由好多互動嘅組件組成埋一齊嘅系統 From Wikipedia, the free encyclopedia
複雜系統(粵拼:fuk1 zaap6 hai6 tung2)顧名思義係指複雜度高嘅系統。一個複雜系統會有好多件組成部份,呢啲組成部份之間有可能會互相影響,而且啲變數彼此之間嘅關係好多時唔成線性,因而搞到分析者難以預測個系統嘅行為[1][2]。
舉例說明,一座城市可以算係一個複雜系統[3]:一座城市由好多件部份組成,包括係市民、馬路等嘅基建以及建築物等好多樣嘢;呢啲組成部份之間會互相影響,例如想像座城市嘅市中心有條大馬路(組成部份 A)因為撞車而俾人封咗,搞到好多市民返工返學有困難(影響組成部份 B),跟住就會影響某啲企業嘅運作(影響組成部份 C),如果咁啱得咁橋,其中一位返唔到工嘅市民係某間大企業嘅重要管理層(啲變數之間嘅關係唔成線性),就可能連帶搞到間企業當日嘅工作受阻,進而影響埋股市嘅波動(結果難預測)。除咗城市之外,地球、生態系統、生物個體、人腦、經濟體同埋進階嘅電腦軟件等嘅好多事物,都俾人話係屬於複雜系統[4]。
因為咁多唔同嘅事物都係複雜系統,有好多唔同領域嘅工作者都發覺自己做嘢嗰陣要應付「個系統複雜得滯,預測唔到佢行為」等嘅問題-包括咗地球科學、生物學、心理學、經濟學同工程學呀噉。於是有啲工作者就開始著手分析複雜系統嘅抽象特性,形成咗一套跨學科嘅研究,會用到電腦模擬等嘅方法解答有關複雜系統嘅問題[5]。
複雜系統嘅概念源自廿世紀後半橛,指某一類嘅系統:响最廣義上嚟講,「系統」呢隻詞定義上係指[6][7]
工程學上對系統嘅分析仲會用到比較數學化嘅表示方法(詳情可以睇吓遞移函數同相空間等嘅概念),最基本上係「將描述系統某件組成部份嘅狀態嘅變數,表示成 input 或者第啲部份嘅狀態嘅函數」[8][9],即係類似噉:
複雜系統定義就係指「複雜度[註 1]高嘅系統」:想像一個簡單嘅系統,
呢個系統好簡單,分析者可以輕易噉做到「攞家吓個 input 值,計出個系統跟住會變成咩狀態(計出啲 值)」;但隨住個系統嘅部份數量上升, 嘅數量跟住上升,而就算每件部份得一個 變數,增加 嘅數量都梗會令關係嘅數量()上升,如果啲 仲要唔係線性,往往就會搞到分析者難以預測個系統嘅行為。想像家陣想分析嘅系統係香港呢座城市:喺 2020 年代,香港人口超過 7,000,000,所以淨係考慮啲人、而且假設每個人都簡單到可以用一個數值表示嗮佢嘅狀態(一個明顯簡化得滯嘅假設),個系統已經有成超過 7,000,000 個 咁多-而且仲未計人以外嗰啲組成部份(汽車、基建、建築物等好多嘢)嘅 ; 嘅數量就實會更加多,再加上有最少一部份嘅 唔係線性,噉分析者攞住個 input 值,要「計出座城市嘅各狀態會點變(計拃 嘅值)」會係一樣撈絞得好交關嘅工作[3]。
除咗城市之外,複雜系統嘅例子仲有:
响廿世紀尾,有多個唔同領域嘅工作者-包括係地球科學、生物學、生態學、神經科學、心理學同經濟學等嘅社會科學、同埋工程學等-都發覺自己成日要面對「手上分析緊嗰個系統複雜得滯,預測唔到佢嘅行為」噉嘅情況。於是就有人提出咗「複雜系統」嘅概念,並且著手研究複雜系統嘅抽象特性,目的係想解答「有冇方法可以更準確噉預測複雜系統嘅行為?」等嘅問題[2]。
複雜系統有以下呢啲重要特徵:
複雜系統往往會非線性[歐 3]:响最簡單嘅系統入面,啲變數之間會成線性關係,意思即係話變數之間嘅關係如果畫做圖,可以用直線表示;而用數學方程式表達嘅話,就會出好似以下噉嘅式[14]
當中 同 係研究緊嘅變數,而 同 係描述系統特性嘅數值;不過現實世界嘅系統好少可會係線性噉簡單[15],
