Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Komplexní systémy, myšlení o systémech Radek Pelánek Komplexní systémy Myšlení Shrnutí O přednášce obecná motivace k probíraným tématům neexaktní, motivační Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Typy systémů Komplexní systémy není žádná formální definice není žádné přesné vymezení plynulý přechod závislost na úhlu pohledu, na míře abstrakce představení přes příklady, výčet charakteristik Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Typy systémů Komunikační cvičení s obrázky dvojice jeden vidí obrázek druhý obrázek nevidí a má ho nakreslit cíl: nakreslit obrázek, který vypadá podobně (působí podobným dojmem) – není nutno, aby byl zcela stejný minimální komunikace Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Typy systémů Obrázek 1 Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Typy systémů Obrázek 2 Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Typy systémů Obrázek 3 Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Typy systémů Složitost Cvičení ilustruje jeden z pohledů na to, co je to „složitost systému: Složitost systému = délka popisu vzorů (pravidelností) v systému. Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Typy systémů Typy systémů Neorganizovaná složitost (agregáty) Organizovaná složitost (komplexní systémy) Organizovaná jednoduchost (stroje) počet částí náhodnost Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Typy systémů Typy systémů – metody řešení typ systému metoda organizovaná jednoduchost analytické metody neorganizovaná složitost statistika organizovaná složitost simulace Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Typy systémů Komplexní systém: definice A system that can be analyzed into many components having relatively many relations among them, so that the behavior of each component depends on the behavior of others. (Herbert Simon) A system that involves numerous interacting agents whose aggregate behaviors are to be understood. Such aggregate activity is nonlinear, hence it cannot simply be derived from summation of individual components behavior. (Jerome Singer) A complex system is a highly structured system, which shows structure with variations. (Goldenfeld and Kadanoff) A complex system is one that by design or function or both is difficult to understand and verify. (Weng, Bhalla Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Typy systémů Komplexní systém: další definice A complex system is one whose evolution is very sensitive to initial conditions or to small perturbations, one in which the number of independent interacting components is large, or one in which there are multiple pathways by which the system can evolve. (Whitesides and Ismagilov) A complex system is one in which there are multiple interactions between many different components. (D. Rind) Complex systems are systems in process that constantly evolve and unfold over time. (W. Brian Arthur) ... komplexní systém je také populární výraz pro ledasco. Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Typy systémů K problematice definicí... Jak můžeme studovat něco, co nemáme ani pořádně definováno? Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Typy systémů K problematice definicí... Jak můžeme studovat něco, co nemáme ani pořádně definováno? A co biologie a život? Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Typy systémů K problematice definicí... Jak můžeme studovat něco, co nemáme ani pořádně definováno? A co biologie a život? Život je cokoliv, co umře, když do toho pořádně praštíte. (D. Berry) Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Typy systémů K problematice definicí... Jak můžeme studovat něco, co nemáme ani pořádně definováno? A co biologie a život? Život je cokoliv, co umře, když do toho pořádně praštíte. (D. Berry) Komplexní systém je cokoliv, čemu pořádně nerozumíme. (R. Pelánek) obecně v tomto kurzu: nebudeme příliš probírat definice, daleko více příklady, charakteristiky, ... Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Charakteristiky komplexních systémů Příklady komplexních systémů ekosystémy trhy podnebí organizace mraveniště buňka město imunitní systém Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Charakteristiky komplexních systémů Příklady nekomplexních systémů židle páka, kladka balónek motor ... většina strojů Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Charakteristiky komplexních systémů http://necsi.edu/projects/mclemens/viscss.html Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Charakteristiky komplexních systémů Dynamické neustále v pohybu rovnováha – spíše krátkodobá, aktuální vyváženost dynamických dějů srovnej: statická rovnováha: páka, dům dynamická rovnováha: mraveniště, město Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Charakteristiky komplexních systémů Těsně svázané „Všechno souvisí se vším. srovnej: neurony v mozku: tisíce spojení logické obvody v počítači: řádově desítky vstupů/výstupů Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Charakteristiky komplexních systémů Ovládané zpětnou vazbou neexistuje rozdělení na příčiny a následky změny ovlivňují samy sebe srovnej: řízení mraveniště, vývoj druhů (ko)evolucí řízení robota, návrh strojů Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Charakteristiky komplexních systémů Nelineární „Potká-li sob soba, mají radost oba. Potkají-li se tři sobi, tak se radost násobí. efekt zásahů do systému neúměrný velikosti zásahů malé zásahy – výrazný efekt (vzdálený prostorově či časově) srovnej: předpovídání polohy planety předpovídání počasí Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Charakteristiky komplexních systémů Sebe-organizující se zpětné vazby jsou schopny vytvářet řád vycházející z malých, náhodných impulzů řád vzniklý „zespodu , bez centrálního vedení srovnej: řízení mraveniště, vznik vzorů v přírodě (např. mušle) hierarchické řízení organizace, návrh oblečení Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Charakteristiky komplexních systémů Adaptabilní jednotlivé komponenty/agenti se mění, učí se, vyvíjí se, nahrazují se evolučními procesy, . . . systémy jako celek se vyvíjí srovnej: živý organismus stroj Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Historie Historické poznámky tradičně: věda – jednoduché systémy, redukcionistický přístup filosofie, humanitní obory – složité systémy do pol. 20. stol.: vědecké nástroje nepoužitelné pro studium komplexních systémů pol. 20 stol.: první metody (buněčné automaty, umělá inteligence), ale nepoužitelné prakticky od 90. let: dostatečně silné a rozšířené počítače ⇒ použitelnost metod, rozvoj studia komplexních systémů Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Historie Pohled z 30. let (Bertrand Russel) ... jak v oblasti těch největších, tak i nejmenších rozměrů, všude se nám zdá, že věda dosahuje svých hranic. [...] Zákony změn lze patrně shrnout do velmi malého počtu obecně platných principů, podle nichž je možno určovat minulost i budoucnost světa, je-li znám kterýkoli sebekratší okamžik jeho dějin. Vědy zabývající se studiem neživé přírody blíží se tak stadiu dovršení, čímž přestanou být zajímavé. [...] Teoreticky by bylo možno zaznamenat všechny údaje o poloze částic do velké knihy a tu pak uložit spolu s počítacím strojem, který by na pouhé stisknutí knoflíku poskytoval tazateli žádané údaje z libovolného, do záznamu nepojatého časového období. Těžko si představit něco méně zajímavého, něco tak vzdáleného onomu vášnivému zaujetí, jímž jsou neseny dílčí objevy. Je vám, jako kdybyste po namáhavém výstupu na vysokou horu nenašli na vrcholku nic než v mlze ponořenou restauraci, kde vyhrává rádio a pije se zázvorové pivo. Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Historie Proč se (nejen) Russel mýlil? kvantová fyzika, neurčitost nerozhodnutelnost, meze formálních systémů chaos, nelinearita, citlivost k počátečním podmínkám Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Historie Role počítačů Význam počítačů pro studium komplexních systémů: zpracování rozsáhlých dat (např. genom) nové typy data (statistiky z webu, mailu, telefonů, dokumentů) práce s velkými modely, simulace Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Myšlení (nejen o systémech) intuitivní myšlení systémové (holistické) myšlení vs. redukcionistické myšlení induktivní vs. deduktivní myšlení centralizované vs. decentralizované myšlení (budou se opakovaně objevovat v dílčích tématech) Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Intuitivní myšlení Intuitivní uvažování intuitivní uvažování („selský rozum ) vystačí většinou u jednoduchých systémů u komplexních systémů děláme chyby výpočetní modely – mj. pomůcka pro lepší myšlení Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Intuitivní myšlení Lineární uvažování příklad: řasy v rybníce Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Intuitivní myšlení Lineární uvažování příklad: řasy v rybníce tendence extrapolovat (lineárně) trendy experiment s prokládáním bodů „Když nárůst koncentrace CO2 v atmosféře o 25 % způsobil nárůst teploty o 0, 5◦ C a žádné zásadní změny klimatu, tak nárůst o dalších 25 % taky nic moc nezmění. Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Intuitivní myšlení Krátkodobý výhled příklad: kuřáci a tříletý výhled metafora: vařící se žába („Boiling frog ) komplexní systémy: dlouhodobé zlepšení často vyžaduje krátkodobé zhoršení Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Intuitivní myšlení Zjednodušené uvažování o příčinách příklad: X protože Y konsekvence a kauzalita – poté, tedy proto šaman a déšť krize v zemi A ⇒ krize v zemi B korelace a kauzalita zapalovače a rakovina sportovní vybavení a výkon přehlížení zpětných vazeb Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Intuitivní myšlení Experiment s kartami karty: z jedné strany písmeno a z druhé číslo hypotéza: karty se samohláskou mají z druhé strany sudé číslo Které karty je nutno otočit pro ověření platnosti hypotézy? (více informací: „Wason selection task ) Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Intuitivní myšlení Experiment 2-4-6 trojice čísel pravidlo udává, které trojice platné a které ne 2-4-6 je platná trojice můžete se ptát na trojice úkolem je zjistit pravidlo Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Intuitivní myšlení Ovlivnění paradigmatem Struktura vědeckých revolucí – T. Kuhn rozpoznávání karet a nestandardní karty (černá srdcová) optické klamy (The Spinning Dancer) potvrzování místo vyvracení příklad: experiment s kartami, 2-4-6 ovlivnění vstupních informaci příklad: NASA a měření ozónu Darwin a jeho deníček Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Intuitivní myšlení Neintuitivnost komplexních systémů požáry v amerických národních parcích protipovodňové opatření a zvýšené povodně budování silnic vedoucí k více zácpám bezpečná auta vedoucí k nebezpečné jízdě zákaz potratů zařízení šetřící čas vedoucí k nedostatku času DDT Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Intuitivní myšlení Role modelování výpočetní modely: nás nutí přesně formulovat předpoklady ukazují nezkreslené důsledky těchto předpokladů názorně ilustrují neintuitivní chování mohou tak pomoci část chyb intuitivního myšlení překonat Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Styly myšlení Deduktivní a induktivní uvažování deduktivní uvažování předpoklady ⇒ logicky platné závěry snadno formálně uchopitelné neodpovídá lidskému myšlení induktivní uvažování zevšeobecňování, odvozování obecných zákonů z konkrétních příkladů, odhadování vývoje, ... používáno lidmi těžko formálně uchopitelné Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Styly myšlení Centralizované vs. decentralizované myšlení intuitivní ∼ centralizované komplexní systémy ∼ decentralizované centralizované myšlení: negativní zpětná vazba centralizované příčiny význam „uzlů decentralizované myšlení: pozitivní zpětná vazba konstruktivní role náhody význam „vztahů Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Systémové myšlení Systémové myšlení: slogany a metafory celostní pohled na systémy a na studium vztahů mezi jednotlivými částmi Vidět les, nejen stromy. (častěji spíš: Pro stromy les nevidět.) Mysli globálně, jednej lokálně. žába ve vodě slepí pozorovatelé a slon Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Systémové myšlení Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Systémové myšlení Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Systémové myšlení Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Systémové myšlení hloubka šířka úzce zaměřené široce zaměřené mělké detailní mnoho mentální modelů dobré systémové modely probírané modely beznadějná cesta Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Redukcionismus a holismus Redukcionismus a holismus redukcionismus (systém lze poznat na základě studia částí) holismus (systém je víc než součet částí) důraz na studium částí důraz na studium interakcí, souvislostí lineární uvažování nelineární uvažování dedukce indukce příčina → následek zpětné vazby analytické řešení experiment/simulace Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Redukcionismus a holismus Ilustrace: pohled na dějiny „klasický pohled významné osobnosti, jejich činy, výroky lineární vysvětlení událostí „systémový pohled struktura systému zpětné vazby, provázanost viz např. J. Diamond, Guns, Germs, and Steel: The Fates of Human Societies H. Hobhouse, Seeds of Change: Six Plants That Transformed Mankind Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Redukcionismus a holismus Ilustrace: pohled na dobro a zlo „klasický pohled důraz na jednotlivce „bad apples „systémový pohled důraz na pravidla systému „bad barrels , „bad barrel-makers Philip Zimbardo: Stanford prison experiment TED talk How people become monsters ... or heroes kniha The Lucifer Effect: Understanding How Good People Turn Evil Komplexní systémy Myšlení Shrnutí Shrnutí komplexní systémy jsou „složité intuitivní uvažování – chyby modelování a simulace (v tomto kurzu) především jako nástroj pro lepší uvažování o světě