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慢慢开始画人造未知分形(已更新)
冯向军 2018-9-21 17:54
慢慢开始画人造未知分形 冯向军 2018/9/21 分形画已知自然,画出来了就觉得空幻。但假如能画出些未知的图案,倒还有些获得感。今天无意间碰到一些,就记下来。 \0 \0
个人分类: 现代泛系|1541 次阅读|0 个评论
[转载]分形维数fractal dimension
lvqianqian777 2018-4-26 11:14
分形维数 被誉为大自然的几何学的分形(Fractal)理论,是现代数学的一个新分支,但其本质却是一种新的世界观和方法论。 fractal dimension 主要描述分形最主要的参量,简称分维。通常欧几里德几何中,直线或曲线是1维的,平面或球面是2维的,具有长、宽、高的形体是 3 维的;然而对于分形如海岸线、科赫曲线、谢尔宾斯基海绵等的复杂性无法用维数等于 1、2、3 这样的数值来描述。科赫曲线第一次变换将1英尺的每边换成3个各长4英寸的线段,总长度变为 3×4×4/3=16 英寸;每一次变换使总长度变为乘以4/3,如此无限延续下去,曲线本身将是无限长的。这是一条连续的回线,永远不会自我相交,回线所围的面积是有限的,它小于一个外接圆的面积。因此科赫曲线以它无限长度挤在有限的面积之内,确实是占有空间的 ,它比1维要多,但不及2维图形,也就是说它的维数在1和2之间,维数是分数。同样,谢尔宾斯基海绵内部全是大大小小的空洞,表面积是无限大,而占有的 3 维空间是有限的,其维数在2和3之间。 计算分形维数的公式 如下 式中 是小立方体一边的长度, 是用此小立方体覆盖被测形体所得的数目,维数公式意味着通过用边长为 的小立方体覆盖被测形体来确定形体的维数。对于通常的规则物体 ,覆盖一根单位 长度的线 段所需 的数目要 ,覆盖一个单位边长的正方形, ,覆盖单位边 长的立方体, 。从这三个式子可见维数公式也适用于通常的维数含义。利用维数公式可算得 科赫曲线 的维数 ,谢尔宾斯基海绵的维数 。对于无规分形,可用不同的近似方法予以计算,也可用一定的适当方法予以测定。 分维 反映了复杂形体占有空间的有效性,它是复杂形体不规则性的量度。 它与 动力系统的混沌理论 交叉结合,相辅相成。 它承认世界的局部可能在一定条件下或过程中,在某一方面(形态,结构,信息,功能,时间,能量等)表现出与整体的相似性,它承认空间维数的变化既可以是离散的也可以是连续的,进而拓展了视野。 分形几何的概念是美籍法国数学家曼德布罗特(B.B.Mandelbrot)1975年首先提出的。但最早的工作可追溯到1875年,德国数学家维尔斯特拉斯(K.Weierestrass)构造了处处连续但处处不可微的函数。 1890年,意大利数学家皮亚诺(G.Peano)构造了填充空间的曲线。 1904年,瑞典数学家科赫(H.von Koch)设计出类似雪花和岛屿边缘的一类曲线。 1915年,波兰数学家谢尔宾斯基(W.Sierpinski)设计了象地毯和海绵一样的几何图形。 1910年,德国数学家豪斯道夫(F.Hausdorff)开始了奇异集合性质与量的研究,提出分数维概念。 1928年布利干(G.Bouligand)将闵可夫斯基容度应用于非整数维,由此能将螺线作很好的分类。 1932年庞特里亚金(L.S.Pontryagin)等引入盒维数。 1934年,贝塞考维奇(A.S.Besicovitch)更深刻地提示了豪斯道夫测度的性质和奇异集的分数维,他在豪斯道夫测度及其几何的研究领域中作出了主要贡献,从而产生了豪斯道夫-贝塞考维奇维数概念。 以后,这一领域的研究工作没有引起更多人的注意,先驱们的工作只是作为分析与拓扑学教科书中的反例而流传开来。
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文明的末梢、碎屑與崩解──讀胡嘉明、張劼穎《廢品生活──垃圾場的經濟、社區與空間 ...
tian2009 2018-4-16 19:12
文明的末梢、碎屑與崩解 ——讀胡嘉明、張劼穎《廢品生活——垃圾場的經濟、社區與空間》 田松 北京師範大學哲學學院 2009年可以稱為中國的垃圾年。在這一年里,垃圾問題全面爆發,北京、南京、上海、廣州,圍繞垃圾填埋場和焚燒廠的選址和建設,各種群體性事件此起彼伏。在這一年,王久良推出了他的攝影展和同名紀錄片《垃圾圍城》,產生國際影響。從這一年開始,主流話語對垃圾問題的態度發生了巨大的轉折,從無視到重視,從輕描淡寫到濃墨重彩。垃圾問題上了頭條,揮之不去。 與此同時,對垃圾問題的討論也逐漸從技術層面擴展到社會、文化、觀念等人文領域。 2007年秋天,在我結束了伯克利的訪問回到北師大之後,不斷被毛達介紹認識來自歷史學、人類學,以及地理學領域關注垃圾問題的人文學者,雖然,總人數仍然非常之少。胡嘉明和張劼穎的研究我事先並不知曉,見到她們的著作,有意外之驚喜。 《廢品生活──垃圾場的經濟、社區與空間》由香港中文大學出版社於 2016年出版,這是一部社會學和人類學視角的著作,兩位作者描述了在北京六環外一個叫做冷水村的地方,一個以垃圾為核心,與城市若即若離的另一重社會生活。這重生活平常被“折疊”起來,不僅遠離金領白領,連藍領鐵領也很陌生。雖然,在高檔小區的院門外,人們常常會看到他們駐扎在一個地方收廢品,但是很少會關注他們。他們沒有話語權,發不出聲音,幾乎是透明的。 \0 \0 兩位作者的調查經歷也是很好的故事。張劼穎作為北大社會學碩士自 2007年11月,胡嘉明作為香港理工大學應用社會學系城鄉移民項目組成員于2008年底,先後來到冷水村調研,在那裡相識,并開始合作。“冷水村的廢品從業家庭共25戶,分佈聚居在五個大院和數個小院。”(xxiii)到2011年,有17戶家庭成為兩人穩定的調查對象,13戶家庭成為她們“相互信任、深入交流“的朋友。在此基礎上,張劼穎完成了碩士論文,前往香港中文大學攻讀人類學博士,胡嘉明轉至香港中文大學文化與宗教系任教。二人重聚中大,決定合寫此書,又于2012年、2013年前往冷水村回訪。此書雖然不厚,卻是從六年累積的田野筆記和錄音中萃取出來的,信息量龐大。(xxiii) 這本小書我陸陸續續讀了幾個月,此後又集中精力,從頭到尾完整地讀了一遍。心情沉重,五味雜陳。書中所描述的現象我并不完全陌生,也符合我以往對垃圾問題的判斷。但是,本書提供的大量細節,還是讓我感到震撼,讓我不由得思考這些細節之間的關聯,并把它們放到我現在關注的文明問題的框架之中。而為了闡釋這種關聯,我不得不尋找新的話語。 這篇文章其實並不是對《廢品生活》的評論,我只是把她們講過的故事重講一遍。 很可能,一座巍峨的大廈不是轟隆一聲被推倒了,而是噗嗤一聲,散了。 1. 食物鏈,垃圾與文明 我自 1990年代中期開始關注垃圾問題,2000年我在納西地區進行田野調研的時候,特意調查每個村寨的垃圾現狀及垃圾觀念。当时,垃圾问题還是人文學者的盲點。直到現在,人們也普遍認為,垃圾問題不過是枝節問題,是個節約問題,無關大局。同時,人們本能地覺得,垃圾問題是技術問題,可以通過科學和技術的發展而得到解決;或者是管理問題,可以通過社會治理的完善而得到解決。 我的研究首先從物理學入手,把人、社區、城市、乃至人類文明整體視為熱力學系統,討論其中的物質與能量轉化。結論則讓我自己也感到意外:技術進步不能解決垃圾問題,反而會使垃圾問題更加嚴重。我可以相信某一種特別的技術對某一種特別的垃圾能夠起到很好的作用,但是技術的總體進步必然會使社會整體的垃圾問題更加複雜,更加嚴重。 垃圾問題的技術解決存在一個物理學的上限。一個麵包可以直接拿著吃,碎成渣可以捧著吃,因為物質不滅,能量守恆,這是熱力學第一定律。如果把麵包渣撒出去,渣渣當然還在,儘管,一粒一粒完全搜集起來,依然等於原來的麵包。但是,需要注意,一粒一粒地撿渣渣,需要付出更多能量。渣越碎,越分散,付出的能量越高。如果這個能量大於麵包所能提供給人的能量,這個麵包就是不可回收的了──得不償失。按照熱力學第一定律,物質和能量在轉化的過程中保持總量守恆,但是按照熱力學第二定律,即熵增加原理,這種轉化是有方向的──只能從低熵狀態轉化為高熵狀態,簡單地說,只能從可用的轉化為不可用的,從能用的轉化為不能用的。理論上,一個手機裡的各種金屬都在,可以一粒一粒地檢出來,但是,所付出的成本會遠遠大於收益。這就意味著,所謂“垃圾是放錯了地方的資源”,只是一個幻覺。熱力學第二定律,為技術解決設定了不可突破的上限。 垃圾問題是內在于工業文明的。由於垃圾問題的不可解決,工業文明註定是不可持續的。 我把現代化的全球化和全球化的現代化比作一條食物鏈,它所運行的前提和結果是:上游優先獲取下游的能源和資源,同時把垃圾送到下游去。上游和下游不是絕對的,在任何一個尺度,都存在著上游和下游。在全球範圍內,歐美、日本是上游;非洲、南美、中國和東南亞等發展中國家是下游;在中國範圍內,東部沿海是上游,西部是下游。一般而言,城市是上游,鄉村是下游;大都市的城市中心區是上游,城郊是下游。 按照這個食物鏈理論,作為下游的鄉村必然要為作為上游的城市輸送相對廉價的能源、資源和勞動力。同樣,大都市的垃圾一定會從城市中心區被送到近郊、遠郊、更遠的郊。垃圾圍城是這個食物鏈運行的必然結果。 在《廢品生活》所描寫得冷水村,食物鏈中的兩個子鏈條鉸在一起。一方面,圍城的垃圾,成為一部分賴以為生的資源,這部分人來自位於下游的鄉村。另一方面,鄉村為城市輸送的廉價勞動力進入城市,其中一部分進入城市的末梢,以城市的垃圾為生。他們從一個下游,到了另一個下游。兩位作者細緻地描述了他們的生活。 馬大姐租了一個整院,房租一年 6000元,房間住人,院子用來堆放廢品。一個大鐵門,旁邊掛著一個木牌,用油漆寫著“廢品收購站”。院子裡面,有堆積如山的塑料瓶子,還有各式廢品,堆得很高。一進她家,就可以看見各種小學生的獎狀,新新舊舊的,貼滿墻面,而地面上一塵不染,床單乾淨平整。整個房間十分敞亮,整潔得讓來客有點兒手足無措,不知道坐哪兒,也不好意思隨便亂坐。實際上,要進她家並不十分容易。他們夫婦戒備心很強,很封閉,不輕易相信任何人。 ( 14) 如果說人往高處走,那麼在這些人看來,即使都市末梢的冷水村,在食物鏈上的位置,也比他們的故鄉要高一些。 2. 背景的对象化:“非”的生存 要描述冷水村的生活,首先遇到的,我想是語言問題:對於這個長期被折疊的人群,沒有現成的概念來指稱、界定、描述他們,研究者只能不斷地發明新的詞語。 胡嘉明和張劼穎用“非正式經濟”一詞界定這個特殊群體在社會經濟中的角色。“非”這個概念,意味深長。 一幅畫中,有對象有背景。對象是能夠明確辨識的,有名字的,容易描述的。而背景通常是被人忽視的。在攝影家的變焦鏡頭中,背景常常被虛化了,變成一團朦朧的色調。只有在經過精心設計的鑲嵌畫中,比如埃舍爾( M. C. Escher)的一些作品,對象與對象互為背景,把所有的對象都去掉之後,畫面才會是空的。在正常情況下,在對象去掉之後,剩下的背景,都是凌亂的,無法識別的,難以描述的,甚至沒有現成的名詞可以指稱。如果把對象視為集合,則對象去掉之後的背景,是“非集”。 “非集”是依附於“集”而存在的。 《廢品生活》所描述的正是我們這個社會的非集。在社會這幅風俗畫中,這些人原本是作為背景存在的。因為是背景,所以是 有哪種東西造出來就是垃圾,但是所有的東西都可能成為垃圾。所以“垃圾”這個詞,其實是一個非集,指那些不是東西的東西。 以垃圾為生的人,是非正式的人;這種生計,是非正式經濟。都是難以描述,難以名狀的。書中專門有一小節講“非正式經濟與垃圾所建構的曖昧身份”(45﹣47)。 我們認為,本書中所呈現的拾荒者和收廢品人的身份是曖昧的、矛盾的、難以界定的。而正是這種身份的不確定性,一方面構成了他們在城市生存和取得收入的基礎,另一方面也遮蔽了他們被剝削和雙重歧視的處境。 ( 46) 書中寫到,“收廢品者”來自農村,但是與作為工廠工人或者建築工人的典型的“農民工”不同。他們“兼具自我僱用者和工人的雙重特性 ”(46)他們像是“小老闆”,可以對自己的“生意”做主,工作時間和工作節奏都可以自己安排。同時,他們又是從事收集、分揀、分類、運輸等高強度勞動的“工人”。(46) 與其說王大哥是拾荒者,不如說他更像一種低端的“企業家”──每一分錢都是依靠毅力(每天在外奔波)、意志(透過網絡、熟人,自己努力尋找廢品),精打細算成本和賣價,還有自己的勞動力,對臟臭的忍耐,一分一毛的累計(積)起來,經營一個可以養活一家人的廢品買賣生意。當然,他沒有任何的保障、社保、假期、福利。 ( 26) “與其說是,不如更像……”從字裡行間可以體會到,作者無法用現成的單一詞語來描述王大哥,只能從現有詞語中進行多項選擇,用多個詞語加以描述。 3. 