- •Нелінійні моделі та аналіз складних систем Навчальний посібник
- •Глава 1. Модель, моделювання, прогнозування і управління 20
- •Глава 2. Елементи теорії систем і системний аналіз. Синергетичний підхід 66
- •Глава 3. Рівняння і аналіз складних систем 115
- •Глава 4. Елементи теорії стійкості систем 167
- •Глава 5. Моделювання і аналіз соціально-економічних систем 195
- •Глава 6. Синергетичне моделювання і управління складними системами 234
- •Глава 7. Елементи теорії хаосу і хаотичної динаміки. Фрактали 260
- •Глава 1. Модель, моделювання, прогнозування і управління 20
- •Глава 1. Модель, моделювання, прогнозування і управління 20
- •Глава 2. Елементи теорії систем і системний аналіз. Синергетичний підхід 66
- •Глава 2. Елементи теорії систем і системний аналіз. Синергетичний підхід 66
- •Глава 3. Рівняння і аналіз складних систем 115
- •Глава 3. Рівняння і аналіз складних систем 115
- •Глава 4. Елементи теорії стійкості систем 167
- •Глава 4. Елементи теорії стійкості систем 167
- •Глава 5. Моделювання і аналіз соціально-економічних систем 195
- •Глава 5. Моделювання і аналіз соціально-економічних систем 195
- •Глава 6. Синергетичне моделювання і управління складними системами 234
- •Глава 6. Синергетичне моделювання і управління складними системами 234
- •Глава 7. Елементи теорії хаосу і хаотичної динаміки. Фрактали 260
- •Глава 7. Елементи теорії хаосу і хаотичної динаміки. Фрактали 260
- •Передмова
- •Розділ і моделювання та системний аналіз динамічних процесів
- •Глава 1. Модель, моделювання, прогнозування і управління
- •1.1. Поняття моделей і моделювання
- •1.2. Класифікація засобів моделювання
- •1.3. Поняття економічної системи і принципи її моделювання
- •1.4. Етапи економіко-математичного моделювання
- •1.5. Основні принципи опису виробничо-технологічного рівня економічних систем
- •1.6. Загальний вид математичних моделей та основні напрямки їхнього аналізу
- •1.7. Класифікація економіко-математичних моделей
- •1.8. Моделювання еколого-економічного управління виробничою системою в умовах нестабільності
- •1.9. Деякі принципи моделювання складних систем
- •1.10. Новий підхід до прогнозування поведінки складних систем і катастрофічних процесів (русла і джокери)
- •1.11. Моделювання та управління ризиком
- •Питання для самоперевірки
- •Глава 2. Елементи теорії систем і системний аналіз. Синергетичний підхід
- •2.1. Історія розвитку теорії систем і системного аналізу
- •2.3. Наукові напрямки системного аналізу
- •2.4. Система, її структура і функціонування
- •Типи системних задач залежно від ситуації
- •2.5. Синергетичний підхід в аналізі складних систем
- •Розділ іі математичні основи нелінійної динаміки і аналізу складних систем
- •Глава 3. Рівняння і аналіз складних систем
- •3.1. Моделі і аналіз нелінійних динамічних систем
- •3.1.1. Системи звичайних диференційних рівнянь
- •3.1.1.1. Основні визначення і теореми
- •3.1.1.2. Особливі точки та їхнє інваріантне різноманіття
- •Стійкість визначається нелінійними членами
- •3.1.1.3. Періодичні та неперіодичні розв’язки, граничні цикли та інваріантні тори
- •3.1.2. Аналіз нелінійної системи з дискретним часом
- •3.1.3. Використання теорії різницевих рівнянь для моделювання процесу мобілізації
- •3.1.4. Основи теорії диференційних рівнянь
- •3.2. Нелінійні моделі складних систем з хаотичною динамікою (стислий огляд)
- •Глава 4. Елементи теорії стійкості систем
- •4.1. Аналіз нелінійних економічних систем, що розвиваються
- •4.1.1. Основні дослідження стійкості нелінійних динамічних систем
- •4.1.2. Якісний аналіз економічної системи, що знаходиться під впливом новітніх інформаційних технологій (ніт)
- •4.2. Елементи теорії структурної динаміки
- •4.2.1. Основи теорії катастроф
- •Збурення Збурення Збурення Збурення Збурення Збурення Збурення Збурення збурення збурення
- •4.2.2. Біфуркації на фазовій площині
- •4.2.3. Дисипативні структури і. Пригожина
- •Розділ ііі моделі та аналіз складних процесів і систем
- •Глава 5. Моделювання і аналіз соціально-економічних систем
- •5.1. Деякі базові математичні моделі та їхнє застосування в дослідженні соціально-економічних процесів
- •5.1.1. Модель Мальтуса
- •5.1.2. Логістична модель
- •5.1.3. Експоненційна модель з відловом
