(guī)則和本質(zhì)關(guān)系的科學(xué)哲學(xué)是對科學(xué)知識總的概括，是最高一層的科學(xué)7/29/202239第39頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法實例2生命系統(tǒng)美國心理學(xué)家米勒把生物圈看作是一個生命系統(tǒng)，認為一切活著的具體系統(tǒng)都是“生命系統(tǒng)”，并將生命系統(tǒng)劃分為7個層次，即細胞、器官、生物體、群體、組織、社會和超國家系統(tǒng)，以及19個關(guān)鍵的子系統(tǒng)20世紀(jì)50年代，米勒創(chuàng)立了一般生命系統(tǒng)理論，該理論對解決生命世界的統(tǒng)一性問題有十分重要的意義7/29/202240第4

18、0頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法實例3化學(xué)元素周期表俄國化學(xué)家門捷列夫首創(chuàng)化學(xué)元素周期表元素屬性和原子量的關(guān)系揭示了化學(xué)元素性質(zhì)呈周期性變化的內(nèi)在規(guī)律，并指明了發(fā)現(xiàn)新元素的方向化學(xué)元素周期表的建立使化學(xué)科學(xué)走上了系統(tǒng)化的道路，成為化學(xué)發(fā)展的主要基石之一7/29/202241第41頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法實例4整數(shù)當(dāng)把整數(shù)看作是一個系統(tǒng)時，根據(jù)等價關(guān)系，可以將整數(shù)劃分為若干互不相交的子集奇數(shù)和偶數(shù)同余關(guān)系7/29/202242第42頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法實例4整數(shù)整數(shù)的劃分體現(xiàn)出了集合論中等價關(guān)系（滿足自反性、對稱性和傳遞性的關(guān)系）的一個重

19、要性質(zhì)，即將“整數(shù)”推廣為更一般性的“元素”時，只要元素之間的關(guān)系為等價關(guān)系，則可將這些元素組成的集合劃分為若干互不相交的子集等價關(guān)系的這種性質(zhì)具有重要的理論和應(yīng)用價值7/29/202243第43頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法實例5計算機網(wǎng)絡(luò)計算機網(wǎng)絡(luò)是計算機系統(tǒng)中一個有代表性的復(fù)雜系統(tǒng)，需要高度協(xié)調(diào)的工作才能保證系統(tǒng)的正常運行；為此，必須精確定義網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)交換的所有規(guī)則（網(wǎng)絡(luò)協(xié)議），然而由這些規(guī)則組成的集合取相當(dāng)龐大和復(fù)雜7/29/202244第44頁，共76頁。6.1 系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法實例5計算機網(wǎng)絡(luò)為了解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計問題，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）采用系統(tǒng)科學(xué)的

20、思想，定義了現(xiàn)在被廣泛使用的開放系統(tǒng)互連模型（OSI），該模型將整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議劃分為7個層次，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層，從而有效地降低了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜性，促進了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展7/29/202245第45頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因系統(tǒng)科學(xué)方法針對的是復(fù)雜性問題，而復(fù)雜性又是相對于人的能力而言的人固有能力的局限性以及使用工具后產(chǎn)生的力量復(fù)雜性軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性軟件開發(fā)的系統(tǒng)化方法需要遵循的基本原則7/29/202246第46頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因人固有能力的局限性以及使用工具后產(chǎn)生的力量勞動：體力勞動、腦力

21、勞動能力：人體活動產(chǎn)生的力量，即體力；使用大腦產(chǎn)生的記憶、理解、想象等的能力，即腦力最能代表人的體力極限的世界紀(jì)錄（如跳高、舉重等），可以做出判斷，人的體力相當(dāng)有限7/29/202247第47頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因人固有能力的局限性以及使用工具后產(chǎn)生的力量人的腦力也相當(dāng)有限，因涉及記憶、理解、想象甚至與智力有關(guān)的問題，人們很難接受這個事實；要說人的能力處于同一個數(shù)量級更是讓人難以接受7/29/202248第48頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因人固有能力的局限性以及使用工具后產(chǎn)生的力量既然人的體力和腦力極其有限，人固有的體力和腦力又處于同一個

22、數(shù)量級上，那又如何解釋人類在認知和改造客觀世界中所產(chǎn)生的巨大力量？答案在于，依靠工具，人既能夠創(chuàng)造工具又能夠使用工具7/29/202249第49頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因復(fù)雜性根據(jù)信息論的觀點，復(fù)雜度可以定義為系統(tǒng)表明自身方式數(shù)目的對數(shù)，或是系統(tǒng)可能狀態(tài)數(shù)目的對數(shù)：K=logN，式中K是復(fù)雜度，N是不同的可能狀態(tài)數(shù)一個系統(tǒng)越復(fù)雜，它所攜帶的信息越多兩個系統(tǒng)各自有M個和N個可能狀態(tài)，那么，組合系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)目是二者之積M*N，其復(fù)雜度為K=logM*N7/29/202250第50頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因復(fù)雜性從可操作性的角度來看，復(fù)雜性可以

