反传统经验主义的研究成果：建模与仿真VV&A系统观

2023-08-15 理论教育版权反馈

【摘要】：库恩主义认为科学知识的增长是通过科学范式更替完成的。它是保护硬核不受反驳的辅助性假说的集合，因此又称“辅助假说保护带”。

1.证伪主义

科学理论一般都表达为全称判断，经验的对象却总是个别的。个别的事例无论重复多少次，也证实不了一个全称判断。对于全称命题“所有的天鹅都是白的”，如果找到一只黑天鹅，那么这个命题就被证伪了。波普尔认为科学不是始于观察，而是始于“问题”；科学不是通过归纳，而是经过演绎推理；科学不是通过证实，而是通过对科学假说的证伪获得增长。实证主义主张通过经验证实来确认真理，通过单纯量的积累来发展真理。波普尔的证伪主义则与之相反，主张通过证伪来确认真理，通过“试错法”不断证伪而接近真理。

科学证伪主义对模型V&V的最大启发，在于模型V&V的试验设计（Designof Experiment），即通过设计一组针对模型特定应用域的问题，应用模型进行解答，以不断改正、消除模型缺陷，达到对模型进行V&V的目的。优秀的试验设计对模型的V&V有积极意义。由此可见，模型V&V的证伪功能强于证实功能。

2.贝叶斯主义

21世纪以来，随着自然科学理论综合深度和抽象概括程度的提高，不少科学家依据相对论和量子力学等现代科学的成就，认为猜测和假设是科学发现的主要方法，归纳被解释为在假设或普遍命题形成之后用经验事实来衡量其可靠程度的方法。虽然观察证据决不可能使一个概括或预测确定，但至少能使其可概，因此知识能在人类经验的极限内得到保障。也就是我们不能说定律和理论是确实无疑的，我们只能说，这些定律和理论显示了一定程度上为真的概率。

卡尔纳普采取贝叶斯主义立场，把合理信念直接描述为概率函数，并把概率看作代表一个陈述和另一个陈述之间的逻辑关系，以期对合理信念做客观、合理的刻划。

贝叶斯定理可以表示为下述公式：

P（h/e）=P（e/h）P（h）/P（e）

式中，P是概率；h是假设；e是证据，即试验结果或材料。该公式指h相对于e的概率等于h相对于e的似然值，即h为真e的概率乘以h的先验概率与e的先验概率之比。用“C（h，e）”表示“假设h相对证据e的确证程度”，则确证度可用下式表示：

C（h，e₁，e₂，…e_n）=r

即陈述证据e₁，e₂，…e_n联合起来的逻辑概率r给予结论h。这样，卡尔纳普根据某人x在t时刻对某一条件概率说给予的价值的期望，定义了信念函项的概念。如，假设陈述H相对证据E的信念函项C_r为：

C_rx，t（H/E）=C_rx，t（E∩H）/C_rx，t（E）

同时，卡尔纳普定义某人x在t时刻所有的知识是A，则其在t时刻对H的可信任函项是Cred（H/A），即信念函项是以可信任函项为基础的：

C_rT（H₁）=Cred（H₁/A₁）

卡尔纳普的贝叶斯主义为科学命题验证提供了新思路和方法，体现了主客观一致的要求。对模型验证而言，借鉴贝叶斯主义的思想，可为所有类型的模型（连续、离散等）验证找到一个普遍适用的方法。即建立考查模型可信度的指标体系和支持指标体系的证据集合，解析证据集与指标集之间的支持概率，最后自下而上进行聚合，便可得到模型可用（可信度）的概率。

3.库恩主义

库恩主义区别于逻辑实证主义和批判理性主义的一大特点是关于科学整体性的观点。范式理论是库恩科学哲学的理论核心，也是把握库恩主义理论的关键。库恩所称的范式，主要指以下两方面：第一，从心理上说，它是科学共同体所共有的信念；第二，从理论和方法上说，它是科学共同体所共有的“模型”或“框架”。

库恩的科学发展范式为：前科学时期→常规科学时期→反常与危机→科学革命→新的常规科学时期……库恩主义认为科学知识的增长是通过科学范式更替完成的。总体来说，范式就是某一科学家（专家）集团在某一专业或学科中所具有的共同信念。这些信念规定了他们共同的基本理论、基本观点和基本方法，为他们提供了共同的理论模型和解决问题的框架，从而形成了该学科的一种共同传统，并为该学科的发展规定了共同的方向。

库恩主义对于模型V&V的启示是专家意见在模型V&V中有着举足轻重的作用。称为“当面验证（Face Validation）”“图灵验证（Turing Validation）”的模型验证技术就是通过专家与建模人员就建模过程中的问题当面互相问答来逐步对模型进行初步验证的，或让专家对模型的输出给出评价意见等。

4.拉卡托斯的科学研究纲领

拉卡托斯在20世纪70年代提出，任何时代的科学理论体系实质上就是一套科学研究纲领，它是由有组织、具有严格内在结构的科学理论系列，以及相互联系的“硬核”“保护带”“启示法”等组成的。

“硬核（Hard Core）”是科学研究纲领的核心部分，包括基本假设和基本原理。硬核是坚韧的和不容反驳的，硬核不同，研究纲领也不同。硬核改变，研究纲领也改变。例如牛顿力学定律和万有引力定律是牛顿理论体系的硬核，地心说是托勒密天体理论系列的硬核。硬核改变，理论体系的大厦也就倒塌了。

“保护带（Protective Belt）”是科学研究纲领的可反驳的外围弹性地带，包括各种辅助性假说和初始条件，有柔韧性。它是保护硬核不受反驳的辅助性假说的集合，因此又称“辅助假说保护带”。当纲领与观察、实验资料矛盾时，就可以调整辅助假说保护带，保护硬核免受经验的反驳，如天王星的摄动现象，便调整了辅助假设。

“启示法（Heuristic）”是形成科学研究纲领的方法论。它提示科学家提出何种类型的假说、如何发现、如何取得进展及如何解决问题的前赡性方法，包括保护硬核的反面启示法和完善发展纲领的正面启示法。

反面启示法是一种方法论上的反面禁止性规定。它本质上是一种禁令，禁止科学家把经验反驳的矛头指向硬核，而要大家竭尽全力发挥聪明才智排除反例，捍卫硬核，即置反常于不顾。

正面启示法，在于积极发展科学研究纲领，解决怎样补充才能使以“硬核”为核心的科学研究纲领具有更多、更有力的说明和预见实在现象的能力的问题。它鼓励科学家通过增加、精简、修改或完善辅助性假说等方法，来发展整个科学研究纲领。

从拉卡托斯的科学研究纲领来看，模型的V&V既有继承性也有连续性，应当放在一定的历史时期来考察。模型V&V的反复（当然指已V&V过的模型，在经过一段较长的时间后，由于科学理论、应用目的等的变化，需要再V&V）体现了科学理论的演化、量变与质变的统一。

反传统经验主义的研究成果：建模与仿真VV&A系统观

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