- •5.1.4. Логістична модель з відловом
- •5.1.5. М’яка логістична модель з відловом
- •5.1.6. Модель Лотки–Вольтерра
- •5.2. Приклад моделювання і аналізу соціально-економічних процесів
- •5.2.1. Стійкість ринкових механізмів
- •5.2.2. Народження хаосу
- •5.3. Елементи теорії м’якого моделювання
- •5.3.1. Модель війни або битви
- •5.3.2. Оптимізація як шлях до катастрофи
- •5.3.3. Жорсткі моделі як шлях до помилкових передбачень
- •5.3.4. Небезпека багатоступеневого управління
- •5.3.5. Математичні моделі «перебудови» в срср
- •5.3.6. Математика і математична освіта у сучасному світі
- •5.4. Моделі нелінійної економічної динаміки з урахуванням швидкості встановлення змінних
- •5.4.1. Окремі моделі нелінійної економічної динаміки
- •5.4.2. Узагальнена модель динаміки економіки
- •Глава 6. Синергетичне моделювання і управління складними системами
- •6.1. М’яке нелінійне управління: синергетичний підхід в управлінні
- •6.2. Глобальне моделювання і аналіз світової динаміки
- •6.2.1. Модель світової динаміки Форрестера
- •6.2.1. Глобальна модель динаміки Месаровіча–Пестеля (м–п-модель)
- •6.2.2. Феноменологічна макромодель світової динаміки і стійкого розвитку
- •Глава 7. Елементи теорії хаосу і хаотичної динаміки. Фрактали
- •7.1. Теорія динамічного хаосу та її застосування
- •7.1.1. Динамічний хаос
- •7.1.2. Економічний хаос у детермінованих системах
- •7.1.2.1. Хаос у детермінованих системах
- •7.1.2.2. Економічний хаос у дискретній системі
- •7.1.2.3. Аперіодичне оптимальне економічне зростання
- •7.1.2.4. Динаміка міст – система Лоренца (приклад застосування)
- •7.1.2.5. Хаос у моделі міжнародної економіки
- •7.1.2.6. Хаос і економічне прогнозування
- •7.1.2.7. Деякі критерії класифікації атракторів
- •7.1.3. Дивні атрактори
- •7.1.4. Динамічний хаос і обмеження області прогнозу
5.4.2. Узагальнена модель динаміки економіки
Нижче наведено узагальнену модель динаміки (УМД) економіки в цілому, без урахування випадкових впливів на систему.
Отже,
припустимо, що система складається з n
підприємців (включаючи фірми і
домогосподарства). Економічна поведінка
кожного підприємця
характеризується m-вимірним
вектором
Змінні
можуть відображати, наприклад, реальні
споживання або виробництво підприємця.
Нехай
також існують r
макроскопічних змінних
які відображають ціни, зарплату,
ставку відсотка т. д. Змінні
і
залежать від часу.
Приміром, у кожен момент часу кожен підприємець має ідеально повну інформацію про макроскопічні параметри. Передбачається також, що кожен підприємець приймає рішення про споживання (виробництво) на базі поточного споживання (виробництва) і значень макроскопічних змінних.
Знехтувавши «прямими взаємодіями» між підприємцями, динамічну поведінку i-го підприємця можна описати у вигляді:
(3.20)
де – параметр швидкості встановлення змінних, а динаміка макроекономіки описується системою рівнянь вигляду:
(3.21)
де
– безперервно диференційована функція.
Отже, УМД економіки є поєднанням (3.20) та (3.21).
Якщо,
наприклад,
достатньо велике, а
– ціна i-го
товару, то
Отже, динамічна модель економіки містить тільки динаміку цін.
Розмірність повної УМД зазвичай дуже висока. Оскільки система потенційно нестабільна, то з теорії синергетичної економіки відомо, що вона може виявляти дуже складну поведінку. Однак, застосовуючи принцип підпорядкування Хакена (ППХ) і теорему про центральну многостатність (многовид)(ТЦМ), можна звести цю багатовимірну складну задачу до відносно низьковимірної, так що стає можливим зрозуміти деякі властивості таких динамічних систем.
Глава 6. Синергетичне моделювання і управління складними системами
6.1. М’яке нелінійне управління: синергетичний підхід в управлінні
Синергетичний підхід до управління складними системами допомагає відповісти на найважливіші методологічні питання сучасного управління. Не є таємницею, що традиційний, панівний досі підхід до управління ґрунтується на лінійному уявленні про функціонування систем природи і суспільства. Відповідно до цього уявлення, результат зовнішнього впливу є однозначним і лінійним, прямо пропорційним наслідком зусиль, що відповідає схемі «керуючий вплив – бажаний результат». Чим більше вкладаєш енергії та докладаєш зусиль, тим нібито більшою є віддача, результат – кращим.
