陈雨思
( 四川大学 , 电子信箱 chenyusi5225@163.com )
2002年07月公布于熵、信息、复杂性网站
[ 摘要 ] 系统同一性的发现,为科学地处理系统信息提供了一个客观的标准 , 即信息处理的同一性标准。按照这个标准 ,可以形成信息分解和信息压缩方法。应用信息压缩方法进行 复杂 系统研究,有可能消除 复杂性困惑和不确定性困惑 。 信息压缩方法 包括信息聚焦和信息展开 两个方面。 信息聚焦又包括相似聚焦、空间聚焦、关系聚焦、奇点聚焦、背景聚焦和惯性聚焦六类;信息展开则包括惯性展开、背景展开、奇点展开、关系展开、空间展开、相似展开六类 。 信息聚焦和信息展开都以信息压缩原理为基础。
[ 关键词 ] 信息压缩原理 ; 信息分解;信息压缩; 信息聚焦 ; 信息展开
[ 中图分类号 ] N941.4 [文献标识码] A [ 文章编号 ]
现代系统科学遇到的“建立复杂系统的系统理论”的困惑,主要包括复杂性困惑和不确定性困惑两个方面。系统最基本的性质—同一性的发现,有可能消除这些困惑。因为系统同一性是复杂中的简单,不确定中的确定, 捉住“系统同一性”,就可以找到复杂性和不确定性的内在规律,从而消除复杂性困惑和不确定性困惑 。
这个问题涉及许多方面,既可以直接从科学层次来进行研究,也可以从方法论层次来进行考察,因为 “系统同一性”的 发现 ,启示给了我们一种全新的方法。这种全新的方法,有可能帮助我们去克服复杂性困惑和不确定性困惑。因此,本文将从方法论角度进行一些讨论。
第一节 “系统同一性”与 复杂问题的简单化
科学研究涉及的一个重要问题,就是如何处理从研究对象中获得的信息。“系统同一性”的发现,为科学地处理从研究对象中获得的信息提供了一个客观的标准 , 即信息处理的同一性标准。根据信息处理的同一性标准,我们可以判断信息处理方法的合理性和有效性。
在《建立一门同态学》中,我们已经从系统参照系角度讨论过这个问题,现在直接从系统同一性来做一些分析。
我们还是先来看经典力学中的质点运动。质点在空间运动 , 形成一条运动轨线 , 这条运动轨线 , 即是质点状态及其运动的信息。
从同一性标准来看 , 质点运动轨线的同一性是什么呢 ? 将质点运动轨线细分 , 可以发现 , 其同一性包含三方面 : 一是直线性 , 任何质点运动轨线都由无穷多条直线构成 ; 二是直线方向的确定性 ( 稳定性 ); 三是质点运动的连续性。
由于质点运动轨线具有这三种同一性 , 使牛顿 - 莱布尼茨微积分成为质点运动描述的合适工具 , 因为牛顿 - 莱布尼茨微积分是以导数为基础的 , 而导数则是以点的切线的钭率为基础的。切线是直线、斜率反映直线的方向、而点的连续性是导数存在的前提 , 在这三种同一性的基础上 , 恰好可以对质点运动加以精确描述。
质点运动同一性的微积分描述,可以概括为简单问题复杂化,所谓简单问题复杂化的意思是 : 从宏观看 , 系统的信息—质点运动轨线是简单的 , 但是在经典力学中 , 通过对质点运动轨线进行细分 , 增加描述信息量 , 找出了质点运动的同一性 , 然后在同一性基础上对质点运动进行精确描述。
牛顿在他第一篇微积分论文的标题中就直接把自己的方法称之为“借助于无限多项方程的分析”,从有限到无限,从有限项相加到无限项相加,从有限个方程到无限多个方程,把问题“分析”,这就是牛顿的简单问题复杂化的方法。
