Cooperazione di Agenti Informatici Corso di Laurea Specialistica in Informatica A.A. 2008/09 Prof. Alberto Postiglione

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1 Cooperazione di Agenti Informatici Corso di Laurea Specialistica in Informatica A.A. 2008/09 Prof. Alberto Postiglione UD 2.1.5: Sistemi Complessi (6) Sistemi Complicati e complessi Bibliografia dell Unità Didattica 04/05/2009 Dia 2 Gandolfi, A. Formicai, imperi, cervelli, introduzione alla scienza della complessità, Bollati Boringhieri, 1999 Capitolo 7 (Sistemi complicati e sistemi complessi) Capitolo 8 (L identikit di un sistema complesso) 1

2 04/05/2009 Dia 3 COMPLESSO COMPLICATO Complicato da cum + plicatus, ovvero: piegato insieme (come un origami) Può essere s-piegato dalla cosiddetta Scienza ClassicaIn altri termini: un sistema complicato può essere decomposto in sottoparti e compreso analizzando ciascuna di esse. 04/05/2009 Dia 4 Complesso da cum + plexus, ovvero: intrecciato insieme NON può essere spiegato dalla Scienza Classica un sistema complesso può essere compreso solo considerandolo nel suo insieme e osservando in particolare le interazioni tra i suoi elementi. 2

3 04/05/2009 Dia 5 Per semplificare, potremmo dire che un sistema complesso è qualcosa di più di un sistema complicato Il cervello (sistema complesso) è evidentemente a un livello più alto di un programma di computer (sistema complicato) Per stabilire se un sistema è solo complicato oppure se è invece più o meno complesso, ci si basa su: Numero delle componenti Complessità delle componenti Struttura a rete (interazioni locali non lineari) Sistema Complesso 04/05/2009 Dia 6 Sistema Complicato 3

4 Mucchio di Sabbia? 04/05/2009 Dia 7 Mucchio di Sabbia? NON è un sistema complesso! 04/05/2009 Dia 8 4

5 Termitaio? 04/05/2009 Dia 9 04/05/2009 Dia 10 Termitaio? è un sistema STRAORDINARIAMENTE complesso 5

6 Un Satellite Artificiale? 04/05/2009 Dia 11 Un Satellite Artificiale? complicato, ma non (particolarmente) complesso 04/05/2009 Dia 12 6

7 Batterio? 04/05/2009 Dia 13 Batterio? è certamente un sistema MOLTO complesso! 04/05/2009 Dia 14 7

8 Attrazione Gravitazionale tra 2 corpi? 04/05/2009 Dia 15 Attrazione Gravitazionale tra 2 corpi? è un sistema complicato, ma non complesso 04/05/2009 Dia 16 8

9 Una Coppietta? 04/05/2009 Dia 17 Una Coppietta? è un sistema MOLTO complesso! 04/05/2009 Dia 18 9

10 Sistema di controllo del Traffico? 04/05/2009 Dia 19 Sistema di controllo del Traffico? molto complicato, ma non molto complesso 04/05/2009 Dia 20 10

11 04/05/2009 Dia 21 Sistema di (auto)controllo del metabolismo cellulare? 04/05/2009 Dia 22 Sistema di (auto)controllo del metabolismo cellulare? molto complesso 11

12 04/05/2009 Dia 23 Non esiste un confine rigido e preciso tra sistemi complessi e sistemi non complessi Esiste invece un continuum tra sistemi minimamente complessi e sistemi massimamente complessi La Teoria della Complessità propone una vera e propria visione filosofica del mondo (Weltanshaung): Il mondo è visto come una gerarchia di sistemi più o meno complicati e più o meno complessi Weltanshaung 04/05/2009 Dia 24 Sistemi super complessi Sistemi molto complessi Sistemi di media complessità Sistemi poco complessi 12

13 04/05/2009 Dia 25 Sistemi poco complessi Sistemi naturali inanimati, come le rocce e i gas (e le loro componenti fisiche) Insiemi di tali sistemi, ad esempio galassie senza vita Sono complicati nel senso di descrivibili usando il linguaggio fisico-matematico 04/05/2009 Dia 26 Sistemi di media complessità Sistemi artificiali (cioè artefatti umani) Possono essere più o meno complicati I sistemi più complicati (come i computer) producono fenomeni piuttosto complessi (come il software e internet) 13

