筑基·涌現(xiàn) | 2025 集智學(xué)園年終盤(pán)點(diǎn)：用數(shù)學(xué)與物理的語(yǔ)言，理解復(fù)雜系統(tǒng)

導(dǎo)語(yǔ)

歲末年初，回望這一年的知識(shí)探索之旅。這一年，人工智能依然在狂飆突進(jìn)，但我們也看到了更多的困惑：

• 智能涌現(xiàn)的底層機(jī)制是什么?

• 如何用數(shù)學(xué)與物理的語(yǔ)言描述復(fù)雜系統(tǒng)?

• 面對(duì)高維、非線性、非平衡系統(tǒng)，我們?nèi)鄙偈裁垂ぞ?

在集智學(xué)園，我們相信答案藏在復(fù)雜科學(xué)的深處。

多年來(lái)，我們持續(xù)深耕復(fù)雜系統(tǒng)與人工智能領(lǐng)域的課程建設(shè)。2025 年，我們更進(jìn)一步——攜手北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院、華僑大學(xué)、北京郵電大學(xué)、武漢大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等多個(gè)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的 26 位研究學(xué)者，為這座知識(shí)大廈添磚加瓦：更加注重?cái)?shù)學(xué)與物理基礎(chǔ)，打造了一條從數(shù)學(xué)筑基到系統(tǒng)整合的學(xué)習(xí)路徑。2025年的7 門(mén)系統(tǒng)化課程，涵蓋線性代數(shù)、拓?fù)鋵W(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、涌現(xiàn)動(dòng)力學(xué)、重整化群、系統(tǒng)科學(xué)前沿，構(gòu)建起理解復(fù)雜系統(tǒng)的知識(shí)框架。

這不僅是一年的課程回顧，更是一場(chǎng)從數(shù)學(xué)筑基到系統(tǒng)涌現(xiàn)的知識(shí)之旅——邀請(qǐng)你一起出發(fā)。

王朝會(huì)丨整理

一個(gè)知識(shí)階梯

2025 年，集智學(xué)園構(gòu)建了一條更加清晰的認(rèn)知升級(jí)路徑：

第一階：數(shù)學(xué)筑基→ + ，打造科研人的底層工具箱

第二階：物理深化→ + + ，理解系統(tǒng)涌現(xiàn)的深層機(jī)制

第三階：系統(tǒng)整合→ 系統(tǒng)科學(xué)前沿（ + ），構(gòu)建完整的復(fù)雜系統(tǒng)思維框架

從最基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)語(yǔ)言，到統(tǒng)計(jì)物理的思維方式，再到涌現(xiàn)動(dòng)力學(xué)的核心機(jī)制，最終在系統(tǒng)科學(xué)的高度上完成整合，形成理解復(fù)雜世界的完整框架。

第一階：數(shù)學(xué)筑基——科研人的底層工具箱

工欲善其事，必先利其器。復(fù)雜系統(tǒng)研究的第一步，是掌握正確的數(shù)學(xué)語(yǔ)言。集智學(xué)園精心制作了拓?fù)鋵W(xué)和線性代數(shù)基礎(chǔ)課程。

1、線性代數(shù)：一名合格科研人的筑基課

你真的懂線性代數(shù)嗎？

矩陣不只是數(shù)字的排列，特征值不只是計(jì)算的結(jié)果。在系統(tǒng)科學(xué)的視角下，線性代數(shù)是理解“結(jié)構(gòu)”、刻畫(huà)“變換”、判斷“穩(wěn)定性”、提取“信息”的基本思維框架。

無(wú)論你研究 AI、生物信息、網(wǎng)絡(luò)科學(xué)還是物理工程，幾乎所有復(fù)雜系統(tǒng)的建模與推理都指向這種底層語(yǔ)言。

由諸葛昌靖、周進(jìn)兩位老師主講的《線性代數(shù)》課程以系統(tǒng)科學(xué)的視角重新解構(gòu)線性代數(shù)，帶你越過(guò)技巧、直達(dá)本質(zhì)，在跨學(xué)科的真實(shí)問(wèn)題中建立起科研必備的數(shù)學(xué)基石。