但是在复杂系统中,“点”不再是没有结构的质点 , 而成了有结构的“结构点 ” , 因为复杂系统的任何微小部分都可能有复杂结构,这种复杂结构对于系统运动的影响是不可忽略的 , 因而 , 在复杂系统的“点”中 , 质点运动所具有的三种同一性一般不再成立 ( 在线性范围有可能成立 ), 这是因为 :
1. 从结构点的几何形态来讲 , 结构点的同一性不再是直线 , 而可能是曲线、复杂几何图案、混沌体 , 甚至只有局部同一形态而无全局同一形态。
2. 从结构点的运动指向来讲 , 结构点运动指向的同一性不再是确定性 , 而可能是不确定性、或确定性与不确定性交叉。
3. 从结构点运动的延续来讲 , 结构点运动延续的同一性不再是连续性 , 而可能是非连续性、或连续性与非连续性交叉。
那么 , 对复杂系统应该怎样进行描述 ? 最基本的仍然是从同一性出发,通过寻找复杂系统的同一性,然后用它的同一化信息来描述它。
这里有一个与经典力学的质点描述相反的思路 , 即复杂问题简单化。因为用复杂系统的同一化信息来描述它,实际上是对复杂系统信息做了一次同一性限定 , 或者说 , 是对复杂系统信息做了一次同一性压缩 , 我们是在同一性压缩的情况下来对复杂系统进行描述的。
经典力学的方法可称为信息同一性分解法,简称信息分解法;
同态学发现的方法可称为信息同一性压缩法,简称信息压缩法。
信息压缩法可以用集合论来进行准确描述。
从集合论观点 , 信息压缩法是用一个压缩了的信息集合来描述系统。
通过压缩了的信息集合来对系统进行描述 , 不是对系统的一种近似处理 , 而是精确处理。其原因在于 : 由于系统各部分的相互关联和相互作用 , 使系统的性质和功能突现 , 从而导致系统信息突现 , 信息的同一性压缩正是试图用这种突现的信息来对系统进行描述。
采用信息压缩法来对复杂系统进行描述 , 恰好解决了复杂系统描述中遇到的三个问题 :
1. 结构性问题。因为采用压缩了的信息集合来描述复杂系统 , 则无论该系统的结构是曲线、复杂几何图案还是混沌体 , 也无论是局部同一形态还是全局同一形态 , 都可以非常简明地加以描述。
2. 不确定问题。压缩了的信息集合可表达复杂系统在任何时间、空间、局部、指向上的变化 , 从而适应各种不确定情况。
3. 连续与非连续问题。因为同一化信息既可以是离散的 , 也可以是连续的 , 故可方便地应用于各种连续与非连续情况。
然而,怎样根据信息压缩法来寻找复杂中的简单,不确定中的确定,从而科学地把握复杂系统,消除复杂性困惑。下面分别加以讨论。
第二节 “系统同一性”与复杂中的简单
可以从五个方面的“系统同一性”来寻找复杂中的简单,这五个方面是:要素的相似、要素的关系、关系的关系、关系的关系的对象化和背景约束。找到这些 “系统同一性”,就可以去除冗余信息、抓住主要信息、实现信息压缩,从而通过简单把握复杂,消除复杂性困惑。
1. 要素的相似压缩
在一个系统中,通常存在许多种要素,虽然这些要素千差万别,但在这千差万别之中,必然存在相同的地方,系统要素的相同性与相异性统—起来,就表现出相似性质。如果用某系统要素来代表某方面相似的所有系统要素,则对某方面相似的所有系统要素信息进行了压缩,叫做相似压缩。
相似压缩涉及到结构相似、功能相似、性质相似和规律相似等。
在进行相似压缩的思考时,可以借鉴人类关于相似问题探讨的成果。自有人类以来,人们就对相似问题从哲学、数学、科学和技术各方面进行了探讨。如在古希腊时代,欧氏几何是探讨几何相似,元素论、原子论则是探讨物理结构相似;近代科学已经认识到所有的有机物、无机物都是由一百多种化学元素组成,这些化学元素又是由更小的微观粒子所组成,存在结构上的相似;在生物学中,细胞、染色体、基因、遗传密码等的发现,揭示了生物的结构相似;在近代技术中,数学模拟、物理模拟等等都是基于结构相似和规律相似;在哲学中,则研究现象与本质中的相似,过程与状态中的相似,系统与要素中的相似,结构与功能中的相似,层次与整体中的相似,宏观与微观中的相似,等等。