末梢與分形結構 分形是一個後現代科學的術語。分形幾何的發明人曼德勃羅說,分形幾何是大自然的幾何學。我們熟悉的歐式幾何描述的是理念的世界,理想的點、線、面,圓和球,都是現實中不存在的。在面對現實中的云、樹、海浪時,歐與非歐幾何都無能為力。分形的第一大特點是自相似。一棵樹是分形結構,樹幹、樹杈、樹枝,不斷細分下去,任何一個局部的結構,都與整棵樹相似。乾旱土地上的裂紋也是分形結構,任何一個局部的裂紋放大,都與整體相似。人體中的血管、肺葉,都是分形結構。數學的(理想中的)分形結構的第二大特點是,永遠可以細分下去。無論一個多麼微小的局部,把它放大,就能看到更微小的局部。 图 1 一株具有分形結構的草。從中大致可以看出局部與整體的自相似結構,也能預期到,每一個局部都會繼續生長,繼續細分。田松摄影。 把分形這個概念適度拓展,也可以描述社會現象。比如以往討論科學與社會的關係,默認的前提是,科學與社會之間存在明晰的界面,可以把兩者截然分開。但是劉華傑教授認為,科學與社會之間的界面是分形結構,這意味著,科學與社會全面纏繞在一起,在任何一個尺度上,都無法把科學與社會截然分開。 如此,前述上游與下游的關係也是分形結構:在任何一個小的區域,都存在上游與下游。同樣,社會組織也是分形結構:在社會的末梢處,會自發地形成微小的結構,并發揮功能。 冷水村位于工业文明的下游,這裡是宏大社會組織的末梢;也是物質轉化鏈條的末梢。《廢品生活》把這個末梢放大了,調整焦距,把原本的背景變成了對象。 收廢品人是聚群而居共同的勞作、生活──垃圾被運回大院處理和存放,吃、喝、拉、煮也在大院裡完成的模式很普遍。在冷水村,這樣的大院有五個。外來打工人口守望相助,老鄉們共同居住,形成大院;大院對於外界封閉,內部互動密切;大院同時是居住場所,也是生產勞動和交易空間。 ( 47) 胡嘉明和張劼穎兩位姑娘進入到這個封閉的空間,看到了內部的結構。 廢品場有一個獨特的現象,我們稱之為“組裝家庭”。……在他們共同生活的群落中,常有這樣的情況:不同的小家庭組合起來,合夥吃飯、娛樂;老中青三代不是一家人,卻坐在一起吃晚飯、烤火,共度一天不多的閒暇時光;還會相互提供各種生活、家務上的幫助,尤其是帶孩子。……組裝家庭為社群的成員提供著情感的慰藉,也提供著生活的便利和支持。……對於其中的某些居民來說,這裡就像是他們的家園,甚至像老家一樣。( 50) 在書中,冷水村這個社會的末梢呈現出豐富細緻的社會結構。比如,同樣是依靠廢品為生,有人拾荒,免費;有人“包樓”,付費。四川人與河南人有不同的風格。五個大雜院也各有不同。人們通常可能會覺得,收垃圾是件簡單的事兒。但是書中指出,收垃圾是一個複雜勞動。除了要付出體力,還要迅速判斷廢物的價值,決定收不收,用多少錢收;要知道哪些東西去哪兒賣,還要記住隨時波動的價格。不然,會賺不夠錢,甚至虧本。 冷水村自身還直接體現了上下游關係的分形結構。作為北京的下游,冷水村內部有著複雜的結構。村裡有一個國營企業,是一家附設了民用和軍用產品車間的國有研究所。這曾是村裡的最上游。村裡大多農民工都曾在所里打工。所里有一些“正式”工人,享受社會主義福利,包括住房──這個國企的家屬院,當然也是上游的一部分( 105)。下游是大片的平民平房,除了留守農民外,都出租給外來人,全村“八成的居民是每天往返北京城裡工作的農民工”。(102)下下游是本書的主角,幾個超過一千平米的大院子,成為“廢品生活”發生的場所。(103)讓村民意外的是,2009年,部分農地被征,建起來一群豪華別墅。一下子躍居冷水村最上游:人造歐式風景,五星級會所,與平民平房只有一渠之隔。(106﹣107) 城鄉交合區最獨特的是它進一步集合和壓縮這些“斷裂”的空間,把不同的時代、文明和發展進程,壓縮在一個很小的區域裡。在這裡,農民工平房還沒有抽水馬桶,富人別墅可能已經是智能家居。這裡有些工廠以最原始的勞動密集模式運作,一方面有廠子卻以科技機械營運。在單位的家屬院一邊,可能是新蓋的豪宅,另一邊可能還是老農民的四合院。這種種斷裂的社會關係、勞動模式和發展水平,卻在同一個空間裡互相對立、並存。 ( 109) 這段描述中的發展主義我并不認同,不過,其中清楚地表現了社會末梢的分形結構。 4. ANT,圍繞垃圾建構起來的生活 序言中提到了卡龍( Michel Callon)和拉圖爾(Bruno Latour)的行動者網絡理論( Actor Network Theory, ANT),這倒是應了我專業。拉圖爾是科學知識社會學(SSK)後期的重要人物,他和卡龍的ANT理論影響頗大。這個理論的核心概念是Actor,翻譯成行動者,並不十分妥帖。當然,兩種語言不可能存在完美的對應,翻譯總是包含著偏差和誤讀。英文actor最常見的意思是演員,而且是男演員。一个actor,在一個事件中,不是完全被動的,而是有行動能力的,是能夠對事件進程發揮作用的。在ANT理論中,actor不僅包括人,還包括非人類動物,以及環境、物體。ANT理論影響大,爭議也大,同時也多誤解和誤讀。即使是專業同行,也不能例外。為了寫作此文,我專門找出卡龍的早期文本。 通常認為, ANT最有啟發性的部分在於,把非人動物以及環境、物體與人相提並論,視為有行動能力的主體,而不是被動的客體。在我們通常的觀念里,只有人是事件進程中的核心。所以以往的社會學家更著重討論生產、分配;平等、壓迫;階級、階層……各種相對穩定的角色。不過,這樣的理論並非絕無僅有。 比如傳媒學者麥克盧漢的名言:“媒介就是信息”。一盞電燈掛在房子中間,不說話,卻讓人的生活圍繞它重新建構。人造光源使人不再日出而作,日落而息,而是按照固定的時間上下班。 具體到《廢品生活》中的世界,垃圾不僅不是被動的物品,反而是處於最核心的角色。正是垃圾,使得這 25戶人家從不同的地方來到冷水村,構建了以垃圾為核心的生活。在書中,常常可以看到ANT理論的影子。 垃圾在我們的研究中,就是這樣一種具有建構性能力的“能動之物”( actant)。垃圾被城市空間排除,城市空間保持了其現代化、衛生、潔淨的特徵,以及其作為生產和消費場所的身份。垃圾被運輸到城市的邊緣──城鄉交合區,又建構了新的空間和社會關係。 ( 47) 書中描述了新的社會關係建構的過程。我們不妨做一個簡單的重構。在早期來到北京從事廢品收購、垃圾回收的人中,一部分人掌握了這個複雜勞動,積累了經驗,事業做大,於是把老家的親戚朋友帶出來,就出現了一個小社會。人越聚越多,這個小社會的細節越來越豐富。 為了工作方便,節約成本,拾荒者的生活空間和工作空間是合二為一的。他們需要每天長時間和垃圾打交道,生活也會圍繞垃圾來安排,例如和垃圾相處,就決定了他們甚麼時候以及如何吃飯、清潔、休息,穿著甚麼樣的衣物,以及使用甚麼樣的生活用品。如此,生活、工作和垃圾融為一體,就形成了聚群而居、在這個空間中又工作又生活的獨特形態。聚居的群落,也結成了相互交織的緊密的關係網絡。 ( 48) 一個以垃圾為核心的社會就這樣生成了。這個社會是有活力的,具有自組織能力,也能夠生長出更多的細節。比如,會有為他們服務的小吃店、雜貨店(同樣非正式,沒有執照),以及黑車。 5. 隨時崩塌的生活 精讀卡龍的文本,我發現, ANT的高妙之處還不止於此。 通常人們認為,存在一個不以人的意志為轉移的外部客觀世界,這個客觀的世界存在一個同樣客觀的規律,仿佛冥冥之中存在一塊刻著真理銘文的石碑,科學家只是石碑的發現者,他們的任務無非是用拂塵和抹布把石碑上的泥土擦去,讓預先刻就的銘文呈現出來。這種意象的真理銘文,只能是上帝刻上去的。不過,按照 SSK的觀點,科學家只是科學知識的生產者,他們手裡拿著的不僅是拂塵和抹布,還有錘子和鑿子,上面的銘文是他們刻上去的。 也就是說,並沒有一個預先存在的確定的知識。 ANT把這個邏輯推廣到社會關係上。功能主義社會學把社會視為由一些相對穩定的角色(roles)構成的實體,角色之間有相對穩定的關係。社會學家的任務是把已經存在的關係發現出來,闡釋出來。ANT討論的是actor,按照SSK的邏輯,無論是actor還是他們的關係,都不是預先存在的,更不是固定的,一成不變的,而是在相互的交往中生成的,並且處於變化之中。 《廢品生活》中所描寫的各種人物,他們與垃圾的關係,也都不是固定的,確定的,是在變化之中的。 不少廢品從業者都有過這樣的遷居史:本來住在二環,後來遷到三環、四環、五環、六環的頤和園附近,最後落腳在六環外的冷水。我最初以為他們是農民工,對北京市毫不熟悉,慢慢發現他們才是老北京,見證北京的發展軌跡的同時,不斷被邊緣化、農村化,每一次城市化的擴張,都把他們擠向外圍。 ( 104) 他們的生活在變化,他們與垃圾的關係在變化,他們與城市的關係也在變化。於是這本書所描寫的,只能是在變化的過程中的一個片段,既不是起點,也不是终点。 有的家庭已經在北京生活了二十多年,他們熟悉這個城市,但是這個城市從來不屬於他們。儘管,每個家庭都是 actor(或actant),有一定的主動權,有一定的行動力。不過,他們的主動權和行動力都是非常有限的。他們在冷水村的住處,隨時可能被征用,被推倒。他們只能被動地應對這類變化,遷往更遠的地方。 這種“被”的生活,“非”的生活,使他們無法制定長遠的規劃。 ……這些在城市邊緣討生活的人,是多麼容易改變主意。他們多面習慣於沒有計劃,或者隨時改變計劃,不管是長遠的還是近期的。……很多時候,他告訴你一個日期或者一個計劃,但後來你發現他並沒有真的那麼做。不需要問,每個人的計劃都在變動當中。沒有人能肯定未來的打算。 ( 58) ANT深刻的地方還在於,那些試圖“揭示”、闡釋、闡發這些關係的學者,也是一個actor。在這個意義上,《廢品生活》所描述的,其實是兩位作者觀察到的現象。而她們的觀察,參與到了她們所觀察到的現象之中。在長時間的調查、訪談中,她們本人,也成了冷水村的“非正式”成員,她們出的主意也會收到重視,對被調查者的生活產生影響。(62) 6. 物質和能量轉化鏈條的末梢 印象派大師高更有一幅畫,題為“我們是誰,從哪裡來,到哪裡去”,當我們對都市中的一切物品,不斷追問這個問題,就會發現,都市中的一切,歸根結底,都來自於森林、礦藏和天然水體(低熵狀態的物質和能量);在被廢棄之後,又成為各種形態的垃圾(高熵狀態的物質和能量)。工業文明如同一個熱機,把大自然轉化成垃圾場,熱機的功率越大,技術越發達,轉化垃圾的能力越強。從大自然到垃圾場是一個“能物流”。人類社會,作為一個熱力學系統,依賴著這個能物流。任何人要在城市里生存,都要從這個能物流中截取一部分。顯然,在物質和能量轉化鏈條的上游,能物流如大河一般,密度高,流速快;到了下游,到了末梢,就變成娟娟細流,獲取同等能量和物質需要耗費更多的成本。 能物流的前端必然進入社會建制化的管道,被優先分配,這就是“正式經濟”。剩下的部分,就是“非集”了。“非正式經濟”只能從建制化管道的縫隙中截取漏出來的能物流。廢品和垃圾原本是能物轉化鏈條的末梢,是被拋棄的部分,而廢品回收則要對這個末梢再次分割,提取價值。 書中引用了 Joshua Goldstein的研究,在計劃經濟時期,垃圾回收曾經是正式經濟的一部分。1950年代,大約有7000名從事垃圾回收的個體組建為一個叫“北京市廢品回收公司”的國營單位(xv),後來改名為“北京物資回收公司”。2000年后,這家公司“逐漸把原本駐紮社區的回收站,變成地產開發點和出租車公司項目,原來全市兩千多個回收站降為後來的幾個,也順理成章地把單位的老員工分配到新的業務上”(xvi)。國營回收單位一方面壟斷著重型金屬的工業回收,一方面開發新業務。“薪水福利好的國企工人,不願意也不需要在全市迅速增長的小區生產的垃圾堆里尋找、分揀、跨城運送可回收物品。這種勞動力成本和投入都超高的工序,在這二三十年由十幾萬農民工一力承擔。”(vii)有意思的是,北京物質回收公司也曾嘗試吸納農民工為其工作,“給他們穩定工資、制服、規定工作時間等等,但是這種嘗試大都以失敗收場,收廢品人根本不願被收編到體制裏。”(xvii)這種收編的努力一直持續到今天。不過,顯然,在廢品回收這個領域是明顯的國退民進。 兩位作者在一個腳註中說,“非正式經濟”是“指政府和正規資本都不介入的經濟領域”( 11)。“政府不介入是因為它不屬於認為應該提供的服務,而政府要管理這些活動又成本太高;正規資本不介入是因為利潤太低,由於無法集約生產,成本太高。”(11)其實在我看來,政府不介入與資本不介入的原因是一樣的:麵包渣太碎了。 雖然,麵包屑對於人來說,已經過於零散,撿拾成本太高,但是對於螞蟻來說,還可以看做是富礦。“蟻民”依靠能物流的末梢生活,要付出更大的代價,放棄更多的權利。 如前所述,熵增加是不可逆的。從本以高熵狀態的廢品和垃圾中,析出部分低熵物質,必然會導致周邊環境更大的熵增。從宏觀上看,這項活動一定是以環境污染為代價的,空氣污染、水污染都在所難免。對他們自身而言,難免要付出自身和下一代的健康。 