課程目標(biāo)：

1. 從向量空間到內(nèi)積空間，建立完整的幾何直覺(jué)

2. 理解秩、零空間、特征方向的系統(tǒng)科學(xué)意義

3. 掌握矩陣分解背后的降維與結(jié)構(gòu)提取思想

4. 連接真實(shí)科研場(chǎng)景：透視復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的核心

課程大綱（8講+2次加餐）：

1. 游戲角色如何平滑變形？——線性映射與向量空間如何保持結(jié)構(gòu)不變性

2. 人耳如何分離不同音調(diào)？——內(nèi)積與正交分解如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)解耦

3. Transformer如何計(jì)算注意力？——矩陣乘法如何編碼信息關(guān)聯(lián)與變換

4. 大模型為何能壓縮參數(shù)？——信息重構(gòu)、信息冗余及其有效維度

5. 系統(tǒng)長(zhǎng)期行為由什么決定？——特征值如何刻畫(huà)穩(wěn)定性與主導(dǎo)模式

加餐：透視復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的核心——特征值與特征向量初探(上)

1. AI繪畫(huà)如何表示“戴帽子的貓”？——奇異值分解（SVD）如何構(gòu)建語(yǔ)義潛在空間

加餐：透視復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的核心——特征值與特征向量初探(下)

1. 大模型能“推理”嗎？——形式邏輯如何界定數(shù)學(xué)證明與統(tǒng)計(jì)模仿的邊界

2. 線性代數(shù)如何成為通用建模語(yǔ)言？——跨學(xué)科應(yīng)用案例

課程詳情：

2、拓?fù)鋵W(xué)的思維革命：從空間直覺(jué)到系統(tǒng)科學(xué)

• 為什么咖啡杯在數(shù)學(xué)上等于甜甜圈？

• 為什么混沌系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)“奇怪吸引子”的模式？

• 為什么神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、量子物理甚至心理結(jié)構(gòu)，都可以從拓?fù)浣嵌壤斫猓?/p>

與幾何學(xué)追求“測(cè)量”不同，拓?fù)鋵W(xué)探索的是形之骨架。在拓?fù)湟暯窍拢Х缺c甜甜圈屬于同一種結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兌加幸粋€(gè)“洞”。拓?fù)鋵W(xué)的研究對(duì)象可以是平面與曲線，也可以是高維流形、網(wǎng)絡(luò)、乃至狀態(tài)空間（“可能性空間”）。系統(tǒng)的整體性質(zhì)和相互關(guān)系通過(guò)連續(xù)映射與結(jié)構(gòu)連接來(lái)刻畫(huà)。拓?fù)鋵W(xué)不僅是數(shù)學(xué)的抽象分支，更是一種系統(tǒng)的思維方式，用于理解連續(xù)性、結(jié)構(gòu)不變性和復(fù)雜系統(tǒng)的整體規(guī)律。從歐拉七橋問(wèn)題到DNA的纏繞，從量子場(chǎng)論到腦科學(xué)中的概念，拓?fù)鋵W(xué)思想正在各學(xué)科中深刻地重塑我們的認(rèn)知方式。

由金威老師主講的《拓?fù)鋵W(xué)的思維革命》課程以問(wèn)題為導(dǎo)向、歷史為線索、思想為核心，帶領(lǐng)學(xué)習(xí)者循著數(shù)學(xué)思想的發(fā)展脈絡(luò)，理解拓?fù)鋵W(xué)如何從幾何與分析的邊界中誕生，并演化為刻畫(huà)“關(guān)系與整體”的普適語(yǔ)言。

課程目標(biāo)：

1. 揭示拓?fù)涓拍钚纬杀澈蟮乃枷雱?dòng)力與邏輯轉(zhuǎn)折

2. 超越傳統(tǒng)數(shù)學(xué)課程，不僅傳授知識(shí)，更是一場(chǎng)思維訓(xùn)練

3. 聚焦核心概念，深入理解“關(guān)系”“結(jié)構(gòu)”“不變”的本質(zhì)