相似压缩的关键是找到相似系统要素的代表。相似系统要素的代表 通常有多个,不同代表的代表性是不同的 。用什么来恒量代表的代表性呢? 恒量代表性的标准是该代表所代表的信息量,就某系统 要素来讲,若它代表的系统要素愈多,相似的方面愈多,则它代表的信息量就愈大,它的代表性就愈强。
系统要素的代表性是一个很广泛的概念,它不仅是就系统要素的相似而言,也是就系统要素的关系,关系的关系,关系的关系的对象化而言。
系统要素代表性的差异,意味着系统中存在一种现象,称为信息聚焦现象。
信息聚焦使得大量信息在一个或少数几个系统要素上聚集,使得大量重复信息得到简化,并且使得大量系统要素的状态及其运动可以在一个或少数几个系统要素上重演,从而导致系统信息的大幅度压缩 。
信息聚焦现象是相当重要的,因为它是生物与人出现的前提,是人类社会存在 的前提。 信息聚焦使 大量信息在一个极小的物体上聚集,最终使 信 息 符号化。信息的符号化使得信息变换、信息沟通、信息处理、信息传输成为可能,这体现在生物上,就使生物体自身的调控成为可能;体现在人的精神上,就使人的精神活动成为可能;体现在 人类社会中,就使人类的各种社会活动成为可能。
信息聚焦程度可以用被代表要素信息/代表要素信息来表示。
信息聚焦现象体现在系统要素的相似方面,意味着系统中存在一种现象,称为相似信息聚焦现象 。
相似信息聚焦使得大量相似信息在一个或少数几个系统要素上聚集,使得大量重复信息得到简化,从而导致系统信息的大幅度压缩 。
相似信息聚焦简称相似聚焦。相应压缩简称相似压缩。
2. 要素间的关系压缩
关系的范围很广,相似是关系,系统基模 是关系,关系的关系也是关系,不过,现在主要讨论系统要素间 的关系。怎样理解系统要素间 的关系?如果系统某些要素的改变,必然引起另一些要素的改变,就说这些系统要素间存在着关系。
研究系统要素间的关系,当然最好是找到要素之间关系的具体形式,但是,要素之间关系的具体形式往往很多,而且亦常复杂,不容易找到。现在换一下思路,不去寻找要素之间关系的具体形式,而是考虑系统要素间的关系对于系统要素有什么影响。即考虑关系所联结的要素、功能和状态将受到什么样的影响。
系统要素间的关系对于系统要素的影响大致有三方面,即约束、保护和激励。
例如铁轨与火车 间 的关系使得铁轨约束火车,让它只能沿铁轨运动;火车与其动力系统间的关系使得动力系统推动火车前进;火车车箱与乘客的关系使得车箱保护乘客。
由于系统要素间关系的约束、保护和激励,就使系统要素只能存在于某些状态中,例如火车只能沿铁轨运动;乘客只能呆在车箱里。
系统要素能够存在的状态的总和,就构成系统要素运动的空间。
在系统要素运动的空间中,系统要素是能够自由运动的,而一旦离开这个空间, 系统 要素的运动就要被限制或禁止。
由此可见, 系统 要素 间 的关系对于系统要素的影响,集中体现在运动空间上。这使得我们可以集中考虑系统要素的运动空间,而忽 略大量被限制或禁止状态的信息 ,从而使系统信息获得大幅度压缩 。
集中考虑系统要素的运动空间,而忽略大量被限制或禁止状态的信息,可以称为空间信息聚焦。简称空间聚焦。相应压缩简称空间压缩。
