Редукция сложности моделей природных и экспериментальных экосистем : Теоретические и прикладные аспекты

• Автор: Барцев, Сергей Игоревич
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 221 с. : ил.

1.1. СЛОЖНОСТЬ МОДЕЛЕЙ ЭКОСИСТЕМ И ВОЗМОЖНОСТЬ ЕЕ РЕДУКЦИИ

. 1. О понятии сложность.

1.2. Подходы к редукции сложности систем.

1.2. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И СИММЕТРИЯ.

1.2.1. Принципы феноменологического моделирования

1.2.2. Выбор феноменологической модели для моделирования экосистем

1.2.3. Нейронные сети в качестве феноменологической модели эволюционирующих систем.

1.2.4. Симметрия в понижении сложности описания систем

1.3. Замкнутые экологические системы, их свойства и оценки степени замкнутости.

1.3.1. Общие представления о замкнутости

1.3.2. Экспериментальные замкнутые экосистемы.

1.3.3. Оценки степени замкнутости потоков веществ в ЗЭС.
1.3.4. Стехиометрические ограничения и степень замкнутости экологических систем.
1.3.5. Связь замкнутости с устойчивостью экосистем
1.4. Оптимальность в моделях природных и экспериментальных экологических СИСТЕМ.
1.4.1. Экстре.ма1ьные принципы в экологии.
1.4.2. Проектирование ЗЭСЖО для космических приложений
Выводы главы
ГЛАВА 2. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ НЕЙРОСЕТЕВАЯ МОДЕЛЬ И СВОЙСТВА СЛОЖНОСТИ ЭВОЛЮЦИОНИРУЮЩИХ СИСТЕМ .
2.1. Общее описание нейросетевой модели и вычислительного эксперимента
2.1.1. Описание нейросетевой модели.
2.1.2. Постановка вычислительного эксперимента
2.1.3. Оценка сходства структур НМО
2.1.4. Контрастирование НМО.
2.2. Результаты вычислительных экспериментов с нейросетевой моделью
2.2.1. Особенности структуры нейросетевых модельных объектов.
2.2.2. Сопоставление обнаруженных свойств НМО со свойствами других биологических систем.
2.3. Теоретический анализ механизмов формирования кластеров.
2.3.1. Локальная симметрия структур НМО, выполняющих одинаковые функции.
2.3.2. Дискретная симметрия. Число кластеров, формируемых структурами НМО.
2.3.3. Аналоги функциональноинвариантных преобразований в биологических системах.
2.4. Экспериментальная проверка эквивалентности структур НМО, выполняющих одинаковые функции
2.5. Возможность редукции сложных НМО к менее сложным
2.6. Опыт поиска симметрий в простых моделях экосистем
Результаты и выводы главы.
ГЛАВА3. ФАКТОР ЗАМКНУТОСТИ И СВОЙСТВА ЭКОСИСТЕМ
3.1. Формальный коэффициент замкнутости экосистем.
3.2. Свойства и применимость формального коэффициента замкнутости
3.2.1. Физический смысл ФКЗ
3.2.2. Применимость ФКЗ к сложным системам.
3.2.3. Комбинаторные свойства ФКЗ
3.3. Фактор замкнутости и пределы точности прогноза стационарного состояния ЗЭС естественный разброс и ошибки измерения
3.3.1. Влияние замкнутости на точность прогноза стационарного состояния простой экосистемы.
3.3.2. Специфика статистической обработки данных по ЗЭС
3.4. Устойчивость экосистем с разной степенью и типом замкнутости
3.4.1. Об эволюционной непрерывной достижимости полной замкнутости.
3.4.2. Достижимость стационарного состояния экосистемой с трофическими циклами
3.4.3. Влияние изменения ФКЗ на устойчивость модели экосистемы общего вида. .
3.5. Стехиометрические ограничения в ЗЭС.
3 Нормированные стехиометрические коэффициенты
3.5.2. Случай полнозамкнутых экосистем.
3.5.3. Неполнозамкнутые экосистемы.
3.5.4. Случай метаболизма с частичной адаптивностью
3.5.5. Случай адаптивного метаболизма
Результаты и выводы.
ГЛАВА 4. ОПТИМАЛЬНОСТЬ В МОДЕЛЯХ ЗАМКНУТЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
4.1. Минимальная модель ЗЭСЖО
4.1.1. Методологические рамки рассмотрения ЗЭСЖО.
4.1.2. Предварительная оценка уровня замкнутости физиологическая рамка
4.1.3. Принятый в работе уровень детализации описания ЗЭСЖО
4.2. Критерий минимальной массы и оптимальные конфигурации ЗЭС.
4.2.1. Требования к точности представления данных
4.2.2. Результаты вычисления оптимальных структур СЖО для космических миссий метаболическая рамка.
4.2.3. Результаты вычисления оптимальных структур СЖО для космических миссий техническая рамка.
4.3. Оптимальность систем энергообеспечения космических СЖО
4.4. Интегральный критерий максимальной надежности.
4.4.1. Общая форма интегрального критерия максимальной надежности
4.4.2. Оценка надежности собственно ЗЭСЖО
4.4.3. Качество жизни и надежность.
4.4.4. Критерий надежности и сценарии экспедиции.
4.4.5. Примеры применения интегрального критерия максимальной надежности. .8 Результаты и выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
ЛИТЕРАТУРА