拾荒的工作和生活環境,確實令初來者難以忍受。地面無處下腳,下雨會把整個院子變成坑窪的泥沼,而僅僅是垃圾裡面流出來的膿液,也會讓地面濕滑不堪。當然,進入這個空間,最受到衝擊的首先是嗅覺。撲鼻而來的那種垃圾特有的酸臭氣息,衝進口鼻,強烈的味道令人窒息作嘔。在這樣的空間待得久一點,會令人頭暈。 ( 45) 就這樣,非正式的人,從事非正式的經濟,過著非正式的人生。 而即使這樣的生活,也能吸引他們離開家鄉,可以推想,鄉村的退化該是何等嚴重。 7. 自由,尊嚴與夢想 不久前,在一個鄉建活動中遇到歌手孫恆,他為大家唱歌,他說,當富士康十三跳之後,他再也坐不下去了,他要為他們寫一支歌。人不是機器,每個人都有尊嚴。 胡嘉明和張劼穎在調查中發現,冷水村很多人剛來北京時,都曾在國有研究所裡打工。但是一兩年后,紛紛跳槽。國企雖然位于冷水村食物鏈的上游,但是真正享受這個上游的是國企里的有編制的正式人員。而他們,作為“非”的合同工,只是這個上游中的下游。這時,對於他們來說,村里的廢品回收行業,反而成了下游中的上游。“ 收廢品正是一個需要一定市場資料和勞動技能,又能獲取高工資的行業。”( 106) 顯出上下游分形結構的複雜性。 更有意思的是,差不多所有放棄當工人的,都跟我們說希望更自由一些。( 106) 在這本書里,“自由”是一個關鍵詞,在不同的地方反復出現。 事實上,這一點令人驚訝──這個大院幾乎所有的拾荒者,都喜歡說自己“自由”。“自由”在這裡是如此高頻出現的詞語,令我們不得不重新理解,自由對他們來說,到底意味著什麼;自由和垃圾,又有著怎樣的關係。( 86) 在程大叔的故事中( 85﹣94),兩位作者寫到,程大叔很少真的不出門工作,每天長時間在外面奔波,沒有節假日,嚴寒酷暑、颳風下雨也是每日照舊,“自由度”並不大。不過,相比于在工廠打工,兩位作者總結到:這種自由首先是“給自己打工”所帶來的安全感,不用擔心隨時會被辭退,會被拖欠工資,只要勞動就有收入,並且可以迅速變現;另一方面,這種自由來自那種自己做決定、自己安排時間的“當家做主”之感。(87) 在這裡可以看到,自由與尊嚴是聯繫在一起的。在工廠打工,處於工廠食物鏈的底端,地位卑微,長期被忽視、被冷漠、被剝奪,要忍受與“正式工”同工不同酬的屈辱,大多數人沒有升遷的渠道,更何況工資並不算高。雖然收垃圾也會頻繁遭到白眼、鄙視、屈辱,但是,它們並非來自同事與上級,心裡感受大為不同。 作垃圾生意十幾年,程大叔算得上是個行家了。任何你想得到想不到的東西,他都會告訴你用途和銷路。舊球鞋的底會拆下來,賣到橡膠加工廠;舊衣服可以用來做被子的填充物──當然,這被子並不是給人蓋得出,而是大棚裡蓋蔬菜用的;完全沒有腐敗的食物,還可以賣到養豬場餵豬。 ( 88) 從這番描述里,可以感受到,程大叔熟悉自己的工作,也從這個工作中獲得了尊嚴。他是專家,是他在掌控自己的工作,而不是被工作所掌控。 與尊嚴相關的,還有生存的價值和意義,以及夢想。 故事的主人公也不認為“廢品生活”是一個正常的生活,他們很多人都有一個理想中的故鄉。他們把北京的生活當做臨時的生活,他們忍受這種生活,是為了回到故鄉。很多人拼命賺錢,在家鄉建一個大房子。王大哥甚至在家鄉縣城的高檔小區裡買了一個電梯房。( 29﹣30)。他們把家鄉的房子裝修得極為現代,家具家電,廚衛設施,一應俱全。而在北京則是各種應付。與廢品和垃圾生活在一起,也的確難以講究太多。但是實際上,家鄉的那個大房子好房子,他們往往只能在春節時才能享用。北京的“臨時的”房子,卻是他們生活時間最長的地方。王大哥的電梯房他更多地是在視頻中享受(29),程大叔家裡的新房子空無一人,還要付錢請鄰居幫忙看家(93)。 他們長期“臨時地”生活在北京,但是他們生存的意義要在很少回去的家鄉里獲得,恰如米蘭.昆德拉小說的名字:生活在別處。 然而,家鄉,他們實際上已經回不去了。 8. 無處可退:鄉村的風化與崩解 春節後一次飯局,劉成紀教授說起回老家,說等村裡的老人都走了,老家就回不去了。我說,主要是因為沒有祠堂了。 中國自古皇權不下縣,縣以下鄉紳自治。鄉紳是傳統文化的繼承者,是地方社會的組織者。在鄉紳階層整體消失之後,鄉間失去了傳統的自組織力量,也失去使自己得以作為自己的文化力量。在全球化的狂風之中,傳統鄉村迅速風化,崩解。 1980年代之後,中國全面走向市場經濟,而農民的市場經濟地位一直是不清楚的。人民公社解體,土地重新分給農民,但農民並不擁土地的所有權,只擁有幾十年的使用權。農民仍然不能為自己生產的糧食定價。農民在土地上勞動一年的收入,還不如進城打工一個月。義務教育普及,新一代農民接受更多的教育,有更多的能力去城裡打工。而城市膨脹,也需要農民進城從事下游的工作。他們召之即來揮之即去,價格低廉的工資甚至還要拖欠、抵賴。 從單一單向的工業文明的發展主義看來,傳統的文化都是落後的、陳舊的、迷信的,沒有價值的,應該丟棄的。 1950年代之後,在全國一統的制度化教育中,預設了發展主義、進步主義、科學主義的價值觀,多樣性的文化失去了傳承的正規渠道。相反,農民的孩子受到的學校教育越多,學得越好,越看不起自己的傳統。我把這稱為“傳統地區的教育學悖論”。城市代表進步,鄉村代表落後。使得農民在自己的家鄉失去了意義 。鄉里小學的好學生,被認為應該去縣里讀中學;縣里中學的好學生,該去省城、北上廣讀大學;當然,大學生又把出國當做下一個目標。 新一代農民對於土地越來越疏遠,越來越沒有感情,越來越不會做農活。尤其是那些讀了高中的學生,在人生成形的青春時代,沒有用來向父輩學習在土地上耕作,而是用在學校──學習那些首先用來備考大學的知識上,一旦考不上大學,就成了徹底的邊緣人。沒有能力也不甘心回到農田,只好成為城市里飄蕩著的邊緣人。 歌手孫恆在農村長大,上過大學,做過音樂教師,做過流浪歌手,後來創辦了北京工友之家,找到了自己的生活意義。任職北京工友之家的呂途博士寫了兩本關於農民工的著作:《中國新工人:迷失與崛起》和《中國新工人:文化與命運》。他們拒絕使用農民工這個詞,認為其中包含歧視,也不準確。他們認為,這個詞在 1980年代用來描述那些在農閒時進城打工的農民還算恰當,而現在這些人從來沒有從事過農業,甚至就在城裡出生,所以他們發明了一個新詞:“新工人”! 既不同於曾經作為統治階級的國企工人,也不是農民。有時,他們也採用打工者,工友來代替。 新工人這個概念似乎還不能包括《廢品生活》故事中的主角,但他們的境遇是相似的。都是第一代離開農村,在城市的邊緣生活,差別只在一者服務于“正式經濟”,一者服務于“非正式經濟”。相對於城市“主流社會”而言,他們有更多的共性。就如呂途和北京工友之家所總結的,城市是“待不下的城市”,家鄉是“回不去的農村”,只好“迷失在城鄉之間”。胡嘉明和張劼穎也提出了類似的問題。 他們的下一代,更加難以回去。他們所能做出的最大的努力是,讓下一代上學,讀書,離開“廢品生活”。比如馬大姐,堅決不讓兒子碰垃圾,一下也不能碰( 18)。不過還有很多人的後代,轉了一圈,又回到冷水村,與垃圾為伴。 其實可以說,小玲是在這個院子長大的,這裡的人都是她的四川老鄉或者親戚,雖然中間回老家上學,但是放假又會回到北京和父母一起。可以說,她不像一般的農民工“京漂”。反過來,她本來就是在北京長大,北京有太多她的成長記憶。她後來回四川上學、結婚、生小孩,然後又回到北京“老家”,跟一直留京的四川親戚鄰居“重逢”。 ( 69) 回不去的原因是雙向的。一來,他們的關係、人脈、圍繞垃圾建構起來的生存技能,在家鄉完全沒有用武之地( 72);二來,家鄉已經被風化了。 在文化上,鄉村已經普遍地喪失了自組織能力,不再能為她的子孫提供生活的價值和意義。生態上,經過了三十年的工業化農業,農田已經變成了污染源。環境上,作為工業文明食物鏈的下游,鄉村成為工業文明廢棄物的終端。在他們建在家鄉的大房子外面,隨處可見的很可能是農藥瓶子、化肥袋子,不知來處的建築垃圾,乃至於工業廢棄物。 這種現象是詭異的。他們在都市里過著“廢品生活”,努力減少著都市里的垃圾,而在他們夢想中的家鄉,在他們寄託價值和尊嚴的大房子外面,是另一個垃圾的世界。 她昂著頭,高跟鞋踩過垃圾場,就像是冷水村這個多元社會的絕妙 詳細論述參見田松,《有限地球時代的懷疑論──未來的世界是垃圾做的嗎》,科學出版社,2007年。 詳細論述參見:田松,垃圾,《今天》雜誌,2011年春季號,pp284-306 參見田松,何以知其然也──上帝視角與相對主義,《科學與社會》,2015年第四期,pp62﹣69 田松,在自己的家鄉失去意義,《稻香園隨筆》,上海科技文獻出版社,2014年,第52頁。 呂途,《中國新工人:迷失與崛起》,法律出版社,2013年,第002頁。
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大自然中的蒙特卡罗模拟(一)
热度 5 zhongwei2284 2017-2-14 05:08
第一节:随机行走(以二维做为为例子) 大自然中许多运动过程都是随机的,最为我们所熟知的是布朗运动,小的花粉颗粒在水中,由于受到了随机的作用力而在水中进行着随机行走,除此之外,随风飘零的落叶,蚂蚁在找寻食物,动荡的股票,甚至醉酒的路人的走路等等都是随机过程。 图1:醉酒者进行随机行走 大自然中充满了那么多的随机运动,为了了解它们更加深刻的美丽,我们需要学习如何研究它们,其中一个办法便是蒙特卡罗模拟。蒙特卡罗模拟是先对研究对象进行仔细的分析,然后产生一系列随机数,并建立所需要研究问题的模型,进行多次随机实验,让我们需要了解的物理量是模型中的某些量的平均值或者和这个平均值有关的量,进行分析和计算。 回到随机行走的话题,关于随机行走,可以分为三类,第一类是简单的随机行走(random walk),假如有一个灰尘粒子,在空气中做随机行走,不考虑重力的影响,灰尘向各个方向运动的几率都是一样的,如在二维空间中,粒子有四种选择,即上下左右,每个方向的概率都是0.25,此时我们关注的物理量如r^2(r是n个步长之间的距离)就可以利用计算模拟得到r^2~x1,x为n个步长。结果如图2,图3所示: 图2:简单抽样的随机行走,不同的颜色代表不同的时间段粒子的行走路线。 图3:(上)简单的随机行走的x,y随着时间的变化的结果;(下)n个步长的距离与n个步长之间的关系 当粒子变得更聪明了,即有了简单的记忆之后,就可以变成更加复杂一点的随机行走,例如人走路,每一步会时而左,时而右,总体方向朝前,几乎不会原地连身体都不转一下就朝后行走(除非有目的的朝后走),又例如,一款经典的小游戏—贪吃蛇中,蛇可以向前,向上,向下行走,但是,它不能直接向后,即此时随机行走有了一定的记忆性,它记住前一步的位置并避免朝回走(non-reversal random walk)。这种随机行走在模拟中有两种不同的方法,第一种是在粒子做选择的时候,依然朝四个方向的几率相同,当选择到了前一步的位置的时候,则进行重新选择,直到朝其他方向走去为止,此时每进行一次选择,都需要判断是否是前一个位置,如果是重选,如果否,则新的位置变成了前一步,继续往前做新的判断和选择;第二种办法就是记住前一步的具体位置,直接排除这个位置,只在三个方向中进行选择,每走一步,把该位置记住,下一次直接排除它。两种办法虽略有不同,但是结果是相同的即反映出来的规律是一样的,如图4,图5所示: 图4:两种不同的方法的不返回随机行走。上边是第一种办法即每次四种选择,若选择了前一步的位置则重新选择,下边的是第二种方法即先记住上一步的位置每次做选择只有三种可能。 图5:不同的方法得到的不原地折返的随机行走的r^2,x^2,y^2的规律 图4两张图只能反映粒子的轨迹,看上去似乎两种方法结果不同,但是这仅仅是表面看到的结果,实际上从图5可以看到,实际上两种方法得到的结果是相同的。 那么进一步,当粒子不仅仅能够记住之前的一步的位置,而是此时,粒子的记忆力增强了,它记住了自己走过的所有地方,由于一种特殊的爱好,这个粒子只喜欢新鲜的没有走过的位置,即每次粒子都不能够再走那些它走过的地方。此时称之为自回避随机行走(self-avoiding random walk),这个时候,粒子变得挑剔,也正是因为这样,往往会把自己陷入死胡同,因而,如果用简单的抽样办法,粒子的行走很快就会因为自己的特殊爱好而终结即无路可走了,如图6所示,如何解决这个问题呢?这将在下次介绍。 图6:自回避随机行走的结果,粒子从(0,0)点出发,经过六十多步之后,行走便终止了。 第二节:DLA模型与大自然中的奥妙 当了解了随机行走,我们会发现还有很多其他现象与之有关,例如一个著名的随机模型:DLA(Diffusion Limited Aggregation)模型。该模型最早是用来解释粉尘的沉积与静电击穿中产生的美丽花纹的。它让我们感受到了那些深层的美丽,即使这个模型本身并未加入过多的物理因素,但也正因如此,它得以在许多不同学科中被运用。 