Изучение сложных систем с помощью Python (3500,00 руб.)

Стр.5

Стр.6

Стр.7

Стр.8

УДк 004.94 ББк 32.972 Д12 Д12 Изучение сложных систем с помощью Python / пер. с анг. Д. А. Беликова. – М.: ДМК Пресс, 2019. – 160 с.: ил. Аллен Б. Дауни ISBN 978-5-97060-712-1 Наука о сложных системах – это междисциплинарная область на стыке математики, информатики и естествознания, которая фокусируется на сложных системах, представляющих собой системы со множеством взаимодействующих компонентов. Одним из основных инструментов науки о сложных системах являются дискретные модели, включая сети и графы, клеточные автоматы и агентное моделирование. Наука о сложных системах полезна, особенно если необходимо объяснить поведение природных и социальных систем, она обеспечивает разнообразный и адаптируемый инструментарий моделирования, позволяет применить навыки программирования и поразмыслить над фундаментальными вопросами философии науки. В книге приводится код, математические тексты и пояснения, необходимые для понимания работы моделей. Издание будет полезно широкому кругу лиц, здесь опущены очень сложные технические детали. УДК 004.94 ББК 32.972 Original English language edition published by O’Reilly Media, Inc. Copyright © 2018 Allen B. Downey. All rights reserved. Russian-language edition copyright © 2019 by DMK Press. All rights reserved. Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги. ISBN 978-1-492-04020-0 (анг.) ISBN 978-5-97060-712-1 (рус.) Copyright © 2018 Allen B. Downey. All rights reserved. © Оформление, издание, перевод, ДМК Пресс, 2019

Стр.5

содержание Предисловие .................................................................................................................................................................................................... 8 Для кого эта книга? ............................................................................................................................................................................... 9 Изменения после выхода первого издания................................................................................................................................ 9 Использование кода ...........................................................................................................................................................................10 Обозначения, используемые в этой книге .................................................................................................................................11 O'Reilly Safari ..........................................................................................................................................................................................11 Как с нами связаться ..........................................................................................................................................................................12 Список лиц, принимавших участие в работе над книгой ....................................................................................................12 Об авторе .................................................................................................................................................................................................13 Колофон ...................................................................................................................................................................................................13 Глава 1. Наука о сложных системах .....................................................................................................................................................14 Меняющиеся критерии науки .........................................................................................................................................................15 Оси научных моделей ........................................................................................................................................................................16 Разные модели для разных целей ................................................................................................................................................17 Инженерия сложных систем ............................................................................................................................................................18 Доктрина сложных систем ................................................................................................................................................................19 Глава 2. Графы ................................................................................................................................................................................................21 Что такое графы? ..................................................................................................................................................................................21 NetworkX ..................................................................................................................................................................................................23 Случайные графы .................................................................................................................................................................................24 Генерация графов.................................................................................................................................................................................25 Связные графы ......................................................................................................................................................................................26 Генерация графов Эрдёша–Реньи ................................................................................................................................................27 Вероятность связности .......................................................................................................................................................................29 Анализ алгоритмов графов ..............................................................................................................................................................30 Упражнения ............................................................................................................................................................................................31 Глава 3. Графы «Мир тесен» .....................................................................................................................................................................33 Стэнли Милгрэм ....................................................................................................................................................................................33 Ваттс и Строгац .....................................................................................................................................................................................34 Кольцевая решетка ..............................................................................................................................................................................34 Графы Ваттса–Строгаца .....................................................................................................................................................................36 Кластеризация .......................................................................................................................................................................................37 Длина кратчайшего пути ...................................................................................................................................................................38 Эксперимент Ваттса–Строгаца .......................................................................................................................................................39 Что это за объяснение? ......................................................................................................................................................................40 Поиск в ширину ....................................................................................................................................................................................41 Алгоритм Дейкстры .............................................................................................................................................................................43 Упражнения ............................................................................................................................................................................................44 Глава 4. Безмасштабные сети ..................................................................................................................................................................46 Данные социальных сетей................................................................................................................................................................46 Модель Ваттса–Строгаца ..................................................................................................................................................................48 содержание 5