3. 关系的关系压缩
什么叫关系的关系?关系的关系是指关系之间的相互关系 。
关系之间的相互关系不容易直观地把握,故要涉及函数概念。
如果系统用函数来表示,例如函数 形式为:y= f ( x , a , b , c) , 假设我们关注变量 y 与 自变量 x 的关系 ,则我们关注 的是要素间的关系 ,假设我们关注的是变量 y 、 自变量 x 与 常量 a 、 b 、 c 的关系 ,则我们关注的是关系的关系。
例如在解析几何中讲过,椭圆、双曲线和抛物线都是二次方程,它们的区别在哪里呢?区别就在二次方程的常数项,用常数项组成一个判别式,就可判别二次方程是椭圆、双曲线、抛物线、直线、平行直线、相交直线、一点或无图形。在牛顿力学中,力 f 与加速度 a 的关系是: f = ma ,通常,是把质量 m 作为不变的常量,如果质量 m 成了可变的,则力 f 与加速度 a 的关系将大大改变。
可见,一组常量决定变量与自变量间的一种关系, 无数组常量决定变量与自变量间的无数种关系,如果常量的变化遵循某种关系的话,则这种由常量组成的关系就是关系的关系。
考虑常量组成的关系有什么意义呢?通常,变量与自变量间的关系是很复杂的,而常量组成的关系则相对简单。例如一个指数函数,它的指数只是单纯地增加或减少,而函数却发生很复杂的变化。
上节说到,要素间的关系决定系统要素运动的空间,那么,关系的关系则决定系统要素运动空间的改变,也就是说,变量与自变量的关系决定系统要素运动的空间,而变量 、自变量与常量的关系则决定系统要素运动空间的改变。
由此可见,变量与自变量的关系 ,受到常量关系的制约,变量与 自变量的关系 ,集中体现在常量关系上。这使得我们可以集中考虑 常量 关系,而忽略大量变量 与自变量的复杂关系,从而使系统 信息获得大幅度 压缩 。
集中考虑常量关系,不是一种近似处理,因为我们知道了系统 要素运动空间,又知道了决定 系统 要素运动空间改变的 常量关系,就可以对系统进行准确描述。
常量关系使复杂关系的信息获得大幅度压缩 ,可称为关系信息聚焦。 简称关系聚焦。相应压缩简称关系压缩。
4. 对象化
如果仅限于知道系统的相似、关系、关系的关系,并做相应压缩 , 我们仍然难以深入理解系统,我们还必须知道,在这个系统中,哪些子系统或系统状态集中体现了这种相似、关系、关系的关系。这就是系统的相似、关系、关系的关系的对象化。
按照同态定义,系统的相似、关系、关系的关系的对象化,就成就了相应的同态。从同态定义出发,可以在两个意义上来理解同态:
(1) 由系统的相似 、关系、关系的关系所决定的状态。
(2) 代表该状态的系统要素或子系统 ( 此点前面已提到过 ) 。
例如,某方面相似的所有系统要素构成一个同态,代表这些要素的某系统要素属于这个同态。当我们说到该同态时,既可以是指所有相似要素构成的状态,也可以是指代表这些要素的某系统要素的状态。
用相应的同态来表示系统,就使系统信息得到进一步压缩。
系统的相似和关系的对象化,在前面己经讨论过。然而关系的关系的对象化由于具有特殊性,应单独加以讨论。
由前节可知, 假设我们关注的是变量 y 、 自变量 x 与 常量 a 、 b 、 c 的关系 ,则我们关注 的是关系的关系。
如果某子系统或系统状态集中体现了系统的常量关系,那么,该子系统或系统状态与其它子系统或系统状态相比,就有奇特之处,奇特之处在于: 它的微小变化能引起关系的较大改变。
能引起关系的较大改变的子系统或系统状态称为奇点。
按照同态定义,奇点也是同态。