假如我们有一个粒子,把它当作一个核(也称为种子),而在离核有一段距离的地方(选在某个圆环上的某处)产生一个粒子,让粒子进行随机行走,如果粒子走出了圆环,则将其抛弃,如果粒子接触到了中间的核,则加入它称为它的一部分,然后再产生一个新的粒子,进行重复以上过程。当产生了足够多的粒子之后,美丽的花纹便出现了。 图7:DLA模型中粒子聚集产生的花纹 如果它仅仅只是美丽的,那事情就该结束于此了,毕竟,许多人用计算机可以绘画出许多惊人的图片,然而,DLA模型的结果与大自然中或者实验室中的许多现象如细胞的凝聚生长,化学中的凝聚,物理中的静电击穿等等惊人的相似,并且它们的过程也很像,DLA模型为我们研究其他现象提供了计算模拟的办法,此时不得不提及该花纹与分形的联系,这个美丽的花纹和许多分形的图案一样,是分形的,可以计算分形位维数,有兴趣的可以去进一步了解。 图8:实验中的观察到的DLA花纹。 第三节:玻璃上的冰花,落在上面的雪与冰在水中的生长 图9:(上)落在车窗上的雪;(下)玻璃上的冰花 。 图10:冰在水中的生长。 大自然总是充满了美好与神秘,如玻璃上的冰花,落在车窗上面的雪与冰在水中的生长,它们是如此的美丽,而从某种角度来看,它们又可以看作是一种随机过程,以雪花落在竖直的车窗为例,雪花在空中飞舞,由于重力的作用,雪花朝下的几率比较大,但是风带来的扰动让雪花依然可以朝左右甚至向上运动,而风是随机的,因而落在窗户上的位置因该也是随机的,但是长时过后,许多雪花晶体的飘落在车窗,竟然呈现出的是一种有规律并非完全覆盖车窗的结果,似浪潮又似网格式的排列,实在太美! 为了模拟类似的景象,假如考虑二维的情况,让一个粒子在二维网格的中间出发进行随机行走,当粒子接触两边的边界或者接触到其他粒子的时候,粒子停止不动,加入其他粒子或者自己变成了一个新的核,得到了图11的结果。 图11: 粒子在中间开始随机行走 大自然总是充满了各种奥秘,如果你想去发现它,那就停下脚步,去细细品味其中的美与乐趣吧! Reference: James P. Sethna,Statistical Mechanics:Entropy, Order Parameters, andComplexity,Oxford University Press,2006. http://all-free-download.com/free-photos/download/ice-flowers-glass-window_274167.html K.Binder,D.W.Heermann, Monte Carlo Simulation in Statistical Physics(5th),Springer, 2006. 最后,有几张生活中的小图片与大家分享:
个人分类: 那些贝壳们|16188 次阅读|6 个评论
跨越50年的尺度效应疑案
热度 5 yufree 2016-12-18 23:15
1947年,生物学家Max Kleiber 发表了一篇题为《body size and metabolic rate》的 论文 ,在论文中提出了一个克莱伯定律:对于哺乳动物,其基础代谢速率与体重的3/4次幂成正比。这其实是个观察得出的规律,搭上眼一看可能觉得没什么,但其实问题就出在那个3/4上了:理论上不应该是3/4,而应该是2/3,而且从19世纪人们就认为应该是这个数。 作为一个生物体,我们的物理构造受限于基本的物理规律,例如散热。生物一般具有细胞结构(病毒朊病毒就别来添乱了),对生物而言,维持正常的生理活动需要呼吸作用提供能量,当然也要有热量产生,前者可以用需氧量来衡量,后者自然跟前者成正比。那么能量供应与热量产生必然是要有一个平衡的,例如身躯庞大,能量供应多,热量也会多,如果热量不能及时散出去或者散热太快,那么细胞温度就无法维持,生理功能也就受到影响。那么能否用这个平衡构建一个代谢速率跟质量的简化模型描述呢?可以。 我们把整个哺乳动物想象成一个直径为d的球,那么不考虑密度差异,球的质量跟体积是成正比的: 质量正比于体积正比于d的立方 同时,这个球的散热应该是跟表面积成正比的: 表面积正比于d的平方 散热跟代谢速率是成正比的,那么有: 代谢速率 正比于 表面积 正比于 d平方 正比于 d立方的2/3次方 正比于 质量的2/3次方 其实想象成立方体也不会改变结论,代谢速率与质量的对数作图,会得到斜率为2/3的直线。 但克莱伯定律告诉我们(如下图的回归分析),这个数是3/4。 更有趣的是,不仅仅哺乳动物,如果你把低等生物甚至单细胞生物也考虑进来,这个斜率还是3/4: 那么问题来了:上面哪个假设有问题呢?或者说怎么才能假设出一个3/4的尺度效应呢?这个问题等了50年才等到一个答案。 1997年,James Brown 等人在science上发表了一篇题为《 A General Model for the Origin of Allometric Scaling Laws in Biology 》的论文,论文给出了一个基于生物体物质能量输送方式而简洁明了的解决方案,这个方案有三个基本假设: 进化压力下,生物体倾向于使用耗能最少的方式来传递物质进行新陈代谢; 如果要想把生物体用一种输送方式填满,最有效的就是有自我相似性的层级管道; 只在输送管道的末端,营养与物质交换是跟体积相关的。 如果你有一个三维实体,他需要各个部位都可以得到某一区域摄取的物质与能量,那么填充管道最节能的方法就是找一种有边界的输送方式,进化给我们的答案就是分形结构。我们的循环系统就是由动脉,静脉及毛细血管组成,这基本可以看作是分支结构。而对绿色植物而言,其物质输送方式是维管束,也可看作一种自我相似性的层级管道。最后一个假设是对计算最关键的,输送管道末端的物质能量交换对于各种生物体应该是相对一致的,但因为生物体大小不一致,层级数也就不一致,是这个联系了生物体质量与代谢速率。 那么如何联系?考虑一个典型的分支结构,每个节点都是从一个分到n个,有m层,最底层会有 个分支,在这一层上已经不能再分了,或者说继续分也无法将物质能量输送到更多的空间里,这是分形的边界。而在分支的末端代谢速率是恒定的,如此有: 代谢速率正比于末端分支个数 那么末端分支个数跟生物体质量如何联系呢?从分形的角度看就是已知节点的分支策略,求解这样的分形能占据多大的体积,而体积也就跟质量正相关了。对一个具有自相似性的结构,子结构是母结构的重现,那么在一个空间里如何填充呢?首先子结构的长度应该是按照固定比例缩短的,其次子结构的内径也应该是按比例逐渐缩小的,James Brown设定前者的比例A跟分支数n的1/3次方成正比,后者的比例B跟分支数n的1/2次方成正比,而伸展空间的大小正比于A的平方乘B,那么有: 质量正比于 正比于分支个数的4/3次方 如此有: 代谢速率正比于末端分支数正比于质量的3/4次方 相信你看完后会跟我有类似的感觉:这不是生造出来的吗?但其实还是有比较严密的推理的,感兴趣看原文,不感兴趣我大致说下思路。 末端分支的体积正比于内径的平方乘上分支长度,总体积就是不同层级m上各个分支体积之和,而基于自相似性,求和后的总体积正比于不同层内径比例的平方乘不同层长度比例,这就是伸展空间大小正比于A的平方乘B的来源。 那么底层分支长度跟高一层的分支长度的比例也就是A如何跟分支数产生联系呢?在分形结构末端,两层的分支总体积几乎相等,而每层分支体积可以看作分支长度为内径的球体体积乘个数,求比例可以发现分支长度比例的三次方(球体体积公式)等于节点的分支个数n,也就是A跟分支数n的1/3次方成正比。 同理,分形里底层分支截面积之和等于上一层截面积之和,求比例可发现分支内经比例的平方(圆面积公式)等于节点的分支个数n,也就是B跟分支数n的1/2次方成正比。 这样我们就得到了自然界中尺度效应里那个3/4。 从假设为球体或立方体到思考体内物质能量交换过程,对一个客观事实给出合理解释是不容易的。但今天讲这个并不是说后面那个是对的,其实最新的实验证据并不能很好的区别到底是2/3跟3/4,各有各的解释空间。但这个研究是很具有启发性的,有限空间内部的有序物质能量交换可以说是生物体的一个特性,当初研究尺度效应的研究人员现在把研究手段放到了另一种“有机体”——城市上面。社交网络、交通规划、管道流控…总有些自发形成的规则等待人们去探索。
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大自然的形状:分形
maximusd 2016-7-25 11:28
一、英国的海岸线有多长 这好像极其简单,因为长度依赖于测量单位。以 1km 为单位测量海岸线,得到的近似长度将短于 1km 的迂回曲折都忽略掉了;若以 1m 为单位测量,则能测出被忽略掉的迂回曲折,长度将变大,测量单位进一步变小,测得的长度将愈来愈大,这些愈来愈大的长度应该会趋近于一个确定值,这个 极限值 就是海岸线的长度。 真的会有这个极限值吗? 美国科学家曼德勃罗发现:当测量单位变小时,所得的长度是无限增大的。他认为海岸线的长度是不确定的,或者说,在一定意义上海岸线是无限长的。为什么呢?答案也许在于海岸线的极不规则和极不光滑。 1967 年,曼德勃罗在美国《科学》杂志上发表了一篇划时代的的论文,《英国的海岸线有多长?统计自相似性与分数维数》,提出要定量地分析像海岸线这样的图形,必须引入分数维数的概念,随后在著作《分形 : 形状机遇和维数》中正式提出分形的概念。 二、分形,分形几何 分形是对没有特征长度但具有一定意义下的自相似图形和结构的总称。分形几何是一门以不规则几何形态为研究对象的几何学,是研究斑痕、麻点、破碎、扭曲、缠绕、纠结的几何学。 分形最大的特点就是自相似性,即从整体上看,处处不规则,没有特征尺度和标度,但是在不同尺度上的规则性又是相同的,即局部与局部、局部和整体在形态有自相似性。例如雪花,闪电等等。分形用分数维数来描述和研究。 三、大自然的自相似性与分形 分形的自相似性反映了自然界局部与局部、局部与整体在形态、功能、信息、时间与空间等方面的具有统计意义上的自相似性。可以这么说, 自然界是以分形的形式存在和演化的。 分形无时无处不在,应用非常广泛,例如地球科学领域中海岸线与河流的分形、地震分形、矿藏分布分形、降水量分形等;生命科学领域中核酸结构分形、蛋白质结构分形、肺泡结构分形、微血管结构分形等;社会学领域中经济系统分形、经济收入分配分维、金融市场价格的分维。 分形在大自然中的普适性被发现以后,在各个领域得以拓展,例如分形美学、分形艺术、分形建筑、分形音乐等等。圣达菲研究院的斯图亚特·考夫曼说:“宇宙何处不是家?”感官上的自相似性以及自然和艺术之间的差异给我们灵感,这种灵感更为形象生动。 敬请持续关注我们的微信公众号,将为您带来更多分形的信息,以及在生物医学中的应用。
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何以解道,道法自然。“非线性科学与医学沙龙”开篇寄语
maximusd 2016-4-5 16:50
一、道生一,一生二,二生三,三生万物,何谓道? 大约135亿年前,经过所谓的“大爆炸”之后,宇宙物质、能量、时间、空间有了现在的样子。宇宙的这些基本特征,就成了“物理学”。 大约38亿年前,在这个叫做地球的行星上,有些分子结合起来,形成一种特别庞大而又精细的结构——有机体。有机体的故事,就成了“生物学”。 大约7万年前,一些属于“智人”这一物种的生物,开始创造出更复杂的架构,称为“文化”。 大约1.2万年前,“农业革命”让历史加速发展。 大约500年前,“科学革命”,人类开始取得前所未有的能力,整个地球形成单一历史场域(引自《人类简史》,赫拉利)。 在宇宙演变的历史长河中,生命是如何产生的?是通过什么机制实现了从单纯的物理世界到原始生命?是通过什么机制实现了从原核生物演化到复杂的多细胞生物?是通过什么机制实现了从原始动物性到身心合一的人性? 二、一花一世界,一叶一如来,或能解道 佛陀不愧是一位超越科学的大师,神经细胞的微观生长和宇宙的宏观演化是如此的相似。托马斯在《细胞生命的礼赞》中提到,细胞内有线粒体、中心粒、基粒和“其他各司其职的更模糊的微小生灵”,它们都有各自的历史和演化过程。它们以不可思议的方式结合在一起,成为完全互相依存的统一体。我们细胞核里携带的大量DNA,也许是在细胞的祖先融合和原始生物在共生中联合起来的岁月里,不知什么时候来到我们这里的。我们的基因组是从大自然所有方面来的形形色色指令信息的集结,为应付各式各样的意外情况编码而成。 生命的进化遵循着从简单到复杂的法则,从核酸分子到细胞,从组织到器官,从单一的个体到众多的人群。面对复杂的世界,我们抽丝剥茧、层层深入,探究“花”和“叶”的简单法则,或能以小见大、见微知著、洞悉未来。 三、横看成岭侧成峰,换个角度看世界,或能解道 医学生的世界观是这样形成的,从细胞生物学到微生物学,从解剖学到组织胚胎学,从生理学到病理学,从诊断学到内外妇儿。专业越分越细,而联系着从物理学到化学、从生物学和人类学到社会科学的学科间的距离越行越远。有没有一根这样的链条,涵盖着物理和化学的基础原理,能够通过简单的法则将生命科学和医学中被肢解的模块重新串联在一起呢? 站在不同的视角,我们能看到不一样的世界;换一种思维,我们会收获到另一个秋天。为了寻找和探索这样的法则或链条,我开通了这个博客,也建立了“非线性科学与医学沙龙”微信公众号,希望通过这样一个平台,汇聚物理、化学、生物学和医学等各类跨学科信息,展示非线性科学(混沌理论、分形理论、突变理论、协同论、自组织理论和复杂性科学理论等等)的相关理论以及在生物医学方面的应用。
