КОГНИТИВИСТИдейное ядро²Ранние признаки критических переходов
Часть 2
Прологи: наука о сознании становится точной
Ранние признаки критических переходов
Манифест когнитивиста
.
Узелки на распутку
.
Прологи
.
Степенные законы, распределения Парето и закон Зипфа
.
Когнитивный уровень
.
Мерцающие зоны
.
Органическая логика: резюме
Карта органической логики
.
Хвост ящерки. Метафизика метафоры.
.
Опус 1/F
.
Anschauung, научный метод Гёте
.
Закон серийности Пауля Каммерера
.
Ранние признаки критических переходов
Слабые сигналы
.
Меметика
.
Системный анализ и чувствительные точки
.
Спиральная динамика
.
Ранние признаки критических переходов, часть 2
 
2. Увеличение времени восстановления
Авторы начинают с очень важного признака, который заключается в понижении сопротивляемости системы (ее "критическом замедлении"). С приближением к критическому переходу система все медленнее восстанавливается от различных флуктуаций и воздействий (пертурбаций), все медленнее возвращается в точку своего равновесия. Причины этого наглядно можно изобразить на диаграмме состояния:
Вдали от критического перехода (1) гомеостатические силы, которые возвращают систему в состояние равновесия, велики. При пертурбациях состояния системы они быстро возвращают ее к равновесию. С приближением к критическому переходу (2) эти силы становятся меньше, и система восстанавливается к равновесию медленнее. Наконец, в момент критического перехода гомеостатические силы исчезают и система теряет равновесие.
Авторы утверждают, что этот признак может служить ранним сигналом приближения к критическому переходу, что было проверено на разнообразных моделях сложных систем. Далее, они рассматривают возможность практического использования этого признака для прогнозирования реальных сложных систем - например, в виде контролируемых вмешательств, выводящих систему из равновесия. Наблюдение за временем восстановления системы в этом случае может быть показателем близости критического перехода. Естественный недостаток подобного зондирования, конечно, заключается в том, что наши воздействия могут послужить "последней каплей" для системы и вместо того, чтобы прогнозировать критический переход, мы его сами вызовем. Трудно представить, например, использование этого метода для прогнозирования экономических кризисов.
Авторы предлагают другой признак, который лишен недостатков первого, но прямо с ним связан.
3. Рост автокорреляции и вариабельности
Обычно состояние сложной системы никогда точно не соответствует точке равновесия, под действием внешних и внутренних случайных факторов оно претерпевает постоянные флуктуации в ее окрестностях. Допустим, в момент времени t случайная пертурбация отклонила состояние системы от точки равновесия. В этом случае немедленно начинают действовать гомеостатические силы системы, которые стремятся вернуть ее в состояние равновесия. Если они велики, то в следующий момент времени в состоянии системы не останется следа от прошлой пертурбации, она будет компенсирована силами гомеостазиса. Таким образом, в момент времени t+1 состояние системы будет находиться только под действием новых случайных пертурбаций, но не под остаточным действием предыдущих.
Однако, если гомеостатические силы снижаются – а именно это происходит при приближении системы к критическому переходу – случайные пертурбации начинают оставлять "длинный след" в истории состояний системы, поскольку силы и скорости гомеостатических механизмов недостаточно, чтобы возвращать систему в состояние равновесия после каждой случайной пертурбации. Иными словами, состояние системы в момент времени t+1 начинает нести в себе следы ее состояния в момент времени t.
Изобразим динамику состояния системы (которое определяется каким-то характерным параметром) в виде графика во времени:
В системе, далекой от критического перехода, каждое следующее состояние системы является случайной величиной, не зависящей от предыдущего состояния. Процессы, обладающие этим признаком, принято называть "стохастическим процессом без памяти" – каждое следующее состояние "не помнит" ничего о предыдущем. В системе, которая приближается к критическому переходу, каждое новое состояние системы начинает нести в себе следы предыдущего - в процессе возникает "память".
Формально, рост влияния памяти в случайных флуктуациях состояния системы можно заметить по росту коэффициента автокорреляции. Этот коэффициент описывает степень сходства каждого нового значения состояния системы с предыдущим. Если он низок, то каждое новое состояние системы слабо привязано к предыдущему, и наоборот, если он высок, каждое новое состояние похоже на предыдущее, то есть, состояние системы меняется "неохотно", действует "память".
Как утверждают авторы на основе исследования различных моделей сложных систем, задолго до наступления критического состояния коэффициент автокорреляции во флуктуациях состояния системы начинает заметно увеличиваться, и это может служить ценным практическим сигналом.
