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Sistemas Complejos y Teoria de Redes
Dr. Ariel Chernomoretz Redes Complejas 2020 1
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Nombre – Grado: Introduccion a Redes Complejas con Aplicaciones a Biologia de
Sistemas (FIS870183)
– Posgrado: Sistemas Complejos y Teoria de Redes con Aplicaciones a a Biologia de Sistemas (DOC8800776)
Recursos:
materias.df.uba.ar/scytda2020c1/
Sobre el curso
Redes Complejas 2020 2
@df_redes
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Régimen teórico-práctico
Aprobación: Prácticas: Guía de problemas Tr. Computacionales Teóricas: Proyecto final
Proyecto final (grupos)
Trabajos Computacionales 4 Guias Computacionales 1 Proyecto paper
Guías de problemas: 4
Redes Complejas 2020 3
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Sobre el curso
• Textos – “Networks: an Introduction”, Mark Newman
– “Network Science”, Albert-Laszlo Barabasi http://barabasi.com/networksciencebook/ http://barabasilab.neu.edu/networksciencebook/downlPDF.html
– “Networks, crowds and markets”, Easley & Kleinberg. http://www.cs.cornell.edu/home/kleinber/networks-book
• Papers: – Ver pagina de materia:
• Material Adicional > Repositorio
Redes Complejas 2020 4
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Sobre el curso
• Textos – “Networks: an Introduction”, Mark Newman
– “Network Science”, Albert-Laszlo Barabasi http://barabasi.com/networksciencebook/ http://barabasilab.neu.edu/networksciencebook/downlPDF.html
– “Networks, crowds and markets”, Easley & Kleinberg. http://www.cs.cornell.edu/home/kleinber/networks-book
• Papers:
– Ver pagina de materia
Redes Complejas 2020 5
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Vivimos en un mundo complejo
Redes Complejas 2020 6
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Sistemas Complejos
RAE: complejo, ja Del lat. complexus, part. pas. de complecti 'enlazar'. 1. adj. Que se compone de elementos diversos. 2. adj. complicado (‖ enmarañado, difícil). 3. m. Conjunto o unión de dos o más cosas que constituyen una unidad. Complejo vitamínico. 4. m. Conjunto de establecimientos industriales generalmente próximos unos a otros. 5. m. Conjunto de edificios o instalaciones agrupados para una actividad común. 6. m. Psicol. Conjunto de ideas, emociones y tendencias generalmente reprimidas y asociadas a experiencias del sujeto, que perturban su comportamiento.
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La verdad oculta en las palabras
RAE: complejo, ja Del lat. complexus, part. pas. de complecti 'enlazar'.
1. adj. Que se compone de elementos diversos. 2. adj. complicado (‖ enmarañado, difícil). 3. m. Conjunto o unión de dos o más cosas que constituyen una unidad. Complejo vitamínico. 4. m. Conjunto de establecimientos industriales generalmente próximos unos a otros. 5. m. Conjunto de edificios o instalaciones agrupados para una actividad común. 6. m. Psicol. Conjunto de ideas, emociones y tendencias generalmente reprimidas y asociadas a experiencias del sujeto, que perturban su comportamiento.
Sistema complejo Un sistema complejo está compuesto por varias partes interactuantes. Como resultado de las interacciones entre elementos, surgen propiedades nuevas que no pueden explicarse a partir de las propiedades de los elementos aislados. Dichas propiedades se denominan propiedades emergentes.
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Sistemas Complejos y Pajaritos
Cada pájaro aprende cómo volar desde sus primeros días
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Sistemas Complejos y Pajaritos
Qué reglas sigue un pájaro para volar? Cómo funciona un sistema formado por muchos pájaros?
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Sistemas Complejos y Pajaritos
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Sistemas Complejos y Pajaritos
3 reglas para volar c/amigos 1. Mantenerse cerca de otros (pero no demasiado!) 2. Volar a una velocidad parecida que mis vecinos 3. Tratar de ir hacia el centro
Reglas simples dan lugar a comportamientos complejos emergentes.
Muchos elementos interactuantes Ausencia de control centralizado
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Sistemas Complejos y peces
muchos agentes leyes de interacción simples
comportamientos emergentes no-triviales pueden apreciarse a gran escala
Estructura de organización en otra escala Aparece capacidad de desarrollar una
funcionalidad en esa escala 13
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Patrones a gran escala …nos dicen cosas
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Patrones a gran escala …nos dicen cosas
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Sistemas Complejos
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Comportamiento social (cocktail party)
Comportamiento bursátil
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Escala molecular
18 Escala organismo
Escala celular
Escala intra-celular
Biologia como propiedad emergente
La célula como sistema complejo
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Escala molecular Sistema abierto Muchisimos grados de libertad Interacciones no-lineales Diferentes escalas espacio-temporales
Escala celular Funcionalidad biológica Fenotipo celular …
Propiedades emergentes
Complejidad multiescala
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Más es diferente…
“…The ability to reduce everything to simple fundamental laws does not imply the ability to start from those laws and reconstruct the universe. ..” “… The constructionist hypothesis breaks down when confronted with the twin difficulties of scale and complexity. The behavior of large and complex aggregates of elementary particles, it turns out, is not to be understood in terms of a simple extrapolation of the properties of a few particles. Instead, at each level of complexity entirely new properties appear and the understanding of the new behaviors requires research which I think is as fundamental in its nature as any other.
