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TRANSCRIPT
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Modelos de auto-organizacin en los sistemas vivos
Rplica del curso Introduccin a la complejidad, impartido por la Dra. Melanie Mitchell, en el Instituto Santa Fe, Nuevo Mxico, USA.
Profesores facilitadores:
-Geraldine Patrick (CBS)Gerardo Vzquez (CSH)Gerardo Laguna (CBI)
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Contenido
Bancos y parvadas.
Sincronizacin de lucirnagas.
Colonia de hormigas.
Dilema del prisionero.
Problema de El farol.
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Auto-organizacin
Generacin de patrones organizados, como resultado de interacciones puntuales entre los componentes de un sistema, sin ningn control central.
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Cmo las hormigas construyen un puente?
Ver video
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Ejemplos de auto-organizacin
En la biologa
Parvadas y bancos
Sincronizacin
Bsqueda de alimento
Asignacin de tareas
En la sociedad humana
La economa
Tctica vive y deja vivir
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Bancos de peces
Ver video
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Parvadas
Ver video
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Qu hay en comn?
No hay lder ni control central!
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Parvadas y bancos, para qu?
Algunas hiptesis (probablemente todas son correctas):
Los predadores pueden percibir que un banco o una parvada son un solo y ms grande organismo.
Los predadores no pueden enfocarse en un individuo dentro del banco o parvada.
Se puede obtener comida y cazar mejor en forma cooperativa que en forma individual.
Los bancos y las parvadas incrementan la eficiencia aero/hidro dinmica.
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Cmo se generan los bancos y las parvadas sin ningn lder y slo con
informacin local?
Boids de Craig Reynolds (1987)
Evitar colisiones con los vecinos ms cercanos.
Empate de velocidades con los vecinos ms cercanos.
Compactacin hacia los vecinos ms cercanos.
Ver video Boids
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Idea clave
Emergencia de un comportamiento complejo a partir de reglas simples.
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Netlogo
Biblioteca de modelos-> Biology-> Flocking
Reglas:
Si se est muy cerca del vecino ms cercano
Separacin. Se separa bruscamente con ciertas reglas.
Otro
Alineamiento. Alinear la direccin con la direccin promedio de los vecinos.
Coherencia. Alinearse lo ms cerca posible a los vecinos.
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Sincronizacin en la naturaleza
Parpadeo de algunas especies de lucirnagas.
Chirrido de los grillos.
Activacin neuronal.
Pulsacin de clulas cardiacas.
Ver video de lucirnagas
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Qu hay en comn?
No hay lder ni control central!
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Netlogo
Biblioteca de modelos -> Biology -> Fireflies
Dos posibles tcticas:
Retraso de fase. Si se observan destellos cercanos, se interrumpe el propio y se inicia un nuevo ciclo espera-destello.
Avance de fase. Si se observan destellos cercanos, se inicia a la fase de destello inmediatamente.
Reposo Destello Reposo Destello
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Netlogo
Biblioteca de modelos -> Biology -> Fireflies
Parmetros:
Flash-length: La duracin en ticks que dura una lucirnaga encendida.
Flashes-to-reset: El nmero de vecinas encendidas que debe ver (en su radio de visin) una lucirnaga para restablecer su reloj.
Reposo Destello Reposo Destello
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Idea clave
Emergencia de un comportamiento complejo a partir de reglas simples.
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Colonia de hormigas
Las hormigas se mueven en forma aleatoria en muchas direcciones.
Cuando una hormiga encuentra alimento, regresa al nido dejando un rastro de feromonas.
Cuando otras hormigas encuentran el rastro son propensas a seguirlo.
Si el rastro de feromona no se refuerza, termina por evaporarse.
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Hormigas en busca de alimento
Ver video de hormigas buscando comida
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Netlogo
Biblioteca de modelos -> Biology -> Ants
Probar versin AntNew
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Computacin auto-organizada bioinspirada
Son los sistemas computacionales con comportamientos emergentes que resultan de reglas simples inspiradas en comportamientos observados en los seres vivos.
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Ejemplos de sistemas computacionales bioinspirados y auto-organizables.
Biologa:
Parvadas y bancos de animales.
Bsqueda de hormigas.
Sincronizacin de lucirnagas.
Evolucin.
Neuronas cerebrales.
Sistema inmune.
Computacin:
Optimizacin por enjambre de partculas.
Optimizacin por colonia de hormigas.
Sincronizacin en sistemas distribuidos.
Algoritmos genticos.
Redes neuronales.
Seguridad informtica.
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Auto-organizacin y cooperacin en los sistemas sociales
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Paradigmas del comportamiento
Predomina la corriente del pensamiento que enfatiza la competencia en la biologa, la economa y las ciencias sociales.
Sin embargo la cooperacin es evidente a todos los niveles de la biologa y la sociedad.
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Conceptos antagnicos
Competencia:
Egosmo
Beneficio personal
Individuo
Cooperacin:
Generosidad (compartir)
Bien comn
Sociedad
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Leviatn vs. Utopa
Leviatn de Thomas Hobbes (1651)
Utopa de Toms Moro (1516)
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La cuestin de la cooperacin
Cmo surge la cooperacin?
Cmo persiste la cooperacin?
Cmo crear las condiciones para que surja la cooperacin?
