Tom de Greef Het Tijdperk van Complexiteit College 1

1. Tom de Greef Het Tijdperk van Complexiteit College 1 http://www.tue-tm.org/complexity/

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

3. 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

4. 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 eengrotergeheelteplaatsen GuentherRohpol, techniekfilosoof en ingenieur

5. 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

6. De Minor 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. • Kennismaking met een andere discipline • Leren om disciplines te verbinden en te overschrijden

7. Complexe Systemen Wat betekent het woord complex? com (samen) + plectere (vlechten, weven)

8. Complexe Systemen Veelvoorbeelden in…

9. Voorbeelden

10. Voorbeelden I Verkeer Hersenen Diffusie van technologie Internet

11. Voorbeelden II Organisaties Mieren Cel

12. 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

13. 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

14. Kenmerken Complexe Systemen (I) Groot aantal componenten (actoren) • Actoren zijn sterk heterogeen De overheid (1) Aandeelhouders (106) Banken (30)

15. 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

16. Kenmerken Complexe Systemen (III) Interactieszijnsterkniet-lineair • Extreme gevoeligheid complex systeem t.o.v. begincondities • Onvoorspelbaarheid • Bifurcaties • Terugkoppeling (feedback)

17. 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

18. Kenmerken Complexe Systemen (V) Verwerken informatie • Zonder informatieverwerking geen zelforganisatie! • Simpel op microscopisch niveau  complex op macroscopisch niveau Positie

19. Kenmerken Complexe Systemen (VI) Adaptief • Componenten (actoren) kunnen zich aanpassen • Feedback omgeving • Evolutie door competitie en coöperatie • Interacties met andere actoren veranderen

20. 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

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

22. Simpel, Gecompliceerd en Complex Simpel Gecompliceerd Complex

23. 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.

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

25. Convergentie van Disciplines Chemistry Computer Science Biology Mathematics Psychology Sociology Physics Economics Meteorology Ecology

26. Subdisciplines Chemie Economie Biologie Systeem chemie Econophysica Systeem biologie Synthetische biologie

27. Drie Thema’s Netwerken Micro-macro Onvoorspelbaarheid

28. Netwerken College 3 : Sociale Netwerken (3 Oktober) College 4 : Biologische Netwerken (10 en 17 Oktober) College 7 : Dynamica op Netwerken (12 en 19 December)

29. Micro-Macro College 6: Micro-Macro (28 november en 5 december) Moleculen Mensen

30. Onvoorspelbaarheid College 2: Chaos (19 en 26 september) College 5: Overlevingslandschappen (14 en 21 november) Deterministisch Stochastisch Chaos Overlevingslandschappen

31. 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

32. 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.

33. 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

34. De roep om complexiteit onderzoek Nature2009, 460, 685 Science2009, 323, 892 Science2009, 325, 406 Nature2009, 460, 680