Математическое моделирование исторической динамики

Олег Евгеньевич Царьков, 2023

Настоящая работа представляет собой очередной опыт объединения научных достижений в области различных дисциплин (математики, социологии, экономики, истории) с целью описания социально-исторических процессов и оценки перспектив. Отказавшись от детерминистического подхода к анализу событий, предпринята попытка с помощью современного математического аппарата экономики, социологии и кибернетики установить взаимосвязь между различными составляющими общественного развития безотносительно к временному периоду.

§4. БАЗОВЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

“Многие вещи нам непонятны не потому, что наши понятия слабы; но потому что сии вещи не входят в круг наших понятий” (К. Прутков)

В отличие от фундаментальных наук в социальной сфере формальная логика в области гуманитарных наук применима не всегда. Существует много разных объяснений этому явлению, но основным является отсутствие аксиоматики — чёткой, мотивированной системы предположений, подразумеваемой по умолчанию. В связи с этим эффективность исследований в сфере социальных наук снижается, а область применения результатов сужается. Для того, чтобы избежать вышеизложенных трудностей, уточним терминологию и дадим необходимые определения.

Под научной теорией будем понимать объяснение аспекта знания и соответствующий ему неочевидный прогноз, который можно многократно проверять и подтверждать в соответствии с научным методом. Под процессом⁷⁰ понимается идентифицируемая абстракция совокупности взаимосвязанных и взаимодействующих событий, преобразующих входящие данные (ресурсы) в исходящие. Управление процессом или системой — это целенаправленное воздействие субъекта управления на объект управления. Оно начинается с формулирования целей, которые необходимо достичь. Для их достижения необходимо совершить действия, направленные на объект для того, чтобы обеспечить его сохранность и функционирование. Управление формализуется в виде программы действий или алгоритма, который представляют пассивную последовательность инструкций и правил, в то время как процесс является их непосредственным воплощением.

Под системой понимается множество объектов произвольной природы, связанных между собой возможностью взаимного влияния. Они могут быть как элементарными, так и сложным, представляя собой систему более низкого уровня. Каждая система имеет структуру — граф взаимного влияния объектов системы между собой. Траектория движения системы — результат взаимодействия её элементов, каждый из которых описывается рядом параметров⁷¹. Её отображением является траектория — кривая в фазовом пространстве, составленная из точек, представляющих состояние системы в последовательные моменты времени за весь период её существования. Понятие отображения или функции является необходимым элементом построения модели, в связи с чем напомним его определение. Отображение f с областью значений X и областью значений Y сопоставляет каждому элементу x ∈ X элемент f(x) ∈ Y. Образом при отображении f называется множество всех элементов вида f(x): Im f = {f(x) x ∈ X} = f(X) ⊂ Y.

Главное предназначение любой системы — преобразование вещества и энергии. Выполняя эту функцию, любая система стремится к самосохранению, устойчивости и развитию. В связи с этим у неё можно выделить два уровня целевых функций. К первому уровню относятся задача поддержания жизнеспособности, которая достигается поддержанием стационарного состояния, при котором потребление вещества и энергии минимальное. Выход из этого состояния приводит к её дисфункции, т.е. отказу от своего предназначения. Целевыми функциями второго уровня является самовоспроизводство системы и развитие при сохранении равновесного состояния или гомеостаза.

С понятием «структура» связано понятие «модель», под которой понимается инструмент познания, создаваемый в рамках одной социальной реальности определенной длительности, но пригодный для изучения другой социальной реальности⁷². Соотнесение модели с той или иной социальной реальностью должно стремиться к нахождению момента ее зарождения и служить объяснению устойчивости структуры. Конечная цель исследования модели — организация управления, т.е. нахождение оптимальных траекторий для всех субъектов процесса и методов вывода на них. Соответственно, управляемыми считаются объект или процесс, если на него можно воздействовать извне с целью изменения его состояния, под которым понимается функциональное описание объектов системы, в желаемом направлении.

Математическое описание поведения динамических систем требует формализации их правил поведения. В её рамках описывается не всякое поведение, а рациональное поведение, связанное с принятием определённого решения в определённый промежуток времени. В такой задаче под принципом оптимальности понимается та совокупность правил, при помощи которых субъект определяет свое действие, наилучшим образом способствующее достижению преследуемой им цели. Решение, удовлетворяющее выбранному критерию, считается оптимальным, а их последовательность во времени именуется оптимальной траекторией.

Под математической моделью будем понимать систему уравнений, устанавливающую зависимость между параметрами системы. Каким бы образом не составлялась математическая модель, всегда возникает проблема её адекватности, описываемому процессу. Ошибки моделирования бывают двух типов — исходных данных и выбора. В первом случае их можно преодолеть путём уточнения информации и расширением числа параметров, а во втором — варьируя подходы или меняя алгоритм. В обоих случаях критерием является сравение результаты моделирования с наблюдаемыми фактами. Если оно удовлетворительно, то можно говорить об адекватности. Формально это выглядит следующим образом. Пусть последовательность описывает поведение системы, а — её математическая модель. Если для заданного значения и выполняется неравенство — для, то модель адекватна описываемому процессу.