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La poltica de vive y deja vivir en el frete occidental 1914-1918
Llegaron al punto de estancamiento donde se dieron cuenta que el enemigo les dejara en paz, siempre y cuando ellos dejaran en paz al enemigo.
Dicho de otro modo, se aplicaba la ley del ojo por ojo: Haremos lo que nos hagan.
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Resultado de la poltica del vive y deja vivir
En la guerra de trincheras, la gestin ritualizada era una ceremonia en la que los antagonistas participaban con descargas regulares y recprocas de misiles que simbolizaban y reforzaban sentimientos de compaerismo y la sensacin de que el enemigo era un igual en el sufrimiento
- Tony Ashworth
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Modelos, para qu?
Para demostrar que algn mecanismo propuesto, para explicar algn fenmeno, es factible.
Para explorar los mecanismos generales detrs de algn comportamiento.
Para explorar los efectos de las topologa y los parmetros en el comportamiento
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Modelos de cooperacin
El dilema del prisionero y el problema de El farol
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Dilema del prisionero
Flood y Dresher (1959)Prisionero A: SilencioPrisionero B: SilencioSentencia: A purga 1 ao y B purga 1 ao
Prisionero A: TestificaPrisionero B: SilencioSentencia: A sale libre y B purga 20 aos
Prisionero A: SilencioPrisionero B: TestificaSentencia: A purga 20 aos y B sale libre
Prisionero A: TestificaPrisionero B: TestificaSentencia: A purga 10 aos y B purga 10 aos
Prisionero A Prisionero B
Ambos incomunicados
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La evolucin de la cooperacin (1984)
Robert Axelrod
Que cada uno privilegie el beneficio personal conlleva a una escasa ganancia general.
Pregunta:En qu condiciones surge la cooperacin en un mundo de egostas sin una autoridad central?
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Versin de teora de juegos para el dilema del prisionero
Matriz de pagos
El objetivo es ganar tontos puntos como sea posible, independientemente de lo que gane el otro (los dems).
En cada encuentro cada jugador puede cooperar o traicionar, pero sin comunicarse su decisin.
Si el juego se itera para muchos encuentros, cmo se puede inducir la cooperacin?
Jugador 2
Jugador 1
cooperar
traicionar
cooperar traicionar
3, 3 0, 5
5, 0 1, 1
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Torneos de Axelrod para el dilema del prisionero (Dcada de 1980)
Se invit a cientficos y matemticos a enviar estrategias.
Hubo propuestas realmente complicadas (modelos de pronstico).
Pero la estrategia ganadora fue muy simple:
Ojo por ojo (propuesta por Anatole Rapoport).
Estrategia ojo por ojo:Se inicia cooperando, pero la siguiente jugada se imita la accin que el contrincante realiz en su ltima jugada.
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NetLogo
PD-N-Person-Iterated
Estrategias:
Aleatoria. A veces coopera y a veces traiciona.
Cooperacin. Siempre coopera.
Traicin. Siempre traiciona.
Ojo por ojo. Se inicia cooperando, pero la siguiente jugada se imita la accin que el contrincante realiz en su ltima jugada.
Implacable. Coopera hasta que lo traiciona el contrincante, despus siempre traiciona.
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Conclusiones de Axelrod
Ser amables. Nunca ser el primero en traicionar.
Perdonar. Estar dispuesto a cooperar si el otro coopera.
Responder. Estar dispuesto a traicionar si el otro traiciona.
Ser claro. Mostrar claramente la estrategia para que el otro la infiera.
Ojo por ojo cumple con todo ello
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Variantes del juego para el dilema del prisionero
Qu pasa si se incluye ruido o errores en las decisiones de los jugadores?
Qu pasa si evolucionan (si se van adaptando con el tiempo) las estrategias de cada jugador?
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La evolucin de la cooperacin
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Otras estrategias
Ojo por ojo generosa. Permite que cierta proporcin de traiciones queden sin castigo.
Ojo por ojo arrepentida. No hay represalia para una traicin que resulte de una traicin propia.
Ojo por dos ojos. Responde con represalia slo despus de dos traiciones consecutivas.
Pavlov. Si gano (cooperacin mutua o traicin unilateral hacia el otro) sigo, si pierdo cambio.
Anti ojo por ojo. Comienza traicionando, luego contesta lo que el contrincante hizo en la ltima ronda.
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Cmo se auto-organiza la economa?
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Auto-organizacin en la economa
Enfoque clsico de la economa. La mano invisible de Adam Smith: Racionalidad. Individuos
egostas perfectamente racionales y deductivos (Se obtienen conclusiones sobre el particular a partir de lo observado en lo general).
Disponibilidad de la informacin. Todos conocen las estrategias de los dems
Resultado: Eficiencia y la mejor situacin posible para todos.
Adam Smith, 17231790
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Dogma econmico imperante
Es posible hacer pronsticos con modelos matemticos, asumiendo procesos econmicos con una dinmica en equilibrio.
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Pensamiento econmico complejisado
Enfoque de la economa compleja: Individuos egostas con
racionalidad limitada e inductiva (Se obtienen conclusiones sobre lo general a partir de lo observado en una muestra).
Informacin limitada sobre las estrategias de los dems.
Los individuos se adaptan constantemente aun entorno siempre cambiante.
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Hiptesis de la economa compleja
Los modelos matemticos no son siempre posibles, el equilibrio nunca se alcanza, por ello, en esos casos son ms apropiados los modelos con base en agentes que se pueden adaptar.