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[转载]《自发进化》节选(70)
罗非 2016-3-20 10:27
分形——数学与后数学 因此,我们需要做的就是找出究竟是哪些数学被用来创造了宇宙,那么我们将能够了解我们是怎么来的,我们又将去往何方。因为我们正试图辨别环境的模式,特别是当它们涉及到生物圈时,我们需要发现自然用来将物理结构放入空间的数学。 这样的任务需要使用几何学,因为根据定义,这一数学分支专门关注空间中的结构的特性,量度和关系。几何学对于宇宙的组织而言具有如此的根本性,以至于在伽利略的觉悟之前很久,柏拉图就认为,“几何学在创世之前就已存在。” 直到 1975 年,普通公众仍然只熟悉欧几里德的几何学原理,它们总结在那 13 卷大约成书于公元前 300 年左右的古老希腊文本,《 欧几里德原理 》中。这就是我们大多数人在学校里学到的几何学,我们用它在绘图纸上画出各种结构,如立方体、球体、锥体等等。欧几里德几何使我们得以预测天体的运动,建造宏伟的建筑和园林,甚至建造各种飞船和尖端武器。 然而,欧几里德几何的数学公式并不能马上用于自然界中。比如说,使用标准欧几里德几何的完美形状,你能创造出一棵怎样的树呢?回想一下你在幼儿园画过的树,一个圆圈坐在一根细长的矩形顶上。毫无疑问,你的幼儿园老师承认它是树的某种表达,但是它无论如何也描述不出树到底是什么,就像用火柴棒摆出的小人描述不了真正的人一样。 在欧几里德几何和圆规的帮助下,你可以画出一个完美的圆。但你没法用欧几里德几何去画一棵完美的,或者至少是一棵真实的树。欧几里德几何也同样无法画出像甲虫、山、云、或者其他任何自然界中那些常见形体的结构。当需要描绘生命的结构时,欧几里德几何就相形见绌了。那么,我们到哪里去找柏拉图和伽利略所说的那种数学,那种可以描述自然界固有的设计原理的数学呢? 大约 90 年前,一位年轻的法国数学家加斯顿·朱利叶发表了一篇论文,报告了他关于迭代函数的研究工作。这篇论文为我们提供了一个线索。他所用的是一个相对简单的公式,只使用乘法和加法,无限地重复下去。要实际地把他的数学公式所编码的图象可视化,朱利叶将不得不解出该公式上百万次的迭代结果,这个过程会花掉他几十年的时间。因此,尽管朱利叶在数学意义上已经构想出了一个分形,但他实际上从来也没有看到过。 只有到了 1975 年,当朱利叶的公式在计算机的帮助下求出结果之后,其深远的意义才得以显现。法裔美籍数学家波努瓦·芒德勃罗在 IBM 计算实验室中分析了混沌系统的模式,他第一个观察到了这种朱利叶只能想象的东西。面对着由分形公式所产生的具有惊人的美丽、充满生机、并且无限复杂的图像,芒德勃罗充满了敬畏。他第一个观察到,分形图像具有重复的自相似模式,无论在何种尺度下研究时均是如此。他越是放大图像,这些结构看起来就越相同。 内在于分形图像的混沌复杂性之中的,是不断重复、相互嵌套的模式。那种国际流行玩具,手绘俄罗斯嵌套娃娃,为分形的重复图像本质提供了一个粗略的观念。每个更小版本的娃娃都与它外边嵌套的那个较大的娃娃相似,但并不一定完全相同。芒德勃罗引入了 自相似 这一名词来描述他在这种新的数学当中所观察到的对象,他把这种数学称为 分形几何 。 图 11-2. 俄罗斯嵌套娃娃代表了分形的重复图像。 芒德勃罗在他分形图像的复杂性中,看到了各种类似于自然界中常见形状的生动模式,如昆虫,贝壳和树木。在历史上,科学多次记录了在自然界结构中的不同尺度上出现的自相似组织模式。然而,在芒德勃罗引入分形几何学之前,这些自相似的模式都被视为仅仅是奇妙的巧合。 分形几何学强调的是整体结构中的模式与其各部分中的模式之间的关系。回想一下前文所说的关于海岸线的例子和关于枝叶、树枝和树干的例子。自相似的模式在自然界中随处可见,特别多见于人体的结构中。例如,在人的肺脏中,气道沿大支气管分支的模式在小的支气管,甚至更小的细支气管的气道分支模式中不断地重复。循环系统中的动脉和静脉血管,以及人体的周围神经网络也都显示重复的,自相似的分支模式。 由于分形几何是真正的自然界设计原理,生物圈本身在其组织的每个层面都显示出相互嵌套的自相似模式。因此,当我们观察并发现了一个组织在较高或者较低水平上的结构模式时,我们就可以像使用地图一样地使用分形原理。分形可以帮助我们洞悉该组织在任何其他水平上的模式。在生物圈中,人类进化的分形模式可以内在地显示出某种与自然界的组织在其他水平上的结构所经历的进化自相似的模式。 恩斯特·海克尔是与达尔文同时代的著名胚胎学家, 1868 年,他在不经意间首次报道了进化过程中自相似分形模式的端倪。海克尔出版了一套现在已经闻名天下的显微图像,它们比较了若干物种和人类的胚胎发育阶段。他指出,所有脊椎动物胚胎,包括人类胚胎在内,都通过了一系列类似的结构阶段。海克尔提出,各种有机体在通过他们的早期发育阶段时,实际上重新追踪了它们的祖先进化的每一个阶段。 海克尔的理论,隐晦地定义为 个体发育重演系统发育 ,其字面意思是“发育是某种对祖先的重演。”不幸的是,这个狂热的海克尔在推广他的想法时,篡改了他的图片,使胚胎的早期阶段看上去比它们实际上更为相似。 尽管他的报告有瑕疵,但人类胚胎在最终获得人形之前的确发生了一系列形变。在这些转变当中,人类的胚胎采取了一系列有序的自相似结构模式,在其中它很像脊椎动物进化早期阶段的那些胚胎。 发育中的人类胚胎形状从一个酷似鱼类的胚胎变形为类似两栖动物的胚胎。然后它继续变形,采纳了爬行动物的胚胎外观,然后是哺乳动物的胚胎外观,最后才获得了人形。通过沿袭其生物圈祖先的胚胎阶段演变,人类胚胎为分形性自相似提供了一个动态实例。 Fractals—Math and Aftermath Consequently, all we need to do is findout which mathematics was used to create the Universe and we will be able tounderstand how we got here and where we are bound. Because we are trying todiscern environmental patterns, specifically as they relate to the biosphere,we need to discover the math Nature used to put physical structure into space. Such a mission invokes the use of geometry because, by definition, this branch of mathematicsis specifically concerned with the properties, measurement and relationships ofstructure in space. Geometry is so fundamental to the organization of the Universethat long before Galileo’s realization, Plato concluded, “Geometry existedbefore creation.” 4 Until 1975, the general public was onlyfamiliar with the principles of Euclidean geometry, summarized in thethirteen-volume ancient Greek text, The Elementsof Euclid, written around 300 b.c.e. This is the geometrymost of us learned in school to plot structures such ascubes and spheres and cones onto graph paper. Euclidian geometry has enabled us to projectthe movement of heavenly bodies, construct great edifices and gardens, and evenbuild spaceships and sophisticated weapons. However, the mathematical formulae of Euclidiangeometry are not readily applicable to Nature. For example, what kind of tree can you createusing the standardized perfect forms of Euclidean geometry? Think back to thetree you drew in kindergarten, a circle sitting atop an elongated rectangle.Your kindergarten teacher, no doubt, recognized it as a representation of atree, but in no way does it describe what a tree really is, no more than astick figure describes a human. WithEuclidean geometry and a compass, you can draw a perfect circle. But you cannotuse Euclidean geometry to draw a perfect or, at least, a realistic tree. Norcan Euclidian geometry describe the structure of a beetle, a mountain, a cloud,or any other familiar patterns found in Nature. Euclidean geometry falls shortwhen it comes to describing the structure of life. So where do we find the typeof mathematics referred to by Plato and Galileo, the math that describes thedesign principles inherent in Nature? We wereoffered a clue about 90 years ago when a young French mathematician namedGaston Julia published a paper on his work with iterated functions. His was a relatively simple equation that used only multiplicationand addition, repeated ad infinitum . To actually visualize the imageencoded in his mathematical formula, Julia would have had to solve millions ofiterations of the formula, a process that would have taken him decades. Therefore,even though he conceived of