課程大綱（9講+1次加餐）：

1. 七橋一筆參形數(shù)，歐拉示性開(kāi)新章——拓?fù)鋵W(xué)的誕生

加餐：諸賢辟鴻蒙，新學(xué)燃火種——拓?fù)鋵W(xué)如何推動(dòng)數(shù)學(xué)史

1. 集諸物降凝為空間，衡度量升以演拓?fù)洹Y(jié)構(gòu)思維與拓?fù)淇臻g的概念

2. 形變?nèi)f端守樞機(jī)，異體同構(gòu)共天倪——映射與同胚，拓?fù)渑c范疇

3. 地脈豁然一貫通，隨心煉石籠天穹——連通性與緊致性

4. 觀徑變以探廣宇，析域類而彰群倫——同倫與同調(diào)簡(jiǎn)介（一）

5. 勘玄府而竅辨，布算譜則群列——同倫與同調(diào)簡(jiǎn)介（二）

6. 審其陰陽(yáng)，以別柔剛——同調(diào)與上同調(diào)、曲率與整體性

7. 見(jiàn)大象之形，致無(wú)窮之用——拓?fù)渌枷朐诶碚撆c現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用

8. 形器有涯，玄理無(wú)疆——總結(jié)與拓展：從幾何直觀到系統(tǒng)思維

課程詳情：

第二階：

物理深化——理解系統(tǒng)涌現(xiàn)的深層機(jī)制

從微觀到宏觀，涌現(xiàn)如何發(fā)生？有了數(shù)學(xué)工具，下一步是理解物理世界的運(yùn)作規(guī)律。統(tǒng)計(jì)物理、涌現(xiàn)動(dòng)力學(xué)與重整化群方法，正是連接微觀與宏觀、個(gè)體與整體、局部與全局的理論橋梁。

3、統(tǒng)計(jì)物理基礎(chǔ)：從微觀隨機(jī)到宏觀確定

大量微觀粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，如何涌現(xiàn)出穩(wěn)定的宏觀定律？

這是統(tǒng)計(jì)物理的核心問(wèn)題，也是理解復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)鍵。從氣體分子到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從相變到臨界現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)物理在此不只是解釋熱現(xiàn)象的一門(mén)理論，而是一種在高維復(fù)雜世界中組織信息、發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、提煉規(guī)律的方式。

由李永樂(lè)老師主講的《統(tǒng)計(jì)物理基礎(chǔ)》課程，以熱力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)為起點(diǎn)，依次展開(kāi) Boltzmann 統(tǒng)計(jì)、系綜理論、量子統(tǒng)計(jì)、相變與非平衡統(tǒng)計(jì)等核心內(nèi)容，圍繞一個(gè)核心問(wèn)題展開(kāi)：大量微觀粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)如何涌現(xiàn)出穩(wěn)定的宏觀定律？

課程目標(biāo)：

1. 從微觀隨機(jī)到宏觀確定的思維訓(xùn)練

2. 從平衡與非平衡、從經(jīng)典到量子

3. 掌握處理多粒子系統(tǒng)和復(fù)雜隨機(jī)過(guò)程的通用工具

課程大綱（8講）：

1. 宏觀熱力學(xué)量之間的關(guān)系？——熱力學(xué)量、熱力學(xué)基本定律、麥克斯韋關(guān)系、特性函數(shù)

2. 熵究竟“數(shù)”的是什么？——熱力學(xué)的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)

3. 多體系統(tǒng)的狀態(tài)如何描述？——相空間與系綜理論基礎(chǔ)

4. 如何描述恒溫系統(tǒng)？——正則系綜與配分函數(shù)（2次課程）

5. 粒子數(shù)不再固定，會(huì)發(fā)生什么？——巨正則系綜與開(kāi)放體系

6. 對(duì)于量子系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)規(guī)則如何改變？——量子統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)與簡(jiǎn)單氣體

7. 相變與非平衡現(xiàn)象如何描述？——相變與非平衡統(tǒng)計(jì)初步

課程詳情：

4、復(fù)雜系統(tǒng)的涌現(xiàn)動(dòng)力學(xué)

