Tom de GreefHet Tijdperk van ComplexiteitCollege 1

http://www.tue-tm.org/complexity/

Verbindingen

Schema van de ondergrondse infrastructuur van het TU/e terrein toont de noodzakelijke verbindingen tussen gebouwen, onderzoeksfaciliteiten en de buitenwereld.

Verbindingen

• Tussen faculteiten• Tussen disciplines

• Tussen campus en stad• Tussen wetenschap & technologie en maatschappij

• Essentieel voor het functioneren van de universiteit • Essentieel voor het functioneren van een academicus

Academische Vorming

Wie van alles een beetje weet, is een dilettant. Wie van een beetje alles weet is een vakidioot.Academisch gevormd is degene die veel weet over een klein gebied en in staat is om die kennis in een groter geheel te plaatsen

Guenther Rohpol, techniekfilosoof en ingenieur

Academische Vorming

• Kundigheid in een technische discipline• Bekwaamheid in onderzoeken en ontwerpen• Een wetenschappelijke benadering van problemen• Teamwork met mensen uit andere disciplines• Oplossingen die aan technische en maatschappelijke eisen

voldoen• Communicatie over problemen en oplossingen met vakgenoten

en leken

De maatschappij verlangt veel van een academisch opgeleide ingenieur:

De Minor

• Kennismaking met een andere discipline• Leren om disciplines te verbinden en te overschrijden

Academische Vorming vindt plaats gedurende de hele opleiding.

De minor is een belangrijke stap naar verbreding:

Het programma Academische Vorming in de minor (universiteitscolleges + lezingen Studium Generale) is gemaakt om hieraan bij te dragen.

Complexe Systemen

Wat betekent het woord complex?

com (samen) + plectere (vlechten, weven)

Complexe Systemen

Veel voorbeelden in…

Voorbeelden

Voorbeelden I

HersenenVerkeer

Diffusie van technologie Internet

Voorbeelden II

MierenCel

Organisaties

Simon (1981):

A complex system is seen as a hierarchic system, i.e. a system composed by subsystems that in turn have their own subsystems, and so on...

H.A. Simon, The Sciences of the Artificial, MIT Press

Definitie complex systeem?

Mitchell (2009):

A system in which large networks of components with no central controland simple rules of operation give rise to complex collective behavior,sophisticated information processing, and adaptation via learning or evolution.

M. Mitchell, Complexity A Guided Tour, Oxford Press

Definitie complex systeem?

• Geen uniforme definitie: Internet, levende cel, aandelenkoers, turbulentie in vloeistoffen

• Karakteristieke kenmerken complexe systemen Groot aantal componenten Veelvoud van interacties De interacties tussen de componenten zijn sterk niet-lineair Zelforganiserend Informatieverwerkend Adaptief Robuust Fragiel

Kenmerken Complexe Systemen (I)

Groot aantal componenten (actoren)

• Actoren zijn sterk heterogeen

Aandeelhouders (106)De overheid (1)

Banken (30)

Kenmerken Complexe Systemen (II)

Veelvoud van interacties

• Zwakke en sterke interacties• Interacties zijn dynamisch, d.w.z. tijdsafhankelijk• Geen relatie grootte interactie en effect op systeem

door sterke niet-lineariteit (bijv. amplificatie of negatieve feedback)

Financiële Crisis Azië 1997

Thaise Bath

Roepie

Pesos

Kenmerken Complexe Systemen (III)

Interacties zijn sterk niet-lineair

• Extreme gevoeligheid complex systeem t.o.v. begincondities

• Onvoorspelbaarheid

• Bifurcaties

• Terugkoppeling (feedback)

Kenmerken Complexe Systemen (IV)

Zelforganisatie• Interacties tussen de componenten op lokaal niveau zorgen voor het

ontstaan van orde (patroon) op globaal niveau.

• Geen centrale leider!

• Entropie, een maat voor de orde van een systeem, daalt.

• Energie dissipatie (ver buiten thermodynamisch evenwicht)

Convectie cel Mierenspoor

Kenmerken Complexe Systemen (V)

Verwerken informatie

• Zonder informatieverwerking geen zelforganisatie!