a fractal in mathematical terms, Julia neveractually saw one. Theprofound implications of Julia’s formula were only revealed when his equationwas solved with the aid of computers in 1975. Benoit Mandelbrot, a French–Americanmathematician who analyzed patterns in chaotic systems at an IBM computing lab,was the first person to observe what Julia could only imagine. Mandelbrot wasawestruck by the strikingly beautiful organic and infinitely complex imagesgenerated by fractal formulae. He was the first toobserve that fractal images possessed repeated self-similar patterns,regardless of the scale on which they were examined. The more he magnified theimages, the more the structure appeared to be the same. Inherent within the chaotic complexity offractal images is the presence of ever-repeating patterns, nested within oneanother. The internationally popular toy, hand-painted Russian nesting dolls,provides a rough idea of the nature of a fractal’s repetitive images. Eachsmaller version of the doll is similar to, but not necessarily an exact versionof, the larger doll in which it is nested. Mandelbrot introduced the term self-similar to describe such objects that heobserved in the new math, which he called fractalgeometry. Withinthe complexity of his fractal images, Mandelbrot observed vivid patterns that resembleshapes common in Nature, such as insects, seashells and trees. Historically,science had frequently documented the presence of self-similar organizationalpatterns at different scales of Nature’s structure. However, until Mandelbrotintroduced fractal geometry, these self-similar patterns were deemed to bemerely curious coincidences. Fractal geometry emphasizes therelationship between the patterns in a whole structure and the patterns seen inits parts. Recall the examples of the coastline and of the twigs, branches andtree trunks cited earlier. Self-similar patterns are found throughout Natureand especially within the structure of the human body. For example in the humanlung, the pattern of branching along the large bronchus air passages isrepeated in the branching structure of the smaller bronchi and even smallerbronchiole passages. Arterial and venous vessels of the circulatory system aswell as the body’s network of peripheral nerves also display repetitive,self-similar branching patterns. Because fractal geometry is truly thedesign principle of Nature, the biosphere inherently reveals nestedself-similar patterns at every level of its organization. Consequently, as weobserve and become aware of patterns at higher or lower levels of anorganization’s structure, we can use fractals in the same way we would usemaps. Fractals can help us gain insight into the organization at any otherlevel. In the biosphere, the fractal pattern of human evolution can inherentlydisplay a self-similar pattern of evolution experienced by structures at otherlevels of Nature’s organization. Ernst Haeckel, a famous embryologist andcontemporary of Darwin, inadvertently reported the first inkling of aself-similar fractal-like pattern in evolution in 1868. Haeckel published a nowfamous sequence of microscopic images that compares the stages of embryonicdevelopment of a number of species with that of the human. He noted that allvertebrate embryos, including the human embryo, pass through a series ofsimilar structural stages. Haeckel argued that, in transitioning through theirearly development, organisms actually re-trace every stage of theirevolutionary ancestry. Haeckel’s theory, cryptically defined as ontogeny recapitulates phylogeny, literallymeans “development is a replay of ancestry.” Unfortunately, when promoting hisideas, an overzealous Haeckel fudged his drawings to make the early stages ofembryos appear more alike than they actually are. Regardlessof his flawed presentation, human embryos do morph through a variety of shapesbefore acquiring human form. In these transitions, the human embryo assumes asequential series of self-similar structural patterns wherein it resembles embryos from earlier stages of vertebrate evolution. Thedeveloping human embryo shape-shifts from one that resembles a fish embryo toone that resembles an amphibian embryo. It continues morphing until it takes onthe appearance of a reptilian embryo and, later, that of a mammal beforefinally assuming a human shape. Evolving through the embryonic stages of its biosphericancestors, human embryos offer a dynamic example of fractal-likeself-similarity.
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非线性动力学词汇
Mech 2015-8-30 16:46
非线性动力学 2 李雅普诺夫稳定性 1 吸引性 平衡点的稳定性 双曲平衡点 平面系统的平衡点 线性系统的稳定性 劳斯 - 赫尔维茨判据 开尔文 - 泰特 - 切塔耶夫定理 运动稳定性 1 极限环 李雅普诺夫方法 2 轨道稳定性 输入 - 输出稳定性 受控系统的稳定性 镇定 极点配置 不变集 极限集 非游荡集 拉萨尔不变性原理 不变子空间 稳定子空间 不稳定子空间 中心子空间 不变流形 稳定流形 不稳定流形 中心流形 双曲平衡点的不变流形定理 吸引子 吸引盆 庞卡莱映射 混沌 1 初态敏感性 蝴蝶效应 洛伦兹方程 上田振子 埃侬映射 虫口模型 暂态混沌 李雅普诺夫指数 2 超混沌 度规熵 拓扑熵 拓扑混沌 符号动力学 斯梅尔马蹄 横截同宿点 斯梅尔 - 伯克霍夫同宿定理 梅利尼科夫方法 什尔尼科夫方法 KAM 定理 2 局部混沌 全局混沌 柯尔莫哥洛夫含混吸引子 阿诺德扩散 混沌控制 OGY 方法 混沌同步化 相空间重构 嵌入 延迟时间 嵌入维数 非线性动力学减噪 时空混沌 斑图 映射耦合格子 元胞自动机 惯性流形 结构稳定性 分岔 静态分岔 局部分岔 叉式分岔 鞍结分岔 跨临界分岔 有缺陷的分岔 有滞后的分岔 全局分岔 同宿分岔 异宿分岔 动态分岔 霍普夫分岔 闭轨线分岔 折叠分岔 内依马克 - 沙克分岔 倍周期分岔 费根鲍姆常数 进入混沌的路径 准周期环面破裂 阵发性 中心流形定理 李雅普诺夫 - 施密特约化 庞加莱 - 伯克霍夫范式 奇异性理论 余维数 开折 转迁集 突变 初等突变理论 托姆横截性定理 分形 康托集 科克曲线 曼德勃罗集 相似维数 豪斯道夫维数 信息维数 关联维数 奇怪吸引子 分形盆边界 终态敏感性 激变 胖分形 多重分形 孤立子 KdV 方程 散射反演方法 无穷维可积系统 无穷多守恒律 复杂性
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为何我们如此在意无标度性?