14 04/05/2009 Dia 27 Sistemi Molto complessi Tutti gli esseri viventi, dai batteri alle sequoie giganti Sono organizzati in sistemi di sistemi: cellule, tessuti, organi, organismi, ecc. A questo livello di complessità, non ha più senso parlare di sistemi complicati 04/05/2009 Dia 28 Sistemi super-complessi Tutti i sistemi neurobiologici, cioè gli esseri viventi dotati di sistema nervoso Se sono organizzati in colonie o società, la complessità aumenta ulteriormente Al momento, non è neppure concepibile una matematica che descriva tutta questa complessità! 14

15 04/05/2009 Dia 29 Complicati Molto Complicati Poco complessi Molto Complessi Iper Complessi 04/05/2009 Dia 30 Complicati Molto Complicati Poco complessi Molto Complessi Iper Complessi 15

19 04/05/2009 Dia 37 Complicati Molto Complicati Poco complessi Molto Complessi Iper Complessi 04/05/2009 Dia 38 : Prevedibilità Ma la differenza fondamentale è che, conoscendo tutti gli elementi del sistema e le relazioni che legano questi elementi, è prossibile prevedere esattamente il comportamento di un sistema complicato (le relazioni tra gli elementi sono lineari) non è possibile prevedere il comportamento di un sistema complesso Il comportamento di un satellite artificiale è prevedibile teoricamente in modo esatto fino alla fine dei tempi Quello della moglie/marito tra 10 minuto non lo è 19

20 04/05/2009 Dia 39 : Robustezza La Robustezza di un sistema è la sua capacità di assorbire stimoli interni e disturbi esterni, senza rimanere danneggiato Spesso si usa il sinonimo resilienza, soprattutto in ecologia Questa caratteristica è legata alla flessibilità di un sistema. Esempio di sistema poco robusto satellite (progettazione, realizzazione e utilizzo sono sensibili ai minimi disturbi o errori) Esempi di sistemi robusti Ecosistema terrestre (sta sopportando le ingiurie dell uomo) Cervello (sopporta sbalzi termici, shock meccanici, perdita di elementi) 04/05/2009 Dia 40 Complicato non è semplice da gestire Questo non significa che i sistemi complicati siano semplici da gestire! Superata una soglia critica, anche un sistema complicato pone problemi di controllo e di gestione I problemi nascono, di solito, dalla dimensione del sistema Dal numero degli elementi Dal numero di relazioni 20

21 04/05/2009 Dia 41 Perché i sistemi complessi sono robusti? Un sistema complicato è estremamente delicato È sensibile ai minimi errori interni O ai minimi influssi esterni (input imprecisi, sbalzi termici, ) Un solo errore di programmazione, all interno di programmi che comprendono decine di milioni di linee di codice, può causare la caduta del sistema Questa fragilità è presente in quasi tutte le tecnologie umane (ad esempio nello sfruttamento dell energia atomica) 04/05/2009 Dia 42 Perché i sistemi complessi sono robusti? I sistemi complessi sono generalmente frutto di moltissimi anni di evoluzione (anche milioni o miliardi) Rispetto ai sistemi complicati sono spesso disordinati, intrecciati, confusi, rabberciati Ma, soprattutto, sono ridondanti e questo implica che, in caso di guasto, il sistema continui a funzionare. La Natura sacrifica l eleganza in favore dell affidabilità (Kewin Kelly) 21