• Simpel op microscopisch niveau complex op macroscopisch niveau

Pos

itie

Kenmerken Complexe Systemen (VI)

Adaptief

• Componenten (actoren) kunnen zich aanpassen

• Feedback omgeving

• Evolutie door competitie en coöperatie

• Interacties met andere actoren veranderen

Kenmerken Complexe Systemen (VII)

Robuust Fragiel

• Gelijkblijvende functie onder externe verstoringen

• Interacties componenten veranderen door externe verstoring

• Geoptimaliseerd op algemene externe verstoringen

• Fragiel t.o.v. zeldzame externe verstoringen

-Robuust: Atmosferische drukschommelingen

- Fragiel: Elektronische verstoringen

Kenmerken Complexe Systemen

Veelvoud van interacties

Zelforganiserend

Adaptief

Robuust Fragiel

Groot aantal componenten

Niet-lineair

Simpele regels

Informatieverwerkend

Simpel, Gecompliceerd en Complex

Simpel Gecompliceerd Complex

Oorsprong Complexe Systemen

• Wetenschappers geloofden dat de toekomst compleet voorspelbaar is (demon van Laplace, 1814).

• Door analyze van deelstystemen kan het hele systeem begrepen worden (Descartes: reductionisme).

• Natuurverschijnselen kunnen worden gereduceerd tot eenvoudige oorzaak en gevolg relaties.

Oorsprong Complexe Systemen

• Poincaré, Lorenz: Chaos

• Wiener, Von Neumann, Simon, von Bertalanffy: Cybernetics

Systeem benadering: feedback en informatie staan centraal

Convergentie van Disciplines

BiologyMeteorology

Mathematics

Chemistry

Psychology

SociologyPhysics

Computer Science

EcologyEconomics

Subdisciplines

Biologie

Econophysica

Systeem biologie

EconomieChemie

Synthetische biologie

Systeem chemie

Netwerken

Micro-macro Onvoorspelbaarheid

Drie Thema’s

Netwerken

College 3 : Sociale Netwerken (3 Oktober)

College 4 : Biologische Netwerken (10 en 17 Oktober)

College 7 : Dynamica op Netwerken (12 en 19 December)

Micro-Macro

College 6: Micro-Macro (28 november en 5 december)

Moleculen Mensen

Onvoorspelbaarheid

Deterministisch

College 2: Chaos (19 en 26 september)

College 5: Overlevingslandschappen (14 en 21 november)

Stochastisch

Chaos Overlevingslandschappen

Overzicht en Achtergrondinformatie

7 colleges + 5 begeleide zelfstudies

Begeleide zelfstudies onderdeel tentamen: geen uitwerkingen!

Begeleide zelfstudies en sheets beschikbaar op de website: http://www.tue-tm.org/complexity/

Materiaal in reader en sheets.

Tentamen: 23 Jan – 4 februari

Tentamen in Nederlands

Leerdoelen

AlgemeenBeschrijven van karakteristieke eigenschappen van complexe systemen.

Formuleren van nieuwe wetenschappelijke stromingen en hun relatie m.b.t. het begrip complexiteit.

Micro-MacroInterpretatie van gedrag op macroschaal als gevolg van interacties op microschaal d.m.v. simulatie studies.

NetwerkenFormuleren van belangrijke maten in de theorie van complexe netwerken.

Analyseren van de topologie van netwerken m.b.v. grafentheorie.Samenvatten van verschillende netwerkgenerende algoritmes.

Analyseren van dynamica op netwerken toegepast op verspreiding van epidemieën en adoptie van nieuwe producten.

OnvoorspelbaarheidAnalyseren van deterministische chaos in simpele dynamische systemen.

Begrijpen van stochastische invloeden en padafhankelijkheid op de zelforganisatie van een complex systeem. Begrijpen van adaptieve complexe systemen d.m.v. overlevingslandschappen.

Maandag 12 september: Introductie college, Rutger van Santen en Tom de Greef.

Maandag 19 en 26 september: College en begl. zelfstudie Chaostheorie, Kees Storm. Maandag 3 oktober: College Netwerken I, Chris Snijders.

Maandag 10 en 17 oktober: College en begl. zelfstudie Netwerken II, Tom de Greef.

Maandag 24 oktober VRIJ

Maandag 14 en 21 november: College en begl. zelfstudie Fitness landscapes, Koen Frenken

Maandag  28 november en 5 december: College en begl. zelfstudie Simulatiestudies, Chris Snijders en Kees Storm.

Maandag 12 en 19 december: College en begl. zelfstudie Netwerkdynamica Tom de Greef en Koen Frenken

Data Colleges en BZ

De roep om complexiteit onderzoek

Nature 2009, 460, 685

Science 2009, 323, 892

Nature 2009, 460, 680

Science 2009, 325, 406