htsong1976 2015-7-1 22:27
大量个体的简单交互(无中心控制、非完全信息、局部相互作用),形成复杂的网络行为,并可在宏观上涌现出结构和功能,复杂网络的魅力可窥一斑 ,领域研究早已遍及自然与社会生活的各个领域 。“自从1999年Barabási和Albert在《科学》上提出无标度网络起,迄今为止,普遍认为无标度网络是指度分布有(或至少近似地有幂律形式),P(k) ~ k^(-γ)(这里记号~指渐近正比)。由于人们对这个幂律形式的认识和理解不同,以及网络度上有限与无限的巨大差异,关于无标度网络概念的讨论一直没有停止过。” 阎 春宁, 史定华等还就幂律问题在《复杂系统与复杂性科学》上发表了系列文章 ,文中将无标度网络细分为精确幂、拟幂律、幂律尾部、幂律行为、幂律关系几个从特殊到一般、 相互包含的子 类别。 无标度的直接解释通常是 P(ck) = (ck)^(- γ) = k^(- γ) = C k^(- γ) = C P(k), 可见标度改变时,函数曲线的形状和函数的指数都没有变,即具有标度不变性。 标度不变性的含义是在复杂网络上任选一局部,由于其自相似性,局部网络的形态、规律、功能均与原网络不会发生变化,即在尺度伸缩时具有对称性。上述解释很容易地联想到分形的概念,分形来源于几何,但如果仔细地将功能或者信息结构作映射,则分形——对形态的相似性的研究就很可以应用到此二领域;分形是严格的,但可以通过统计意义上的相似来放松约束,扩展其应用范围;分形是理想的,无限嵌套,可以通过增加标度区间来描述实际网络中自相似行为的适用域。 BA模型提出时的机理解释有两个要点,一是增长,二是择优,从而得到节点度具有标度不变性的网络。而变M模型和年龄模型,一般认为不具有严格的标度不变性,但作用机理 T 如果在不同层次是稳定的,是否也意味着存在着某个其他的宏观序参数是标度不变的呢?至少可以定义出一个 F 只跟 T 有关,从而 F(T)是标度不变的,这个函数如果可以区分 T,从而将复杂网络按照形成机理分类。 现在的无标度性是按度增长的规律来对复杂网络分类,这个意义上说,无标度性是一个用来对网络进行分类的方法,幂指数是此网络分类的宏观序参数。这种依靠无标度的分类方法之所以是重要的,因为增长和择优都是朴素的机制,体现了连接机会的均等,这成为现实中区分不同网络形成机理的分水岭。 1. 复杂网络研究——现状与前瞻,狄增加,北京师范大学, http://wenku.baidu.com/view/88f39eff910ef12d2af9e776.html ,2007 2. 复杂脑网络研究:现状与挑战,张方风,郑志刚, http://wenku.baidu.com/view/3bbb9629bcd126fff7050b3a.html?re=view ,2012 3. 无标度网络的争议,史定华,上海大学, http://wenku.baidu.com/view/6a48c427192e45361066f570.html ,2012 4. 幂律思考系列文章2——无标度网络的不同定义和包含关系, 阎 春宁, 史定华, http://www.doc88.com/p-9733390632710.html ,2014 5. 无标度网络及其系统科学意义.pdf 6. 复杂无标度网络的特性.ppt 7. 复杂网络的无标度特性.ppt 8. 增长及非增长无标度网络的成因解析.pdf 9. 无标度网络:基础理论和应用研究.pdf
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重修微积分7——测度
热度 21 xying 2015-5-8 08:11
计量是数学的肇始。无论是称重量,量尺寸,度面积,计体积,结果都是从 0 到无穷大的一个数。计算时多将整体划分成比较规范的部分,分别测量累加而成。不因测量的方法不同而异。所以计量必须具备几点:它是非负的数量,空无为 0 ,划分后计量之和等于总体,不因测量方法而变。在无限可分世界里任何的计量,就必须把这性质推广到无穷的集合。抽象集合中的 测度 m ,就是将集合的子集映射到 $ $ 区间的函数,空集对应着 0 ,测度有着可数可加性,即: $m(\phi )=0,\;\;\; m(\bigcup_{n=1}^\infty E_n)=\sum _{n=1}^{\infty} m(E_n),\;\; E_i \cap E_j =\phi\;\;\forall i\neq j $ 在不同坐标系下表示集合的点,测度值要保持对坐标变换的不变性。注意,无穷大这里也可以是个测度的量值,这让它适用于一些无穷的情况,比如说没有尽头的直线长度,无边无际的平面面积和无限空间的体积等等。例如,集合的势也是一个测度,满足 0 的对应和可数可加性,对于有限集,这测度是集合中元素的数量,对无穷集,这测度是无穷大。人们的计数其实是从这个测度开始的。 显然对于同一个集合,可以定义不同含义的测度。学习数学的抽象,这是要适应的思想方法。 这个系列介绍过收敛、拓扑、距离、范数、内积、测度等数学的概念,在集合的基础上定义它们的性质。在同一个基础集合上,往往有多种具体的结构和映射符合这些定义的性质,它们的抽象都属同一概念。这情形与物理等自然科学很不同,让有些学者觉得不习惯和不确定。在思想方法上,自然科学本质是归纳的,研究的都是具体一类的事物,从中抽象发现一些共有的性质,形成了概念。虽然有时用抽象的语言来定义,也因此逻辑推理,但隐在定义之后的具体一类事物,始终是最终的裁判,当推理的结论逸出接受的范围,就放弃原有的概念代之以新的解读。而数学的本质是演绎,虽然许多概念的形成来自归纳,但不同定义的概念在逻辑上必须是一致的,等价的,或是由论域的局限或推广。数学研究的是由这些共同性质定义下的概念,在演绎下的共同表现,不论概念所指的具体对象的类别有多大的不同,所得的结论从具体对象来看会如何不可思议。就抽象所聚焦的概念而言,它们都是一样的,拥有共同推理而得的性质。在数学最高的权威是逻辑而不是事实。所以要构造数学概念的直观图像,必须习惯用多种不同类别的具体对象(在数理逻辑上称之为模型)来想象抽象的概念,了解不同模型的局限,而不要被它所左右。自然科学关心物质世界里的真。数学关心的是思维世界里的真。只有确信思维中逻辑推理的结论是真实可靠的,才能利用数学概念作为工具,来了解、表达和推测物质世界里的真实。 让我们从测度的定义出发,看当逻辑与事实冲突时,数学家和自然科学家的不同处理。 实践经验告诉我们,将一个物体分割成几部分,分别测量它们的重量和体积,它们之和一定会等于整体。这已经成了无可置疑的真理。很不幸,经验不能代替逻辑,因为经验只涉及到有穷的世界,当我们把物体看成无穷可分时,无穷集合的任意分割,并非都能如此。在定义了一些集合测度后的空间里,并非所有的集合都可以参与保有这样性质的测度。 巴拿赫-塔斯基(Banach Tarski)举了一个例子。大致说来,他用分别沿X,Y两轴左转或右转某个特殊的角度(例如arccos(1/3))的操作,形成包含4种旋转a,a -1 ,b,b -1 的运算序列。这些有限步运算序列生成了一个具有无穷个元素的群H。在序列中刨去相邻反向相消的旋转,可以证明每个序列与群H中的元素一一对应。这个群里的元素可以按生成时,第一个的旋转操作分别为a,a -1 ,b,b -1 而 分成不相交的4组及单位元e组。实心球中的质点,在这群每个元素对应的旋转操作序列作用下,形成一条旋转轨迹质点相连的链。利用选择公理,在每个链条都可以选出一个点来代表,这些点的集合记为M,球中所有的质点都在M中某点所在的轨迹链条中。这些轨迹链条依对应的4个群组也分成4组,将这些轨迹链条的第一个质点取出放在对应于群的e组,其余链条中的质点对应到起始旋转分别为a,a -1 ,b,b -1 的群组,它们是互不相交的5个组,可以看成球被分割成5堆。现在将对应a -1 组那堆整体做a 的旋转,经过这旋转后的这堆包含有对应着所有a -1 ,b,b -1 组 及部分e组的质点,对b -1 组那堆整体做b 的旋转,得到类似的结果,不难想象将它们与剩下的a ,b 和e组可以组装成没有缝隙与原来一样的两个球,详见【2】。 这个例子很有名,称为“分球悖论”或者“巴拿赫-塔斯基定理”,因为进行分类时,用了选择公理(AC)在无穷集合中挑选,上世纪二十年代,大家是用来反对AC的。经过多年争论后,人们发现这里的证明在逻辑上无懈可击,选择公理在数学基础上很重要,是必须保护的不可或缺。而在物质世界中球不可能由无限的质点组成,所以这模型并不与现实冲突。想要继续应用抽象的测度理论,那么只能归结为人们在无穷的世界里的直觉错了。 为什么是不可思议?因为人们觉得将一个球切碎分割成 5 堆,组成球的元素分成了 5 个集合,球的重量和体积是这 5 个集合的总和,一堆元素刚性旋转不会改变重量和体积,即使装配成的球没有缝隙,它们也不该有两个球的重量和体积。 重量和体积都是测度,与经验的冲突在于这种分割不满足可加性。但如果这种怪异分割而成的 5 个集合是不可测度的,那么就没有理由说什么可加性了。一个球和两个球之间就失去了这个有限测度量的联系。至于一个球和两个球的元素数量,因为它们都是无穷的集合,在有限的世界对岸,集合论早就告诉我们,无穷集合和两倍的集合,它们的元素是可以一一对应的。这例子告诉我们,测度有时只能定义在空间的一部分集合上,这些集合称为 可测集 ,它们包括空集,对可数个并,及补集运算封闭,称为 σ代数 。在这σ代数之外的集合,对测度没有定义,称为不可测集。 在实数空间,我们定义开区间( a, b )的测度为 |b-a| ,以开区间生成的σ代数称为 波雷尔( Borel )集 。在实数空间以开区间测度和定义延拓出来的测度称为长度。在 n 维欧几里德空间,可以同样地从定义矩形区间的面积延拓出 2 维的测度,以及 n 维的体积,这样定义的测度称为 勒贝格测度 。在不致混淆时,简称为测度,或长度、面积、体积。 波雷尔集包含着 $\mathbb{R}^n$ 空间通常拓扑下的所有空集、全体、开集、闭集、单点、以及它们的各种交和并。在理论上,不可测的集合虽然也有无穷多,你可以想象的却很难,因为它们不存在你的经验中,它必须用逻辑依赖选择公理来构造。 柯尔莫哥洛夫将公理化概率论定义在概率空间上,用样本的集合代表事件,它们构成空间里的σ代数,概率则是对集合取值在 0 到 1 之间的测度。 测度为 0 的集合叫做 零测集 ,它在应用中扮演了重要的角色,比如说你突然有个天才的发现,只是它适用的情况在参数中是零测集,如果参数值是随机分布的,那你几乎都没有用武之地。在积分里,如果引起麻烦的地方,比如说无界、间断处等等是零测集,那也可以忽略它们。 $\mathbb{R}^n$ 空间中的一个点的集合,可以包含在任意小的区间里,它的勒贝格测度小于任何正数,所以它只能为 0 。从测度的定义可知,可数个零测集的并集仍然是零测集,所以有理数集合是实数空间 $\mathbb{R}$ 上的零测集。 有个古老的疑问:“点没有长度,为什么它们组成线段却有了长度?”有人回答,因为这里的点有无穷多, 0 乘无穷大可以是非零的数。上面例子说明,这理由对可数多的无穷大不成立。是不是因为线段有不可数的点所致?下面例子说明,在直线上不可数点集的总长度也可能 是零 。 康托集 是这样构造的,记C 0 = ,将这区间三等分,取走中间一块(1/3,2/3),留下的部分C 1 = U ;分别在留下的区间 及 中,再次取走各区间中间1/3的那块,得到C 2 ;如此重覆得到C n ,n=0,1,2,…;它们的极限C称为康托集。C是不可数的,因为它的点必须选自无穷序列C n 中左边或右边部分,即2的可数幂。C n 测度是(2/3) n ,当n趋向无穷大时,它趋向0,所以C的勒贝格测度是0. 当一个区间无穷地缩小到一个点,区间的长度也无限地趋向 0 ,区间的长度和覆盖线段的区间数总在有限世界这一边,没有尺寸的点和无穷多个点是在实无穷的彼岸,我们不能指望用点和点数来解答线段长度的问题。不同维数空间中几何体的测量也是如此。看个例子。 英国人很早在测量海岸线长度时,发现所用的尺度越短,海岸线的长度越长,那么到底什么是曲线的长度?