Философское понимание развития довольно многообразно. Условно можно выделить четыре основные концепции. Первая из них связывает развитие с реализацией новых целей, целенаправленностью изменений, которые, в сущности, не является непременным атрибутом процесса. Другой подход определяет развитие, как процесс адаптации к окружающей среде, что представляется лишь его необходимым условием, но отнюдь не достаточным. Третья концепция подменяет понимание процесса развития его источником — противоречиями внутри системы, четвертая отождествляет с одним из его проявлений или форм: прогрессом, эволюцией.

Детерминизм в исследованиях процесса развития привёл к появлению целого ряда заблуждений, трансформировавшихся в ряд распространённых догм. В частности, к ним относятся представления об ускорении темпов развития, о корреляции развития с увеличением сложности системы, о его поступательной направленности. До сих пор широко распространена точка зрения о однонаправленности процесса развития, выразившаяся отображённая в гегелевской"спирали развития", базирующейся на тождественности процесса развития и прогресса. В понятие развития системы вкладывается любое качественное изменение системы: структуры, связей, функций. При этом следует разделять понятия"рост"и его темпы. Их не следует отождествлять с развитием, что характерно для многих экономических задач.

Развитие представляется необратимым, направленным, закономерным изменением материи и сознания, их универсальным свойством; в результате развития возникает новое качественное состояние объекта или системы, их состава и/или структуры. Этот процесс для открытых систем является необратимым, в то время как, в определённой части закрытых существуют обратимые изменения. Во-вторых, в результате развития изменяется не только структура системы, но и ее поведение, функционирование и организация, которая представляется в трёх аспектах:

— как взаимодействие частей целого, обусловленное его внутренним содержанием, которое может быть задано как самой системой, так и внешней средой;

— как упорядочивающие воздействия среды;

— как объект внешнего воздействия.

Развитие проявляется в виде реакции системы на изменение внутреннего и внешнего состояния, т.е. адаптации.

В изменяющейся среде сохранение целостности системы возможно лишь при ее развитии и наоборот — развиваться система может в квазиустойчивом состоянии. То есть, самосохранение и развитие взаимосвязаны, поскольку являются необходимым и достаточным условием выполнения основной функции системы. Закономерности поведения системы отражены в принципах Ле Шателье—Брауна⁷³ и наименьшего действия Гамильтона⁷⁴. Они предполагают, что достижение такого состояния предполагают максимум эффективности при минимуме затрат энергии. В связи с этим реализация принципов Ле Шателье—Брауна и Гамильтона представляется как процесс сравнения фактического состояния системы с заданным. Результатов этой оценки служит основанием для проведения действий, заставляющих систему попасть в заданное состояние. Любое воздействие, отклоняющее состояние системы от состояния равновесия оценивается ею как дисфункция. Её нейтрализацию обеспечивает механизм обратной связи, который целенаправленно возвращает систему в прежнее положение. Это, в свою очередь, вызывает коррекцию связей между системными элементами, их удаление или появление.

Под „равновесием” понимается состояние закрытой системы, при котором ее макроскопические параметры остаются неизменными, т.е. сохраняется установившаяся структура, функционирование, параметры ее входов и выходов. В социологическом плане равновесное состояние на примере племени: если рождаемость и смертность в нем примерно равны, то численность его остается постоянной, что соответствует равновесному состоянию; небольшое превышение рождаемости при обильных источниках ресурсов не оказало бы существенного влияния, т.е. система находилась бы в состоянии, весьма близком к равновесию⁷⁵. В этом случае элементы системы являются инерционной силой, способной лишь на изменение количественных характеристик. Подобные системы не способны к развитию и самоорганизации, поскольку подавляют отклонения от своего состояния, тогда как развитие и самоорганизация предполагают качественное его изменение.

Подавляющее большинство систем и их элементов подвержены флуктуациям или колебаниям, представляющим собой самонастройку системы. Их типология различает три вида колебаний: свободные, вынужденные и автоколебания. К свободным относят постепенно затухающие колебательные движения⁷⁶, выводящие систему в состояние равновесия. Вынужденные флуктуации возникают при воздействии на систему совершающей колебания внешней силы⁷⁷, в результате которого система начинает двигаться с навязанными извне частотой и амплитудой. Автоколебания всегда присутствуют в диссипативных системах и представляют собой незатухающие, самоподдерживающиеся флуктуации параметров. Они представляют собой квазиустойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде, и связаны с процессом рассеивания поступающей извне энергии.

Вынужденные колебания и автоколебания характерны для открытых систем, а свободные — для закрытых, стремящихся к равновесию. В последнем случае они гасятся сами по себе. В остальных системаха колебания под воздействием внешней среды достигают некоторого предела, при их невозможно погасить. Поскольку не все они безвредны для системы, одни флуктуации должны получать подпитку извне, а другие погашаться путём целенаправленного воздействия, которое генерируется внешним регулятором и/или подсистемой управления, являющейся частью системы. Этот процесс мы определим, как внешнее управление. Благодаря ему, одни элементы получают определённое преимущество в сравнении с другими и качественный скачок может стать следствием исключительно внутренних флуктуаций⁷⁸.