Конечно, "критическое земедление" системы и рост автокорреляции в ее динамике - это "гвоздь" статьи. Это не случайно – в 2008 году часть авторов этой статьи (Шеффер и другие) опубликовали работу, в которой показали, что рост автокорреляции предшествовал каждому из восьми великих изменений климата в истории Земли. Это полностью соответствовало численным экспериментам на компьютерной модели климата как сложной динамической системы. Этот интересный научный результат и послужил поводом для попытки более широкого обобщения темы ранних сигналов в реальных сложных системах.
Одним из методов исследования того, каким был климат Земли миллионы лет назад, является оценка доли карбоната кальция (CaCO3) в накапливающихся слоями осадочных морских породах. Чем выше его содержание в определенном слое донных отложений, тем меньше было растворено в воде углекислого газа (он способствует реакциям, разрушающим карбонат кальция), тем меньше его было в атмосфере, тем холоднее был климат Земли в соответствующую эпоху.
Исследования Шеффере и других показали, что перед всеми известными катастрофическими изменениями климата в истории Земли можно отметить рост автокорреляции в содержании карбоната кальция от одного осадочного слоя к другому:
Далее, нарастание "памяти" приводит к тому, что в динамике системы увеличивается амплитуда флуктуаций (на диаграммах она описывается стандартным отклонением в состоянии системы). Это увеличение вариабельности состояний также легко объяснимо: если система медленно возвращается в равновесие, то две последовательных флуктуации могут складываться, уводя систему далеко от состояния равновесия - амплитуда "шума" в ее параметрах начинает нарастать.
1
Авторы статьи поставили важный вопрос -
"могут ли существовать какие-то универсальные признаки, которые бы позволяли заранее узнавать, что сложная система приближается к критическому переходу – вне зависимости от природы системы?"
субъективное мнение - безусловно существует, но существует на подсознательном уровне, на уровне интуиции. Как часто во время анализа неудач мы признаемся самому себе: "вот я же знал..." etc
step2zer0 step2zer0@yahoo.ca (28.05.2016 6:12)
2
Пожалуй, соглашусь
Видимо, нет единых критических признаков для всех типов систем. Более того, сам термин "система" обманчив. Кажется, так можно назвать любую взаимодействующую совокупность феноменов. Но природа натуральных взаимодействий настолько многообразна, что объединять все эти совокупности под одним термином "система" кажется недопустимым упрощением.
Роман Уфимцев (1.06.2016 1:21)
3
Универсальный критерий
Вольно или невольно при прогнозе землетрясений исследователи приходят к мысли, что прогнозным является любое необычное изменение. И это те, кто еще верит в возможность таких прогнозов. Учитывая, что счет прогнозных признаков идет на тысячи (надеюсь, не слишком ошибаюсь), а эффективность каждого из них довольно мала, эта концепция уже фактически узаконена - это тупик! И это при обширнейшем накопленном материале!
Учитывая сложность и многоплановость, скажем, процесса подготовки землетрясений, что может означать "универсальность" предвестников? Не думаю, что, скажем, в экономике, где сейчас проводятся намного более серьезные работы, ситуация лучше - тамошние исследователи пойдут в тот же тупик.
Под влиянием Ваших работ (они, кстати, помогли мне написать одну из самых важных моих работ - за что огромное спасибо!) я уже вижу, что сам процесс современного познания находится в критической точке: каждое следующее открытие все менее значимо, и над познанием все более тяготеет груз прошлых идей прошлых авторитетов, причем, часто ошибочных.
Алексей alf55@mail.ru (25.03.2017 10:49)
Ваш комментарий
image Поля, отмеченные звездочкой, нужно обязательно заполнить
Заголовок комментария:
image Текст комментария: (не более 2000 символов, HTML-разметка удаляется)
image Ваше имя:
Ваш E-mail:
image Сколько будет дважды два? (ответьте цифрой, это проверка от спам-рассылок)
Отправить комментарий
Главные темы
Внимание (8)Геогештальт (1)Гештальт (16)Динамика внимания (5)Инсайт (5)Интуиция (2)Кибернетика (5)Когнитивное управление (6)Когнитивный анализ (4)Когнитивный словарь (5)Культура наблюдения (5)Мерцающие зоны (7)Метафизика (3)Метафора (13)Механизмы восприятия (15)Мифы и парадигмы (7)Органическая логика (5)Прогнозирование (6)Роль языка (4)Симметрии (5)Синхронизмы (5)Сложные системы (10)Степенной закон (8)Творческое мышление (5)Три уровня систем (4)Управление знаниями (3)Фазы развития (7)Фракталы (18)Цветные шумы (9)
КОГНИТИВИСТ: когнитивные методы и технологии © Роман Уфимцев, при поддержке Ателье ER