22 04/05/2009 Dia 43 Perché i sistemi complicati non sono robusti? Questa ridondanza è invece quasi assente nei sistemi complicati costruiti dall uomo Perché? Perché ridondanza implica costi di materiale, ma anche di tempo (es tempo di elaborazione). L uomo tende a costruire sistemi a ridondanza nulla. Poiché ogni elemento è significativo, il venir meno anche di uno di essi crea danni all intero sistema Nei sistemi di comunicazione, ad esempio, di procede all introduzione di ridondanza controllata per rendere più sicuri i messaggi.. 04/05/2009 Dia 44 Perché i sistemi complessi sono robusti? I sistemi complessi sono, inoltre, in grado di tollerare moltissimi errori fatti dai loro elementi. Ad esempio, in un formicaio spesso le formiche hanno comportamenti aleatori, commettendo errori di percorso e di comportamento. Spesso abbandona il suo carico per strada. Ma nonostante questo, il sistema è robusto ed efficiente. Perché? In realtà un sistema complesso non tollera semplicemente, bensì funziona sul comportamento aleatorio dei suoi elementi! 22

23 04/05/2009 Dia 45 Perché i sistemi complessi sono robusti? Si è scoperto che la robustezza delle società degli insetti risiede, in primo luogo, nella tipologia di interazione tra i suoi sottosistemi. Il sistema è costruito su una comunicazione blanda e, fondamentalmente, imprecisa. L imprecisione garantisce una grande flessibilità e una relativa insensibilità a fluttuazione ed errori che avvengono nei suoi sottosistemi. In altre parole, è necessario che i sottosistemi non siano interconnessi fittamente, ma come avviene in una società di insetti, in cui le connessioni sono aleatorie e le informazioni sono trasmesse con una certa probabilità di errore. 04/05/2009 Dia 46 Perché i sistemi complessi sono robusti? Inoltre, i sistemi complessi possono evolvere e sviluppare così strategie adeguate per neutralizzare gli errori. Anzi, spesso i sistemi sfruttano a proprio vantaggio gli errori Ad esempio, nel caso della riproduzione, i meccanismi genetici della mutazione (che sono errori di copiatura delle informazioni genetiche contenute nel DNA). 23

24 04/05/2009 Dia 47 Le caratteristiche di un Sistema Complesso Informalmente e grossolanamente, possiamo caratterizzare i sistemi complessi come sistemi dotati delle seguenti caratteristiche: Presenza di numerosi elementi Interazioni non-lineari Autoorganizzazione Emergenza di una struttura gerarchica Struttura a rete Retroazioni positive e negative Capacita' di evolvere e adattarsi Robustezza 04/05/2009 Dia 48 Le caratteristiche di un Sistema Complesso Interazioni non lineari Interazioni lineari: gli effetto sono proporzionali alle cause Interazioni non lineari: la somma dei singoli elementi non è quella del sistema nel suo insieme ( La Somma non fa il Totaler ) es: il cervello è composto da cellule, ma la intelligenza di un essere vivente non è la somma delle intelligenze delle singole cellule Auto-Organizzato per livelli gerarchici interni (cellule, organi, sistemi di organi, essere umano) Struttura a Rete e alta densità delle interconnessioni 24

25 04/05/2009 Dia 49 Le caratteristiche di un Sistema Complesso Retroazioni positive e negative Retroazione (feedback): processo circolare di azione e inuenza in cui l'effetto agisce sulla causa che lo ha provocato. Feedback negativo: l'effetto tende a ridurre l'entita della causa Feedback positivo: l'effetto aumenta l'entita' della causa Capacita' di evolvere e adattarsi Adattativo (adaptive): un SC adattativo modica il proprio comportamento in risposta all'ambiente. Evoluzione: processo di cambiamento e adattamento che avviene in popolazioni soggette a riproduzione e selezione di caratteristiche ereditabili. 04/05/2009 Dia 50 Altre proprietà dei Sistemi Complessi PRINCIPIO OLOGRAMMATICO La parte è nel tutto, il tutto è nella parte Es: le cellule staminali che contengono tutta l informazione su di noi APPRENDIMENTO TRY & LEARN L evoluzione genera apprendimento e l apprendimento genera evoluzione In condizioni di elevata complessità l unico modo per apprendere è quello di procedere per tentativi 25

26 04/05/2009 Dia 51 Alcuni dei pionieri della Complessità Ilya Prigogine Premio Nobel per la chimica Edgar Morin Sociologo 04/05/2009 Dia 52 Alcuni dei pionieri della Complessità Murray Gell-Mann Premio Nobel per la fisica Manfred Eigen Premio Nobel per la Chimica 26