Однак ця позиція не тільки спрощено відображає процес управління – вона може виявитися небезпечною. Прагнення до напористої, насильницької переробки «всього і вся» може призвести до зворотного – до непередбачуваних, стихійних наслідків, власне, до небажаного кризового стану, який важко подолати. З таким ефектом бумеранга стикається той керівник, який не враховує зворотних дій соціальних систем, неоднозначності та нелінійності зворотних зв’язків.
Знання принципів самоорганізації складних систем, які досліджує синергетика, як і кожне нове наукове знання взагалі, дає нам надії. Воно відкриває нові способи підвищення ефективності управління соціальними організаціями. Одна з ключових у синергетиці ідей – це ідея про те, що існує поле можливих шляхів розвитку для будь-якої складної системи, спектр структур – атракторів розвитку, яке потенційно міститься в ній, – «мовчазне знання» цієї системи. Вже одна ця важлива ідея дозволяє керівникові більш оптимістично дивитися в майбутнє і розуміти, в якому напрямку застосовувати власні зусилля для ефективного управління своєю організацією. Чому?
По-перше, якщо ми усвідомили, що існує безліч шляхів розвитку, що той чи інший шлях не визначений, не єдиний, то це означає, що в керівника завжди є право вибору кращого, оптимального, найбільш пріоритетного для цієї організації шляху.
Майбутнє не однозначно визначається існуючими початковими умовами нелінійної системи. Завтрашній день не можна передбачити, спираючись тільки на попередній, накопичений нами досвід. Це сумно і кепсько, але це водночас і добре – відкриваються простори для творчості, пошуку нових напрямків до успіху. Отже, перед кожним керівником стоїть завдання вибору оптимального шляху розвитку, оптимальної організації своїх дій. Цей оптимальний шлях потрібно знайти, ним необхідно управляти!
По-друге, слід розуміти, що хоча шляхів розвитку може бути дуже багато, їхня кількість усе ж не є нескінченною. Отже, в конкретній соціальній системі чи організації можна реалізувати далеко не всі ті напрямки дій, які є бажаними особисто для керівника. Він повинен чітко усвідомлювати все це, щоб «не наламати дров» у своїх керівних діях.
По-третє, знання обмежень, тобто того, що взагалі не можна здійснити в даній системі, знання своєрідних «принципів заборони» – це вже дуже цінне знання. Ми знаємо, наприклад, що не можна винайти вічний двигун, отримувати енергію з нічого і т. д. Багато чого в цьому світі зробити не можна, тому що це суперечить природі реальності та її законам. Знаючи набір жорстких і ймовірних обмежень, керівник не буде витрачати даремно свої матеріальні та духовні ресурси, час, ентузіазм, енергію підлеглих йому людей.
Принцип резонансу можна сформулювати інакше: «Дій у потрібному місці та в потрібний час»
Конфуціанський мудрець застерігає володаря одного з царств: «Зараз воно (Небо) спостерігає за вами, тому не поспішайте з розробленням планів. Необхідно чекати настання сприятливого часу, бо того, хто силою прагне до успіху, чекають нещастя ... При сприятливому ж моменті не можна виявляти недбалість, бо сприятливий момент не приходить двічі. Якщо ж сприятливий час настає, але його не використовують для досягнення мети, Небо відвертає своє обличчя». В образі Неба, безстороннього божественного начала, виступає загальне активне середовище. Вона містить у собі безліч потенційних станів і актуалізується не без впливу дій людей у Піднебесній. Відгук середовища на зовнішній вплив визначається відповідністю або невідповідністю впливу потенціалу середовища. Отже, йди природним шляхом (дао) – і результат буде сприятливим, якщо ж ти будеш опиратися природі речей – потрапиш у халепу.
Йдеться, власне, про м’яке управління – управління за допомогою розумних і належних дій. Слабкі, але відповідні, резонансні впливи надзвичайно ефективні. Вони повинні відповідати внутрішнім тенденціям розвитку складної системи. Правильні резонансні впливи, тобто впливи своєчасні й доречні, дії тут-і-тепер, можуть вивільнити потужні внутрішні сили і можливості окремої людини або соціальної організації.
Отже, керувати в більшості випадків слід м’яко, але розумно, тоді в управлінні можна домогтися великих результатів.
У «Дао де цзін» сказано: «Те, що треба стиснути, спершу розтягнемо. Те, що треба послаблювати, ми зміцнимо спершу. Те, що піде у відходи, спочатку виростимо. Те, що відняти належить, спочатку подаруємо. Таким є Найтонше Світло, яке перемагає, діючи м’яко, долає грубе і сильне. Рибі краще не виходити з води, а знаряддя царські ріжучі краще нікому не показувати».