齋係非線性呢點,就已經搞到複雜系統嘅行為難預測好多。假想一個簡單系統,得兩個變數 同 , 同 成好似 條式噉嘅線性關係,噉分析者就可以知, 嘅值每上升一個單位, 嘅值就會跟住上升 咁多;相比之下,如果兩個變數之間嘅關係唔成線性,噉 嘅值每上升一個單位可以引致最少四個可能結果-
非線性可以一定程度上用統計學方法應付:喺社會科學當中,研究者好興整線性迴歸模型[歐 4];即係話研究者心知研究緊嗰啲變數之間嘅關係唔成線性,但「當住佢哋成線性先」嚟做,跟住用數據估計 同 呢啲參數嘅值,靠得出嘅 同 值建立一個統計模型,然後再用個模型嚟做預測-即係例如做分析發覺 同 ,就當係「 每上升 1,噉 嘅值就會跟住上升大約 咁多」,當中分析者預咗實際嘅值唔會真係咁簡單,但事實表明假如佢啲數據有咁上下代表到研究緊嗰種現象,佢個模型會做到大致準確嘅預測[17]-例如實際數據裏面,實際嘅 值上升幅度會係[18]
-大部份時間都唔會偏離預測值太遠。
複雜系統可以用網絡[歐 5]嘅方式想像:抽象化噉講,網絡係圖論上嘅一種圖;一片網絡有若干粒頂點,每粒頂點都表示個系統嘅一個組成部份,啲頂點之間有線連住,而啲線表示節點之間嘅關係[19]。舉具體啲嘅例子嘅話:
複雜系統用網絡嘅方法想像嘅話,片網絡會有數量龐大嘅節點,而且節點之間嘅關係嘅數量會更加大-假如一個系統唔對「邊啲節點之間准有關係」作出咩限制,噉設 做節點嘅數量,可能嘅關係數量 可以用以下噉嘅式計[24]:
-如果 ,,如果 ,,如果 ,... 隨住 嘅值上升, 嘅值會升得好勁(睇埋組合爆發嘅概念)。响現實世界嘅複雜系統裏面, 嘅值閒閒哋會係幾千至幾萬, 嘅值話咁快就會變成天文數字,而且上述嘅分析仲未考慮「節點之間嘅關係有分好多唔同種」[25]以及「每粒節點本身可以係個複雜系統(人類個體或者電腦都可以好複雜)」等嘅問題[26][27]-因為噉,分析者望到自己想分析嗰個網絡嗰陣,冇可能一眼睇得出個網絡而家嘅狀態係點,更加唔好話預測到個網絡跟住落嚟有乜變化。
創發[歐 6]係複雜系統成日有嘅一樣特徵,指一樣事物具有佢啲組成部份冇嘅特性,而且呢啲特性源自組成部份之間嘅互動;創發嘅現象表示,齋靠理解樣事物嘅組成部份,唔能夠做到完全預測樣事物嘅行為。舉幾個具體例子[28][29]:
創發嘅現象令「預測複雜系統嘅行為」呢家嘢變得更加撈絞:例如化學同生物學之間嘅邊界噉,化學係研究物質嘅科學,生物學係研究生命嘅科學;已知有生命嘅嘢冚唪唥都係由物質組成,但基於創發呢點,一件有生命嘅嘢可以具有組成佢嗰啲粒子冇嘅特性;事實係,已知生物同生物群體有「曉進化」等嘅特性,而呢啲特性係粒子冇嘅,所以就算一個人有完美化學知識,知嗮所有物質嘅所有特性,佢都唔會能夠齋靠佢嘅化學知識預測到嗮生物嘅特性,於是生物學呢門領域就有必要存在-而噉亦表示,創發嘅存在令到預測複雜系統嘅變化嗰陣需要更大量嘅知識[33][34]。
「 | 」 |
複雜系統好多時仲會具有適應[歐 9]嘅能力。複雜系統往往有能力透過經驗改變自己:一個複雜系統有一大拃組成部份,當中是但一對組成部份之間嘅關係出現變化,都可以令個系統嘅整體行為唔同咗;而且好多時啲組成部份又有返咁上下複雜,每件都曉或多或少噉改變自己或者做決策(細胞同人都係噉)嚟適應環境;如此者,個系統整體就有能力隨時間(當中時間係個連續變數)改變自己嘅行為。舉幾個例說明[36][37]:
呀噉。適應呢樣特性亦都進一步增加「預測複雜系統嘅變化」嘅難度-適應特性表示,一個複雜系統唔淨只係啲變數(想像 入面嘅 同 )可以隨時間變化,連啲參數(想像 入面嘅 同 )都可以隨時間變化。