Стр.6

Степень .....................................................................................................................................................................................................48 Распределения с тяжелыми хвостами .........................................................................................................................................50 Модель Барабаши–Альберта ...........................................................................................................................................................51 Генерация графов Барабаши–Альберта .....................................................................................................................................53 Интегральные распределения ........................................................................................................................................................54 Объяснительные модели ...................................................................................................................................................................56 Упражнения ............................................................................................................................................................................................57 Глава 5. клеточные автоматы .................................................................................................................................................................59 Простой клеточный автомат ............................................................................................................................................................59 Эксперимент Вольфрама...................................................................................................................................................................59 Классификация клеточных автоматов .........................................................................................................................................60 Хаотичность ............................................................................................................................................................................................61 Детерминизм ..........................................................................................................................................................................................62 Космические корабли .........................................................................................................................................................................64 Универсальность ...................................................................................................................................................................................65 Фальсифицируемость .........................................................................................................................................................................66 Что это за модель? ...............................................................................................................................................................................67 Реализация клеточных автоматов .................................................................................................................................................68 Взаимная корреляция ........................................................................................................................................................................69 Таблицы клеточных автоматов .......................................................................................................................................................71 Упражнения ............................................................................................................................................................................................71 Глава 6. Игра «Жизнь» ................................................................................................................................................................................73 Игра «Жизнь» Конвея .........................................................................................................................................................................73 Конструкции игры «Жизнь» .............................................................................................................................................................74 Гипотеза Конвея ....................................................................................................................................................................................75 Реализм ....................................................................................................................................................................................................76 Инструментализм .................................................................................................................................................................................77 Реализация игры «Жизнь» ................................................................................................................................................................78 Упражнения ............................................................................................................................................................................................80 Глава 7. Физическое моделирование ...................................................................................................................................................82 Диффузия ................................................................................................................................................................................................82 Реакция диффузии ...............................................................................................................................................................................83 Перколяция .............................................................................................................................................................................................86 Фазовый переход .................................................................................................................................................................................88 Фракталы .................................................................................................................................................................................................89 Фракталы и перколяционные модели .........................................................................................................................................91 Упражнения ............................................................................................................................................................................................92 Глава 8. самоорганизованная критичность.......................................................................................................................................94 Критические системы .........................................................................................................................................................................94 Песчаные кучи .......................................................................................................................................................................................95 Реализация песчаной кучи ...............................................................................................................................................................95 Распределения с тяжелыми хвостами .........................................................................................................................................98 Фракталы .............................................................................................................................................................................................. 100 Розовый шум ....................................................................................................................................................................................... 103 Звук песка ............................................................................................................................................................................................ 104 Редукционизм и холизм ................................................................................................................................................................. 105 6 Изучение сложных систем с помощью Python

Стр.7

Самоорганизованная критичность, причинность и прогнозирование ........................................................................ 107 Упражнения ......................................................................................................................................................................................... 108 Глава 9. Агент-ориентированные модели .......................................................................................................................................110 Модель Шеллинга .............................................................................................................................................................................. 110 Реализация модели Шеллинга ..................................................................................................................................................... 111 Сегрегация............................................................................................................................................................................................ 113 Sugarscape ............................................................................................................................................................................................ 114 Имущественное неравенство ....................................................................................................................................................... 116 Реализация Sugarscape ................................................................................................................................................................... 117 Миграция и волновое поведение ............................................................................................................................................... 119 Эмерджентность................................................................................................................................................................................. 119 Упражнения ......................................................................................................................................................................................... 121 Глава 10. стаи, стада и пробки .............................................................................................................................................................122 Пробки ................................................................................................................................................................................................... 122 Случайное возмущение .................................................................................................................................................................. 124 Boid ......................................................................................................................................................................................................... 125 Алгоритм Boids ................................................................................................................................................................................... 126 Разрешение конфликтов ................................................................................................................................................................ 128 Эмерджентность и свобода воли ................................................................................................................................................ 129 Упражнения ......................................................................................................................................................................................... 130 Глава 11. Эволюция ..................................................................................................................................................................................131 Моделирование эволюции ............................................................................................................................................................ 131 Адаптивный ландшафт .................................................................................................................................................................... 132 Агенты .................................................................................................................................................................................................... 133 Моделирование ................................................................................................................................................................................. 133 Нет дифференциации ...................................................................................................................................................................... 134 Свидетельство эволюции ............................................................................................................................................................... 135 Дифференциальное выживание ................................................................................................................................................. 137 Мутация ................................................................................................................................................................................................. 138 Видообразование.............................................................................................................................................................................. 140 Резюме ................................................................................................................................................................................................... 142 Упражнения ......................................................................................................................................................................................... 143 Глава 12. Эволюция кооперации ........................................................................................................................................................144 Дилемма заключенного.................................................................................................................................................................. 144 Проблема альтруизма ..................................................................................................................................................................... 145 Чемпионаты по дилемме заключенного ................................................................................................................................. 146 Моделирование эволюции кооперации .................................................................................................................................. 147 Класс Tournament .............................................................................................................................................................................. 148 Класс Simulation ................................................................................................................................................................................ 150 Результаты ............................................................................................................................................................................................ 150 Выводы .................................................................................................................................................................................................. 153 Упражнения ......................................................................................................................................................................................... 154 Приложение A. список литературы ...................................................................................................................................................156 Указатель ......................................................................................................................................................................................................157 содержание 7

Стр.8