Het Tijdperk van Complexiteit College 1 Tom de Greef Het Tijdperk van Complexiteit College 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 De maatschappij verlangt veel van een academisch opgeleide ingenieur: 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 Minor Academische Vorming vindt plaats gedurende de hele opleiding. De minor is een belangrijke stap naar verbreding: Kennismaking met een andere discipline Leren om disciplines te verbinden en te overschrijden 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 Verkeer Hersenen Diffusie van technologie Internet

Voorbeelden II Organisaties Mieren Cel

Definitie complex systeem? 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 Mitchell (2009): A system in which large networks of components with no central control and 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 De overheid (1) Aandeelhouders (106) 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 Roepie Thaise Bath 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 Positie

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

Informatieverwerkend Kenmerken Complexe Systemen Veelvoud van interacties Groot aantal componenten Informatieverwerkend Simpele regels Zelforganiserend Adaptief Niet-lineair Robuust  Fragiel

Simpel, Gecompliceerd en Complex Simpel Gecompliceerd Complex

Oorsprong Complexe Systemen Apr-17 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. Simplicity on the Other Side of Complexity

Oorsprong Complexe Systemen Poincaré, Lorenz: Chaos Wiener, Von Neumann, Simon, von Bertalanffy: Cybernetics Systeem benadering: feedback en informatie staan centraal

Convergentie van Disciplines Apr-17 Convergentie van Disciplines Chemistry Computer Science Biology Mathematics Psychology Sociology Physics Economics Meteorology Ecology Simplicity on the Other Side of Complexity

Subdisciplines Biologie Chemie Economie Systeem chemie Econophysica Systeem biologie Synthetische biologie

Drie Thema’s Netwerken Micro-macro Onvoorspelbaarheid

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 College 2: Chaos (19 en 26 september) College 5: Overlevingslandschappen (14 en 21 november) Deterministisch 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 Algemeen Beschrijven van karakteristieke eigenschappen van complexe systemen. Formuleren van nieuwe wetenschappelijke stromingen en hun relatie m.b.t. het begrip complexiteit. Micro-Macro Interpretatie van gedrag op macroschaal als gevolg van interacties op microschaal d.m.v. simulatie studies. Netwerken Formuleren 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. Onvoorspelbaarheid Analyseren 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.

Data Colleges en BZ 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

De roep om complexiteit onderzoek Nature 2009, 460, 685 Science 2009, 323, 892 Science 2009, 325, 406 Nature 2009, 460, 680