Флуктуации, воздействующие на систему, в зависимости от своей силы могут иметь совершенно разные для нее последствия. Если колебания недостаточно сильны⁷⁹, она откликается на них тенденцией возврата к исходному состоянию, структуре или поведению. При превышении ими определённого уровня система, особенно диссипативная, может саморазрушиться или трансформироваться в новую структуру, которая будет обладать отличными от прежней параметрами, поведением и/или составом. Таким образом, благодаря поведению и свойствам отдельных элементов системы, возникает эффект неадекватного соотношения слабого сигнала на входе с сигналом на выходе: первый может привести к значительному и нередко неожиданному изменению, что означает неприменимость к внутрисистемным связям жестких причинно-следственных зависимостей, в которых следствие если не тождественно, то пропорционально причине. Часто малые, но согласованные с внутренним состоянием системы внешние воздействия на нее могут оказаться более эффективными, чем большие, а появление нового признака или нового элемента приводит к появлению других.

Под „самоорганизацией” системы (внутренним управлением) понимается процесс установления в системе порядка, происходящий исключительно за счет кооперативного действия и связей ее компонентов и в соответствии с ее предыдущей историей, приводящий к изменению ее пространственной, временной или функциональной структуры. Фактически, самоорганизация представляет собой некий процесс упорядочения за счет согласованного взаимодействия элементов системы при отсутствии упорядочивающих воздействий со стороны внешней среды. Самоорганизация является частью процесса развития, который помимо неё включает как приспособление к воздействию среды(адаптацию), так и регресс системы и последующую за ним её дезинтеграцию. Для того чтобы система была самоорганизующейся, т.е. имела возможность прогрессивно развиваться, она должна быть полностью⁸⁰ или частично открытой⁸¹. Под этим термином понимается взаимодействие с внешней средой. Оно может принимать формы обмена информацией или энергией, а также материальных изменений на границе системы. Процессы, протекающие в ней, должны быть коллективными, т.е. согласованными друг с другом. Система должна быть динамической и иметь одно или несколько нетривиальных состояний равновесия.

В зависимости от характера устойчивости существуют два состояния равновесия. Равновесное состояние системы является устойчивым, когда при изменении её параметров она возвращается в исходное состояние. Неустойчивое равновесие имеет место тогда, когда указанное изменение влечет за собой дальнейшие изменения. В этом случае развитие не исключено, поскольку процесс самоорганизации предполагает новое упорядочивание за счет кооперативного взаимодействия. Исходя из этого, «неравновесность» можно определить, как состояние незакрытой системы, при котором происходит изменение ее макроскопических параметров, т.е. ее состава, структуры и поведения.

Согласно принципу устойчивости, среди возможных форм развития реализуются лишь устойчивые; неустойчивые если и возникают, то быстро разрушаются. Развитие может идти как по линии прогресса, так и регресса, и выражаться в эволюционной или революционной форме. Последняя из них представляет собой скачкообразное качественное изменение системы, именуемое в различных областях знания — скачком, фазовым переходом в термодинамике, бифуркацией или катастрофой. В зависимости от обстоятельств изменение может иметь различные последствия и закончится обновлением системы, изменением её структуры и в ряде случаев гибелью. В этот момент система будет находиться в информационном вакууме, в связи, с чем возникнет эффект „кошки Шрёдингера”.

Таким образом, и устойчивость, и неустойчивость, и адаптация, и дезадаптация являются в равной мере необходимыми в процессе развития любой системы. Абсолютно неустойчивая система лишена способности к адаптации быстро разрушается, тогда как суперустойчивая система, которая подавляя любые флуктуации, консервирует свою структуру и поведение. Она не способна измениться качественно, т.е. лишена возможности развития, вследствие чего ее крах становится неизбежным.

Примечания

70

processus — течение, ход, продвижение

71

Показатель или параметр — это информационное отображение состояния системы, которое подразумевается в значении положения, в котором находится объект

72

Следует отметить, что большинство изученных физических процессов нелинейны и часто представляют собой не усложнение, а упрощение системы.

73

всякая система подвижного равновесия стремится измениться таким образом, чтобы свести к минимуму эффект внешнего воздействия, сохраняя при этом свою качественную определенность

74

принцип минимума энергии: любая система стремится к наиболее низкоэнергетическому из доступных ей состояний

75

I. Prigogine, I. Stengers

76

маятник

77

часовая пружина, гасящая силу трения

78

в материалистической диалектике (К.Marx) недооценивалась роль среды в развитии системы, то в современных концепциях самоорганизации — роль самой системы, ее подсистем и элементов

79

особенно это касается флуктуаций управляющего параметра или подсистемы

80

обмен с внешней средой веществом и/или энергией

81

Обмен с внешней средой информацией