23、定義為：尋找最小的程序或指令集來描述給定的“結(jié)構(gòu)”，即一個數(shù)字序列若用比特計算的話，這個程序的大小相對于數(shù)字序列的大小就是其復(fù)雜性的量度7/29/202251第51頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因復(fù)雜性序列：aaaaaaaaaaaa序列：aabaabaabaab序列：aabaababbaabaababb序列：aababbababbbabaaababbab這個例子無結(jié)構(gòu)，若想編程，則必須將字符串全部列出7/29/202252第52頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因復(fù)雜性結(jié)論：一旦一個程序的大小與試圖描述的系統(tǒng)相提并論時，則無法編程或者說，當(dāng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不能

24、被描述，或描述它的最小算法與系統(tǒng)自身具有相同的信息比特數(shù)時，則稱該系統(tǒng)為根本復(fù)雜系統(tǒng)在達到根本復(fù)雜之前，人們?nèi)钥梢跃幊瞿軌驁?zhí)行的程序，否則，做不到7/29/202253第53頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因人固有能力的局限性以及使用工具后產(chǎn)生的力量復(fù)雜性軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性軟件開發(fā)的系統(tǒng)化方法需要遵循的基本原則7/29/202254第54頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性阿基米德杠桿原理：給我一個支點，我就能撬起地球牛頓是一個天才，但他的才能并不在于他的大腦計算能力特別突出，而在于懂得如何對問題做合理的簡化和理想化，從而把復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為普

25、通人的大腦可以處理的、相對簡單的問題7/29/202255第55頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性相對于物理學(xué)科，計算學(xué)科卻沒有那么幸運，計算機的軟、硬件系統(tǒng)存在大量不能化簡的狀態(tài)，這就使得構(gòu)思、描述和測試計算機系統(tǒng)不能依靠像物理學(xué)那樣簡單的定律來完成，而必須另外尋找能夠控制和降低復(fù)雜性的方法7/29/202256第56頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性軟件系統(tǒng)的狀態(tài)比硬件系統(tǒng)的狀態(tài)往往要多若干數(shù)量級由于軟件系統(tǒng)中的實體擴展不像硬件系統(tǒng)那樣，可以由相同元素重復(fù)添加，從而使計算機中軟件的復(fù)雜度呈非線性增長找到控制和降低軟件復(fù)

26、雜性的方法也就是找到了控制和降低計算機系統(tǒng)復(fù)雜性最根本的方法7/29/202257第57頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性復(fù)雜度沒有兩個軟件是相同的（至少在語句級別上），若有相同的，會把它們合并成一個可供調(diào)用的子函數(shù)，因此，認為復(fù)雜是軟件的根本屬性構(gòu)成軟件復(fù)雜度的實體及其關(guān)系的描述不僅引發(fā)了大量學(xué)習(xí)和理解上的負擔(dān)，而且隨著軟件規(guī)模的增長，使得團隊成員之間的溝通以及管理變得越來越困難，從而使軟件開發(fā)逐漸地演變成一場災(zāi)難軟件危機7/29/202258第58頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性一致性大型軟件開發(fā)中，為保持各子系統(tǒng)之

27、間的一致性，軟件必須隨接口的不同、時間的推移而變化這些變化不能被抽象掉，因此，又增加了軟件的復(fù)雜性7/29/202259第59頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性可變性軟件實體經(jīng)常會面對持續(xù)的變更壓力因為它是一個純粹思維活動的產(chǎn)物，可以無限擴展7/29/202260第60頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性不可見性軟件是看不見的，當(dāng)利用圖示方法來描述軟件結(jié)構(gòu)時，也無法充分表現(xiàn)其結(jié)構(gòu)，從而使軟件的復(fù)雜度大大超過具有電路圖表示的計算機硬件的復(fù)雜度，使得人們之間的溝通面臨極大的困難7/29/202261第61頁，共76頁。6.2 軟

28、件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因軟件系統(tǒng)開發(fā)的難點：概念結(jié)構(gòu)的規(guī)格、設(shè)計和測試將重點盡可能放在開發(fā)的前端，而不是編碼階段7/29/202262第62頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因在軟件開發(fā)前期，要對用戶的需求進行分析，然后將這種需求抽象為一種信息結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)稱為概念結(jié)構(gòu)能真實、充分地反映現(xiàn)實世界，包括事物和事物之間的聯(lián)系，能滿足用戶對數(shù)據(jù)的處理要求易于理解，從而可以用它和不熟悉計算機的用戶交換意見易于更改，當(dāng)應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用要求改變時，能容易地對概念結(jié)構(gòu)進行修改和擴充易于向計算機支持的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換7/29/202263第63頁，共76頁。6.2 軟件開發(fā)中使用系統(tǒng)科學(xué)方法的原因軟件概念結(jié)構(gòu)的特點決定了這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計在很多情況下很難采用形式化的方法，而采用非形式化的系統(tǒng)化方法（如結(jié)