• 什么是復(fù)雜系統(tǒng)？什么是涌現(xiàn)？

• 復(fù)雜系統(tǒng)涌現(xiàn)行為的機(jī)理是什么？

• 什么是序參量？怎樣尋求復(fù)雜系統(tǒng)的序參量？

• 如何建立復(fù)雜系統(tǒng)的序參量動(dòng)力學(xué)描述？

從鳥(niǎo)群的集體飛行到神經(jīng)元的同步放電，從心跳的節(jié)律到人工智能的涌現(xiàn)能力，復(fù)雜系統(tǒng)的集體行為背后隱藏著深刻的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。

由鄭志剛老師主講的《復(fù)雜系統(tǒng)的涌現(xiàn)動(dòng)力學(xué)》系列課程，從涌現(xiàn)的基本物理和數(shù)學(xué)原理出發(fā)，構(gòu)建涌現(xiàn)動(dòng)力學(xué)的基本理論框架，并將其應(yīng)用于節(jié)律行為、同步、集群、時(shí)空斑圖、智能與人工智能等熱點(diǎn)問(wèn)題。

課程目標(biāo)：

1. 微觀相互作用如何涌現(xiàn)宏觀集體行為

2. 序參量理論：用更少變量描述復(fù)雜系統(tǒng)

3. 從基本原理到同步、集群、智能等前沿應(yīng)用

課程大綱（8講+回顧）：

1. 復(fù)雜系統(tǒng)涌現(xiàn)的理論基礎(chǔ)

2. 復(fù)雜系統(tǒng)涌現(xiàn)的序參量理論

3. 時(shí)域的涌現(xiàn)：節(jié)律與集體振蕩

4. 時(shí)域的涌現(xiàn)：同步（一）

5. 時(shí)域的涌現(xiàn)：同步（二）

6. 空域的涌現(xiàn)：集群

7. 時(shí)空的涌現(xiàn)：非線性波與斑圖

8. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)

復(fù)雜系統(tǒng)的涌現(xiàn)動(dòng)力學(xué)系列課程回顧與展望

課程詳情：

5、重整化群分析在非線性物理中的應(yīng)用

面對(duì)高維、非線性、非平衡的復(fù)雜系統(tǒng)，如何找到有效的分析方法？

重整化群方法始于場(chǎng)論，在凝聚態(tài)相變中發(fā)展，經(jīng) Widom、Kadanoff 和 Wilson 等人拓展，成為聯(lián)系不同尺度物理規(guī)律的有力工具。在復(fù)雜系統(tǒng)研究中，它可以幫助我們進(jìn)行狀態(tài)粗粒化并導(dǎo)出粗粒化后的方程，也可以用來(lái)解析或數(shù)值計(jì)算非線性動(dòng)力系統(tǒng)中的重要軌道。

由蘭岳恒老師主講的《重整化群分析在非線性物理中的應(yīng)用》課程系統(tǒng)講述重整化群這一理論框架，怎樣用來(lái)分析高維非線性系統(tǒng)的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)方程的求解與約化。

課程目標(biāo)：

1. 從復(fù)雜系統(tǒng)建模出發(fā)，講述對(duì)稱性、不變性與變換群的關(guān)系

2. 重整化群在非線性動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用：約化方程、搜尋重要軌道

3. 連接 Koopman 算符本征函數(shù)等現(xiàn)代方法

4. 聯(lián)接動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法的橋梁和有力工具

課程大綱（6講）：

1. 復(fù)雜系統(tǒng)及其建模

2. 對(duì)稱性、不變結(jié)構(gòu)與變換群

3. 重整化初步

4. 非線性動(dòng)力學(xué)的重整化群分析

5. 重整化群確定非線性體系的重要軌道

6. 重整化群分析的更多應(yīng)用

課程詳情：

第三階：系統(tǒng)整合——構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)思維框架

有了數(shù)學(xué)工具和物理深化，我們終于可以站在系統(tǒng)科學(xué)的高度，將所有知識(shí)整合為一個(gè)完整的思維框架——從微觀機(jī)制到宏觀結(jié)構(gòu)，從理論分析到實(shí)際應(yīng)用，從生命系統(tǒng)到人工智能。