奇点在系统中具有十分重要的意义,在许多年以前,麦克斯韦在描述了火药棉的爆炸之后,指出:“在某些情况下,功的耗费可能是无限小,因此通常它并不和此后所得出的能量成一定的比例。例如,岩石被风霜松开并在山边某一特定地点保持平衡,一个小小的火花点燃巨大的森林,一句话引起一场世界战争;一个小小的孢子使所有马铃薯枯萎;一个小小的胚芽使我们成为哲学家或者白痴。在一定水平之上的所有存在都有它的奇点,水平越高,奇点就越多。在这些点上,物理量值太小以致不被有限的存在物所重视的那种影响,却可能产生出最重要的结果。”
系统中既然存在奇点,也就必然存在非奇点,奇点与非奇点间并不是亳不相干,而是存在着关系,以及关系的关系,如果用奇点来代表非奇点,就会使系统信息获得大幅度压缩 。
关系的关系的对象化 压缩可以称为奇点聚焦。相应压缩 简称 奇点压缩。
5. 背景压缩
在以上讨论中,我们并没有对系统加以规定,而要对系统加以规定,就涉及参照系问题。
参照系是一个具有重大意义的问题,爱因斯坦在逝世前两个星期回顾了牛顿的全部思想,认为“牛顿的最伟大成就是他认识到特选 ( 参照 ) 系的作用。”他还把这句话重复了几遍。
对于系统的研究同样涉及系统参照系问题,不建立系统参照系,就无法区分系统 和背景,无法区分系统 信息和系统背景信息。而建立了系统参照系,就不仅可以区分系统信息和 系统背景信息,而且 可以根据系统 信息和 系统 背景信息的 关系,以及关系的关系,来对系统背景信息加以压缩,使系统背景信息得到简化。
系统背景信息压缩可以称为背景信息聚焦。 简称背景聚焦。相应压缩 简称 背景压缩。或称为系统参照系聚焦。相应压缩简称系统参照系压缩。
第三节 “系统运动同一性”与 不确定中的确定
寻找不确定中的确定要涉及系统的运动同一性 。 系统的运动同一性是以一个个具体的系统运动为要素而表现出的同一性 ,它也包括各具体系统运动 的相似、关系、关系的关系、对象化等内容。不过,对我们所论 问题来讲,有一种运动同一性非常重要,这就是系统相对于某起始状态的运动同一性,这种运动同一性是系统 从起始 状态离开和向 起始 状态回复的过程 中表现出的同一性 ,它决定了 系统的一种 重要 性质—稳定性。而正是基于稳定性,才使寻找 不确定中的确定的工作变得可能。说清 这个问题要涉及五个方面: 运动的绝对性、运动的回复、稳定与惯性、系统运动结构三象、不确定中的确定,下面分别加以讨论。
1. 运动的绝对性
关于运动的绝对性问题,在哲学上进行过广泛的讨论。 辩证唯物主义认为运动是物质的固有性质和存在方式,是无条件的、永恒的、绝对的;静止则是从一定的关系上考察运动时,运动表现出来的特殊情况,是有条件的、暂时的、相对的。然而,在系统中,系统的 运动 和静止究竟是什么关系?这个问题只有通过对 “系统运动同一性” 的分析,才能找到答案。
2. 运动的回复
虽然运动是绝对的,但是,运动形式却是多样的,在这些多样的运动形式中,可以简略地划分为两种运动形式。一种是从 系统 运动 的起始 状态离开的运动,一种是向系统运动的起始状态回复的运动。从系统运动的起始状态离开的运动,决定了系统运动的一个特性,即变化特性,而向系统运动的起始状态回复的运动,又决定了 系统运动的另一种特性,即稳定特性。系统运动的稳定特性,是系统运动同一性的体现。
3. 稳定与惯性