Reduccionismo ≠ Constructivismo
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Más es diferente…
Ciencia X Ciencia Y
Que entidades elementales de la ciencia-X obedezcan leyes de la ciencia-Y, no implica que ciencia-X sea solamente ciencia-Y aplicada. 21
-
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22
Sistemas Complejos
Sistemas abiertos
Agentes + interacciones
Ausencia de control centralizado
Existencia de lazos de retroalimentacion
Estructura modular/jerarquica
Reglas simples dan lugar a comportamientos complejos emergentes.
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NetLogo
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Bandada (flock)
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Sistemas Complejos
Diversos fenómenos pueden ser abordados como sistemas complejos: sociales, tecnológicos, biológicos, etc
Detrás de cada sistema complejo es posible identificar
una red de interacciones entre sus componentes
Teoría de redes: caracterización de la estructura de interconexionado sobre la que se monta la complejidad del sistema
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La metáfora de redes
patrones de conectividad y organización locales y globales en redes
funcionalidad biológica estado global comportamiento a escalas mayores
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Representacion de interacciones
Redes Complejas 2020
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Ejemplo: redes de interacción de proteinas
Biologia Escencialidad Funcion biologica Estudio de enfermedades
Redes Complejas 2020 27
Pero esposible ‘aprender’ biologia a partir de la estructura de una red? Veamos el siguiente ejemplo…
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Ejemplo: Redes sociales
Zachary´s Karate club:
Club de karate observado por el antropólogo Wayne Zachary por 3 años
Red de 34 miembros
Dinámica social fuera de las actividades del club (78 interacciones documentadas)
Durante el estudio, el club se dividió en 2: con 16 miembros cercanos al Sr. Hi (intructor, nodo …), 18 miembros cercanos a Mr John A (administrador, nodo …)
Antes del colapso hubo intentos de reclutamiento desde ambos lados
An Information Flow Model for Conflict and Fission in Small Groups Wayne W. Zachary Journal of Anthropological Research Vol. 33, No. 4 (Winter, 1977), pp. 452-473
Redes Complejas 2020 28
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Ejemplo: Redes sociales
Zachary´s Karate club:
If your method doesn´t work on this network then go home.
Zachary´s Karate club club:
Redes Complejas 2020 29
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Management
Barabasi - Network Science
Problema de flujo de información en empresa Hungara
Redes Complejas 2020 33
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Management
Barabasi - Network Science
Mapeo de resultados a lenguaje de grafos: ¿a quién consultas para tomar decisiones?
Identificación de individuos de alta influencia
Redes Complejas 2020 34
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Management
Barabasi - Network Science
Puesta en contexto: ranking dentro de la jerarquía organizacional Ninguno de los hubs ocupan puestos de management Hubs provienen de rangos bajos: managers, group leaders, associated
Redes Complejas 2020 35
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Management
Barabasi - Network Science
Mapeo de resultados a lenguaje de grafos: ¿a quién consultas para tomar decisiones?
Identificación de individuos de alta influencia
Redes Complejas 2020 36
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Management
Barabasi - Network Science
Red de influencia del empleado más conectado (1eros y 2dos vecinos)
Empleado de Seguridad y problematicas ambientales Visita regularmente diferentes instalaciones Conectado con mucha gente, pero no con management (!) Gossip center
Redes Complejas 2020 37
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COVID-19
Redes Complejas 2020 38
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Dinamica SIR
Redes Complejas 2020 39
S I R
o o o
Virus Model
Parametros: Tiempo de vida: 50 años Tasa reproduccion:1% Inmunidad: 1año Carrying capacity:300
cr
1-cr
inf
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COVID-19
Redes Complejas 2020 40
http://modelingcommons.org
13-04-2020
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COVID-19 Global Epidemic and Mobility Model
41
Se divide superficie en celdas de Voronoi centradas en conexiones centrales de transporte aereo y terrestre (3200)
Cada celda se carateriza en terminos demograficos, economicos, salud, etc
Enfoque metapoblacional:
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COVID-19 Global Epidemic and Mobility Model
42
Patrones de mobilidad entre subpoblaciones se representan mediante redes:
Mobilidad de corta y larga distancia. Flujos modelados de acuerdo a datos
disponibles
Dinamica de propagacion intra.celda: Modelo de 5 estados:
Suceptible, Expuesto, Sintomatico, Hospitalizado Recuperado
Patrones de mobilidad dependen de estado de salud: Larga distancia: dia de la semana, franja etarea, politicas de vuelos,… Corta distancia:laborabe/no-laborable, franja etarea,…
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Modelando contactos
43
Uso de datos sociodemograficos para establecer matrices de contacto: frecuencia media de contactos reportada entre individuos de edades determinadas. Funcion de:
localidad rango etareo ambito (hogar, escuela, trabajo)
Matriz de contacto agregada
Contactos hogareños
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COVID-19 Global Epidemic and Mobility Model
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Referencias
• More is Different, Anderson, Science (1972)
• http://www.britannica.com/science/complexity-scientific-theory
• http://www.santafe.edu/media/workingpapers/06-10-036.pdf
• An Information Flow Model for Conflict and Fission in Small Groups, Wayne W. Zachary, Journal of Anthropological Research Vol. 33, No. 4 (Winter, 1977), pp. 452-473
Redes Complejas 2020 46
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Redes Complejas 2020 47