«Малим викличеш велике, але великим не завжди досягнеш і малого». У цьому правилі найбільш яскраво виражається принцип нелінійності. Великі витрати енергії в нелінійних системах не гарантують отримання пропорційного їм результату. З іншого ж боку, незначний або навіть іноді випадково здійснений правильний вплив здатен резонансно розгойдати систему, пробудити дрімаючі в середовищі потенції. Він дієвий, якщо «вколює» середовище в потрібну точку.
Оптимізація управління полягає в тому, щоб уміти утримувати управляючі зусилля за другорядними функціями даної системи в межах «золотої середини» і максимізувати їх за головними функціяями системи. У такому випадку екстремістами управління слід називати людей, які, ставши «біля керма», максимізують свої зусилля безладно і, як правило, за другорядними напрямками, витрачаючи даремно власні сили, а також сили та енергію персоналу організації. Прислів’я «Сила є – розуму не треба!», вживане зазвичай в іронічному значенні, говорить про те, що саме розум в управлінні і потрібен найбільше. Резонансний вплив, по суті, означає, що важлива не величина, не сила керуючого впливу на систему, а його правильна просторова організація (топологія), «архітектура», його належна симетрія.
По-четверте, відповідно до загальних закономірностей самоорганізації, в управлінні необхідно навчитися орієнтуватися на власні природні тенденції розвитку самої природи цієї організації, «вирахувати» і розуміти її суть. Тоді керівник знатиме, як потрапляти в резонанс із діями керованої ним організаційної структури. І тоді не виникатиме потреби в насильстві над суттю та природою даної організації.
Мистецтво м’якого, нелінійного управління полягає в способах самоврядування і самоконтролю.
«Дозволь системі самій організувати себе!» – ось у чому суть.
Головна проблема полягає в тому, як управляти не керуючи, як малим резонансним впливом підштовхнути систему на один із власних і сприятливих для суб’єкта шляхів розвитку, як забезпечити самоврядний і самопідтримуваний розвиток. Фактично ці синергетичні засади узгоджуються з відомими на Сході правилами поведінки, перш за все з принципом ненасильства. За вченням даосизму, правителі у своїй діяльності повинні слідувати природному закону (дао). «Добрий той правитель, який керує якомога менше», – стверджували даоські мудреці.
«Думай глобально, щоб ефективно діяти локально!» – ось гасло ефективного управління в епоху глобалізації.
Нелінійний синтез – це об’єднання не жорстко встановлених, фіксованих структур, а структур, які мають різний «вік» і знаходяться на різних стадіях розвитку. Це – конфігураційно правильне (резонансне) поєднання елементів «пам’яті», причому «пам’яті різної глибини».
Принципи нелінійного синтезу, коеволюції дисипативних структур у складне ціле, розроблені В. І. Арнольдом спільно з С. П. Курдюмовим, можуть бути підсумовані у вигляді наступних основних позицій:
саме загальний темп розвитку є ключовим індикатором зв’язку структур в єдине ціле, показником того, що ми маємо справу з цілісною структурою, а не з конгломератом розрізнених фрагментів;
існує багато способів складання цілого з частин;
ціле збирається не по крихтах, а великими шматками, великими блоками, воно збирається не з окремих елементів, скажімо атомів, а з проміжних середовищ, що вибудовуються – у випадку прогресивної еволюції – у вигляді ієрархії середовищ, які мають різну нелінійність;
структури-частини входять у ціле не в незмінному вигляді, а певним чином трансформуються, деформуються відповідно до особливостей еволюційного цілого;
для об’єднання «різновікових структур» (хоча б як структур минулого, сучасного і майбутнього) в єдину стійку еволюціонуючу структуру, необхідно порушити симетрію; шлях до зростаючої складності світу – це шлях збільшення кількості моментів порушення симетрії в конфігурації складних структур;
для утворення стійкої цілісної структури є важливою належна топологія з’єднання структур (скажімо, у випадку структури горіння нелінійного дисипативного середовища – правильний конфігураційний розподіл максимумів і мінімумів інтенсивності горіння структури);
для складання нової складної структури, для перекристалізації середовища потрібно створити ситуацію «на межі хаосу», коли незначні флуктуації здатні ініціювати фазовий перехід, скинути систему в інший стан, задати інший хід процесу морфогенезу, інший спосіб збирання складного цілого. «Сама природа коеволюції полягає у досягненні цієї межі хаосу» (С. Кауффман).
Зауважимо, що коеволюція – не просто процес припасуння частин одна до одної при утворенні складного цілого, а їх й процес їхнього резонансного взаємного розташування та синхронізації.