Физик занимается детальным математическим исследованием таких нереальных вещей, как материальные точки, абсолютно твердые тела, идеальные жидкости и т. В природе подобных вещей не существует. Однако же физик не только изучает их, но и. И что же Такое применение ведет к практическим результатам по крайней мерс в известных, пределах. Все дело в том, что в этих пределах реальные вещи имеют свойства, общие с воображаемыми идеальными объектами Только сверхчеловек мог бы охватить в математическом. Мы, обыкновенные смертные, должны быть скромнее, и нам следует подходить к реальности асимптотически, путем постепенного приближения, цит. Уместно привести аргументацию фон Неймана Поскольку у нас нет достаточно ясного представления о том, как функционируют живые организмы, то обращение к органике большой пользы нам не принесет. Мы займемся поэтому автоматами, которые мы в совершенстве знаем, ибо мы их сделали. Опишем автоматы, способные воспроизводи гъ себя Фон Нейман, Бркс, , с. Основанный на построении феноменологических моделей подход был назван Дж. Нейманом эвристическим методом, сущность которого заключалась в том, что поиск, решения на компьютере не является самоцелью, а ведется для того, чтобы выявить удобные понятия, широко приложимые принципы и построить общую теорию. Этот подход соответствует традиционному научному методу гипотезадедукцияэксперимент, в котором эксперимент становится вычислительным Фон Нейман, Бркс, , стр Некоторые способы постановки задачи при, таком подходе можно выделить из рассуждений фон Неймана. В теории автоматов, устанавливаются общие принципы организации, структуры, языка, информации и управления. Многие из них можноприменить, как к естественным, так и к искусственным системам,, и поэтому сравнительное изучение этих двух типов автоматов может служить хорошей отправной точкой необходимо описать и объяснить черты их сходства и различия, развить математические методы, применимые к обоим типам автоматов там же, стр . На ряд важнейших вопросов мы не отвечаем, а просто предполагаем, что элементарные части с
необходимыми свойствами существуют. Тогда можно надеяться получить ответ или хотя бы попытаться исследовать такие вопросы по каким принципам составляются из этих элементарных частей функционирующие организмы, каковы черты таких организмов и каковы их основные количественные характеристик там же, с. Разумеется, все это так и останется на уровне нечетких утверждений, если не будет дано корректное определение понятия сложности, а это нельзя будет сделать до тех пор, пока не будет детально рассмотрено несколько показательных примеров, т. Значимость работы фон Неймана заключается в том, что он показал реализуемость модели самовоспроизведения на базе известных материальных компонентов электронных и механических схем без привлечения дополнительных физических законов, на необходимость которых указывали Шредингер и Витер i, Шредингер, . Работа с феноменологическими моделями есть работа с принципиальными вопросами. Примеры исследований по принципу хорошо известны в физике и биофизике. Так,, например, исследование цикла Карно, позволило ответить на методологически важный вопрос Можно ли в принципе построить тепловой двигатель с к. При этом не важно, что самая эффективная тепловая машина машина Карно практически бесполезна. В качестве примера наиболее известных феноменологических моделей можно так же привести модель известного математика и химика А. Тьюринга i, , направленную на выяснение вопроса о принципиальной возможности возникновения, организованности диссипативных структур в гомогенной среде. Позднее, в работах И. В работах М. Эйгена теория, построенная на ряде достаточно абстрактных моделейгиперциклов, дает обший принцип отбора и эволюции на молекулярном уровне Эйген, . Работы Дж. Неймана позволили положительно ответить на вопрос Можно ли в принципе объяснить самовоспроизведение систем на основе известных законов физики, без привлечения понятия жизненная сила Фон Нейман, . При этом совершенно не важно, что самовоспроизводящиеся автоматы фон Неймана никому в реальном исполнении не нужны.