如果存在从某起始状态出发,经过一定的时段后,又回到该状态,则系统状态在起始两个时刻并无区别而呈现出一定的同一性;如果不仅回复次数较多,而且回复时间较短,则系统的宏观特性就可以表现为恒定不变,系统 就显示出静止或稳定的特性。或者说, 系统的静止或稳定是通过系统运动的状态回复来实现的。因此就有“稳定是运动的回复”的结论。
如果考虑引起运动和变化的原因,则系统的稳定性用惯性来表示。惯性是系统保持其原有状态的性质。
4. 系统运动结构三象
任何系统运动都是有结构的,对结构的各部分而言,其在系统运动 中的惯性是不一样的,故而可以按惯性大小来对 系统运动的结构进行划分,即划分为大 惯性、中惯性、小惯性三部分,大惯性的部分 通常不确定性较小;中惯性的部分通常不确定性居中; 小惯性的 部分通常不确定性较大。系统运动结构的这三部分可称为系统运动 结构三象。系统运动结构的三象性是无处不在和不可分离的。
5. 不确定中的确定
按照系统运动结构三象的道理,则无论系统运动的不确定性有多大,它的运动 结构总可以分为大惯性、中惯性、小惯性三部分;而 系统运动结构的三象特性无处不在和不可分离,就意味着大惯性 、中 惯性 、小惯性三部分之间必然存在着关系、关系的关系及其对象化,也就必然存在着关系聚焦、关系的关系聚焦和对象聚焦的现象 。
在通常情况下,系统运动结构的大惯性部分不确定性较小,因而,如果系统运动结构的关系聚焦 、关系的关系聚焦和对象聚焦指向大 惯性部分,则由此获得的同态将集中反映系统运动结构的情况,即 集中反映不确定性居中的部分 、不确定性较小的部分的情况。这样, 系统的不确定运动就通过系统运动不确定性较小的部分来表现,或者说,系统的不确定运动通过系统的确定运动来表现。
系统的不确定运动通过系统的确定运动来表现,可以称为惯性聚焦 。
第四节 信息压缩原理
上述讨论表明,从复杂中寻找到简单,从不确定中寻找到确定,可以通过相似聚焦、空间聚焦、关系聚焦、奇点聚焦、背景聚焦和惯性聚焦来实现,这六类聚焦实质上都是信息聚焦。
信息聚焦表现为信息的相似压缩、空间压缩、关系压缩、奇点压缩、背景压缩和惯性压缩,这六类压缩实质上都是信息压缩。
由此,就归纳出一个原理,叫信息压缩原理。
信息压缩原理是说:信息压缩是系统的普遍现象。
信息压缩原理是普遍同一原理的必然推论。普遍同一原理说:“任何系统必具有同一性”,由此推论,则任何系统内部必存在相似、 关系、关系的关系、 奇点 ;任何系统必存在背景;任何系统必存在 “系统运动同一性”,因而任何系统必存在相似压缩 、 空间压缩、关系压缩、奇点压缩、背景压缩和惯性压缩 ,所以有结论: 信息压缩是系统的普遍现象。
信息压缩现象是 系统 信息分布不均衡性的表现,或者说是信息分布不对称的表现。
从研究方法上讲,信息压缩原理能够给我们提供什么新启示呢?
信息压缩原理指出信息压缩是系统的普遍现象,这指示了我们一种研究方法,即通过 相似聚焦、 空间 聚焦、 关系 聚焦、奇点聚焦、背景聚焦和 惯性 聚焦 来达到对于 系统的综合认识,这六类 聚焦总称为信息聚焦。 同时,信息压缩原理还指示了我们另一种研究方法,即通过惯性展开、背景展开、奇点展开、关系展开、空间 展开、相似展开 来达到对于系统细节的认识,这六类 展开总称为信息展开。因而,以信息压缩原理为基础,就构成了信息聚焦和信息展开两种 研究方法 。
信息聚焦和信息展开两种 方法的共同基础是信息压缩原理。或者更广一点说,是普遍同一原理。信息压缩原理或 普遍同一原理使信息聚焦方法和信息展开 方法统一起来,形成统一的信息压缩 方法。
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