6+7、系統(tǒng)科學(xué)前沿（第一期+第二期）

當(dāng) AI 遇到瓶頸，當(dāng)智能涌現(xiàn)成為謎題，當(dāng)復(fù)雜系統(tǒng)的規(guī)律難以捉摸，我們需要回到更基礎(chǔ)的問(wèn)題：

• 系統(tǒng)科學(xué)的核心思想是什么？

• 如何用系統(tǒng)的視角理解統(tǒng)計(jì)物理、生命智能、社會(huì)行為？

• 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、人工智能與系統(tǒng)科學(xué)有什么深層聯(lián)系？

• 如何將系統(tǒng)科學(xué)應(yīng)用于數(shù)字化轉(zhuǎn)型等產(chǎn)業(yè)實(shí)踐？

北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院與集智學(xué)園聯(lián)合推出《系統(tǒng)科學(xué)前沿》兩期系列課程，第一期以系統(tǒng)科學(xué)的理論基礎(chǔ)與核心方法論為重點(diǎn)，第二期以前沿探索與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的深度拓展為重點(diǎn)。這個(gè)系列課程是本年度的爆款課程，有超過(guò)600人加入，歡迎更多朋友加入，共同走進(jìn)系統(tǒng)科學(xué)。

第一期課程大綱（10講）：

1. 無(wú)盡的前沿——系統(tǒng)科學(xué)簡(jiǎn)介

2. 統(tǒng)計(jì)物理與地球復(fù)雜系統(tǒng)

3. 群體行為與多主體建模

4. 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論及其應(yīng)用

5. 自組織理論

6. 復(fù)雜系統(tǒng)與人工智能

7. 大腦復(fù)雜性中的前沿專題

8. 生命復(fù)雜性

9. 社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)復(fù)雜性探索

10. 科學(xué)學(xué)與復(fù)雜系統(tǒng)研究

課程詳情：

第二期課程大綱（10講）：

1. 復(fù)雜系統(tǒng)相變與臨界現(xiàn)象

2. 用系統(tǒng)思維降解數(shù)字化項(xiàng)目集群的復(fù)雜性難題

3. 信息和復(fù)雜度對(duì)生命系統(tǒng)的約束

4. 探索腦與智能的復(fù)雜性

5. 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)視角下的腦結(jié)構(gòu)與功能

6. 探索科學(xué)文獻(xiàn)空間的復(fù)雜性

7. 多主體建模 vs 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

8. 復(fù)雜性理論破解材料之謎

9. 揭示復(fù)雜國(guó)際貿(mào)易演變背后的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

10. 大腦學(xué)習(xí)記憶之中的復(fù)雜性

課程詳情：

2026 年，繼續(xù)前行

從數(shù)學(xué)到物理，從筑基到涌現(xiàn)，從理論到實(shí)踐。

2025 年，我們用數(shù)學(xué)與物理的語(yǔ)言，構(gòu)建起理解復(fù)雜系統(tǒng)的框架。

2026 年，這場(chǎng)從基礎(chǔ)到前沿的系統(tǒng)科學(xué)探索，邀請(qǐng)你一起繼續(xù)前行。集智學(xué)園將繼續(xù)深耕系統(tǒng)科學(xué)與復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域，推出更多高質(zhì)量課程，舉辦更多學(xué)術(shù)活動(dòng)，連接更多學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)資源。

如果你也相信：

• 復(fù)雜系統(tǒng)的涌現(xiàn)規(guī)律可以被理解和預(yù)測(cè)

• 數(shù)學(xué)和物理是理解復(fù)雜世界的基本語(yǔ)言

• 系統(tǒng)科學(xué)的思維方式能帶來(lái)真正的創(chuàng)新

• 從微觀到宏觀、從局部到整體的系統(tǒng)視角至關(guān)重要

• 跨學(xué)科的知識(shí)整合是未來(lái)科研的必然趨勢(shì)

那么，歡迎加入我們。

筑基·涌現(xiàn)——我們?cè)诩菍W(xué)園等你。