响廿一世紀初,電腦模擬[歐 10]係應對複雜系統嘅一種常用技術[40]。如果抽象化噉想像成數學模型(用數學方程式表示啲變數之間嘅關係)嘅話,複雜系統特徵係變數多,而且表示佢哋啲關係嘅式唔成簡單嘅線性(睇返上面)。而家想像一個得 3 個變數 嘅簡單系統,研究者淨係需要計[41]
time 1: x1, x2, x3
time 2: x1, x2, x3
time 3: x1, x2, x3
... 如此類推,當中 time n
係指「第 n 點時間」,就做到可以大致想像個系統「跟住會點變化」;但想像如果變數嘅數量係(例如)10,000,條數就撈絞到冇可能齋靠人手計。噉講即係,人之所以難以預測複雜系統嘅行為,其中一個主因係佢哋冇能力計嗮個系統咁多變數嘅值會點隨時間變化[註 2]。噉原則上,如果有某啲技術能夠做到以極快速度計大量嘅數,就有可能達致預測到複雜系統嘅行為-電腦正正就係能夠高速計好多數嘅機械[41][42]。
例如洛卡-伏塔拉模型[歐 11]係一個出名嘅生物學電腦模擬模型,初頭呢個模型係俾人攞嚟模擬獵食者同獵物响生態系統當中嘅互動,打後呢個模型仲有俾人攞嚟模擬第啲生命現象。呢個模型涉及咗以下呢兩條非線性微分方程[43]:
當中
如果將上述模型寫成程式嚟行,教電腦計好嗮 同 喺每個時間點嘅值,再教佢將啲值畫好做圖(打橫嗰條軸係時間[註 3]),會出好似以下呢兩條噉嘅線—藍線係獵食者,紅線係獵物:
混沌[歐 12]係分析複雜系統嗰陣成日撞到嘅一種問題:系統梗會有某啲 input,而系統跟住落嚟嘅狀態會取決於 input 同系統打前嘅狀態;想像兩個經濟體 A 同 B,喺開始嗰陣()兩個經濟體狀態完全一樣咁滯,不過响一開始嗰時 A 嘅人口大過 B 少少(例如 A 人口係 100,002 而 B 人口係 100,000);直覺上會覺得,A 同 B 跟住落嚟嘅變化會係完全一樣咁滯,但實際嘅研究發現並唔係噉-研究表明,兩個經濟體有可能會隨時間變到完全唔一樣,例如 A 變成世界最大經濟體,同時 B 進入經濟衰退,最後 A 嘅 GDP 係 B 嘅 10 倍;混沌指嘅就係噉嘅現象-個系統嘅初始狀態唔同咗少少,跟住落嚟嘅變化規律都會唔同嗮,彷彿好似個系統係完全「混沌、無章可循」噉嘅樣[44][45]。
用個數學化啲嘅例子:下圖係混沌理論當中嘅洛倫茲系統[歐 13]嘅電腦模擬結果:成個系統有幾個變數同參數,包括 ,幅圖打戙嗰條軸做 ,打橫嗰條軸做時間,設 做「 嘅初始數值」,唔同色嘅線表示喺唔同 之下 隨時間變化嘅規律。由幅圖睇得出, 係噉咦變咗少少,就會令最後嘅 變化規律唔同嗮(嗰幾條唔同色嘅線大約去到 嗰陣分開)。
好似上述噉嘅例子展示咗臨界過渡[歐 14]嘅概念:臨界過渡係指
即係例如 input 由 1 變成 1.001(一個認為係好細嘅變化),個系統嘅變數 嘅數值就變咗 1,000,000 倍咁多。臨界過渡等嘅現象引起好多工作者嘅關注,例如醫療上嘅工作噉-已知人體係個複雜系統,由數量龐大嘅細胞同第啲嘢組成,假想家陣藥劑師研究緊一隻藥 X,想決定要俾幾多嘅 X(input)俾病人食,問題係如果人體對 X 呢隻藥有臨界過渡現象,就可能會出現「病人食 100 g 會好返,但食 100.001 g 就會死」(input 係噉咦變咗少少,狀態就唔同嗮)噉嘅情況,於是醫護人員決定啲藥嘅劑量嗰陣就要極之小心[46][47]。
混沌理論[歐 15]係一套應用數學理論,正正係旨在想分析混沌呢家嘢嘅數學特性,從而理解混沌嘅本質,同埋睇吓有冇方法幫手預測混沌系統嘅行為[48]。
呀噉。
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