二维空间的曲线,显然不能用一维区间来覆盖,而二维的勒贝格测度(面积)是零。实践中用尺子丈量曲线,微积分里用折线来逼近曲线长度,都是用二维空间的园来覆盖曲线,然后计算这些覆盖直径的和。对于不同覆盖所计算的下确界,称为曲线的长度。测量所用的尺子越短,计算出来的长度越长,这反映了近似逼近的过程。这个单调递增的数列极限可能是有限的量,也可能是无穷大。 在 n 维欧几里德空间,任何集合 A 都可以被一族可数的开集覆盖,这族开覆盖测度和的下确界称为集合 A 的外测度,记为 m*(A) 。外测度对所有集合都有定义,保持有测度的非负性,对集合包含关系的单调性,和次可数可加性。当集合 A 是可测时,外测度等于它的测度。 $ m^*(A) \ge 0, \; m^*(\phi)=0,\;\;\; A\subset B \Rightarrow m^*(A)\le m^*(B), $ $ m^*( \bigcup _{n=1}^\infty E_n) \le \sum _{n=1}^\infty m^*(E_n),\;\; E_i\cap E_j = \phi\;\;\forall i\neq j $ 将开集的测度定义为集合中两点距离的上确界,我们就由此定义了曲线的长度。在有界的二维区域里的曲线长度有没有可能是无穷大?当然有。下面是一个分形曲线的例子。 Koch 曲线是这样构造的。对单位线段,中间1/3用等边三角形的两边来代替,得到四条边的曲线k=1,对这四条边做同样的替换,得到k=2曲线,如此无限重复这个替代过程,它趋向Koch曲线。(见图,图像抄自网络) 可以把这个k序列看作测量尺度变小的过程,计算不同k时计算的曲线长度L(K)=(4/3) K ,所以Koch曲线的长度是无穷大。 对于欧几里德空间 $\mathbb{R}^n$ 中的几何体,集合 A 的 Hausdorff 测度 H s (A) 定义如下: $H_d^s(A)=\inf \left\{\sum_{i=1}^\infty |O_i|^s \mid \bigcup_{i=1}^\infty O_i \supset A, \;\; |O_i| \le d\right \}$ , $H^s(A)=\lim_{d\rightarrow 0}H_d^s(A)$ 式中的下确界inf是对所有可能的开覆盖O i 集合族来取的。其中集合的直径为集合中两点距离的上确界 $|O|=\sup \{\|x-y\| \mid x,y \in O \}$ ,同时规定 |O| 0 =1 。 H s (A) 定义在 $\mathbb{R}^n$ 的 Borel 集上,不难验证它满足可数可加性,所以是个带参数 s 的测度。当 s=n 时, H s (A) 是 $\mathbb{R}^n$ 的 n 维勒贝格测度(精确地说只差一个与 n 有关的倍因子,因为 Hausdorff 测量的尺子是球,勒贝格是方块)。 在 $\mathbb{R}^n$ 空间,将几何体 A 线性放大 k 倍,其集合记为 $kA =\{kx \; | \; x\in A\}$ ,则有 $H^s(kA)=k^sH^s(A)$ ,这与 k 维几何体的线性放大后,长度、面积和体积比例关系是一致的。注意到对于给定的集合 A , Hausdorff 测度 H s (A) ,随着 s 从 n+1 开始减小,其数值从 0 ,到了一个临界点后,突然跳到无穷大,我们把这个 s 的临界值,称为几何体的 维数 ,或者 Hausdorff 维数 。当它是自然数时,这与我们日常中的经验是一致的,但有时它不是一个整数。 作为一个应用的例子,现在我们审视 $\mathbb{R}^n$ 空间里曲线的长度,凡是能够用积分算出有限值长度的,无论在平面或在三维空间,用 Hausdorff 测度可以证明都是一维的曲线。 Koch 曲线按照 s=1 来计算是无穷大,所以它可能是更高的维数。分形物体具有自相似结构,注意到如果将 Koch 曲线线性放大 3 倍,可以得到 4 份的原来曲线,根据上述 s 维几何体的线性放大与 Hausdorff 测度的倍数关系,可以算出 s=ln4/ln3=1.26186… ,即 Koch 曲线是 1.26186… 维。前面例子中的康托集,线性放大 3 倍可以得到 2 份原来的康托集,所以它的维数是 s=ln2/ln3=0.63093… ,是分数维的。只有在几何体所在的维度里的测度,才可能是一个正实数值。 如果你好奇, $\mathbb{R}^n$ 空间里一个点的维数是多少?建议你用Hausdorff测度公式验算一下,以加深理解。只有 s=0 时,单点的 Hausdorff 测度是 1 , k 个点和可数无穷个点,测度是 k 和无穷大,而它们在 s0 时都是 零 测集。不可数的点集,在 s=1 时的测度,既可能为 0 ,如康托集;也可能是正数,如有界区间;也可能是无穷大,如整条直线;还可能没有定义,如不可测集。这也许能给予古老的点与线段长度关系问题,更多一点的认识。 (待续) 【扩展阅读】 维基百科,测度 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B5%8B%E5%BA%A6 Wikipedia , Banach–Tarskiparadox http://en.wikipedia.org/wiki/Banach%E2%80%93Tarski_paradox Wikipedia , Hausdorffmeasure http://en.wikipedia.org/wiki/Hausdorff_measure 维基百科,维塔利集合 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BB%B4%E5%A1%94%E5%88%A9%E9%9B%86%E5%90%88
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【请教】曼德博走错一步?
热度 9 lix 2014-10-20 22:42
在小邪 : Mandelbrot :美丽的分形 中,高度赞美了曼德博开拓分形学的贡献,同感。但是,小邪并没有回答为什么现在分形热已经过去,玩分形的人越来越少(见评论 6 )。 有一种看法是,曼德博在追求数学界主流的认可的过程中,逐步放弃了他最初对自然图案的破碎性( fractal 本义)这一本质的强调,而代之以自相似性(主要特点,但适用尺度有限),从而使分形学的研究进入误区 - 虽然搞动漫的赚了不少。 请教小邪或其他对分形学有研究的专家,对这种看法,有何评论。
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答网友问:历史与分形
热度 7 lix 2014-5-5 23:22
问:中国历史可不可以用分形来分析? 答:应该可以。文明的传播,空间上受交通、交流(含暴力)的影响,时间上,受短尺度借鉴、与长尺度遗忘的影响;都呈现自然界微结构与自相似的特征。我太忙,没法深入。您有时间,可以想想,写点东西。
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分形历史学:谁“敢于”成功?
bigdataage 2014-4-21 15:35
分形历史学:谁“敢于”成功? 同人于野 对于未来为什么不可预测,索罗斯和Raynor有非常不同的看法。 Raynor认为,任何一个试图预测未来的模型都存在边界,你只能把你认为可能重要的因素考虑进去,而其他因素必须忽略。 如果什么因素都考虑,那么你的模型就是宇宙本身了。 然而那些被模型忽略了的因素却往往也会起到重要作用,在这种情况下所谓科学预测完全不好使。 Raynor举了很多商业上的例子,比如索尼的Betamax为什么输给VHS; Minidisc为什么从未占领日本以外的市场,以及索尼为什么没有及时推出iPod这样的mp3播放器。当你站在现在的角度去评价索尼当年的战略,完全 可以说索尼没有好好预测未来,居然连网络音乐必然取代光盘都没想到。然而如果你设身处地的站在索尼当年的角度,很可能会发现索尼的战略完全是合理的。 比如说mp3音乐。mp3之所以能够大行其道,最初本质上开始于家庭网络带宽的增加。你可能会说网络带宽增加是必然趋势,我1990年就知道了。可你 1999年的时候知道短短两三年之内家庭带宽就能达到广泛流传mp3的程度么?事实上美国家庭接入带宽的大幅增加完全是一个偶然事件。当时Dish Network 和DirectTV这样的卫星电视突然兴起,提供数量远远超过有线电视的电视频道。有线电视公司为了应对竞争,不得不大幅度升级了其网络。这一升级发现除 了可以增加电视频道之外还有富裕的带宽,于是才提供宽带互联网接入。然后电话公司不得不跟进,也提高了DSL的带宽。也就是说美国网络带宽的增加并不是由 于用户需求。事实上2000年前后除了少数人在大学用宽带之外,普通家庭用户没有从网上下载音乐的习惯。再加上mp3音乐的版权问题没有解决, 那个时候像苹果那样投入大量资金搞iPod是一种冒险行为 。 通过大量的统计分析,Raynor认为,那些真正取得巨大成功的公司, 与其说是成功预测了未来,不如说是赌赢了 。如果你统计市场上的各个公司,会发现成功的公司和平庸的公司之间存在一个本质区别, 那就是对既定战略的坚持 。平庸的公司 总是想去适应市场,想adaptive,市场上什么好卖,他们就卖什么。 而成功的公司则是认准了一条就坚定不移的去做,因为也只有这样,他们所发展出来的 战略优势才是别的公司没法短期学到的,只有有了这样的优势才能真正通吃市场。 比如说苹果一向都是做独特的漂亮的计算机,一向都是自己做操作系统,iPod一直到iPhone都不愿意跟别人兼容,产品永远都是一个风格。现在大家都说苹果这么做很牛,这就是苹果成功的秘诀。但是不要忘 了1980年代,1990年代,苹果一直都是这个风格,可是那时候的苹果是不成功的。说Jobs牛,可当年Jobs是被赶出苹果的啊。正确的认识是苹果一 直都在坚持它的战略,而这个战略有时候好使,有时候不好使,取决于当时的市场。 Raynor生动的说,苹果的表一直都是指向上午9点,以前这个表不准,现 在准了,这只不过因为现在正好是上午9点。 一个类似的例子是丰田汽车在美国市场上的成功。当年丰田之所以能在美国突然取得成功, 根本原因是石油输出国组织突然提高油价,导致美国消费者开始寻找节油车。而丰田由于其本身出自于日本市场,本来就擅长节油,所以一下子在美国成功了。那么 美国汽车公司应该怎么办呢?也学丰田开发省油车?你怎么跟人学,人家做了一辈子了!所以美国企业继续自己的战略,还是搞SUV之类的大车,等到油价回落, 还是美国公司的市场。当然现在的丰田已经什么都能做羽翼丰满,但当时的成功完全是战略“正好”合适的偶然结果。 问题是很多时候你 坚持的战略是错误的,所以本质上成功是赌赢了。Raynor指出, 绝大多数研究公司的统计数据都忽略了失败的公司,因为失败的公司已经从市场上消失了 ,所 以绝大多数人只是在比较成功的公司和平庸的公司。事实上, 如果你比较成功的公司和失败离场的公司,你会发现两者之间存在非常大的相似之处: 对既定战略的全 力以赴的投入。 赌赢了你就特别成功,赌输了你就彻底失败。所以说成功的反义词不是失败,而是平庸。 这就是Raynor说的 战略悖论:如果你不坚持一个既定战略,你必然平庸;如果你坚持了,你或者特别成功,或者特别失败。 索尼预测不了mp3市场,别的公司也预测不了未来。选择一个什 么战略去坚持,这一点特别重要。在学会怎么选择之前,首先要明白你本质上不可能有绝对把握。 当CEO不是我的业余爱好。可是Raynor这本书所描写的案例我读起来感到触目惊心。他提出了一系列的措施来更好的应对风险,但跟本文关系不大,就不详细说了。 我认为Raynor对风险的态度基本上是被动的。扬帆曾经说过一段非常有意思的话,他说巴菲特是等待机会,索罗斯是寻找机会,本拉登是制造机会。索罗斯其实也知道怎么制造机会。 Raynor尽管认为精确预测未来不可能,但他仍然相信可以用预测天气的方法去尝试预测未来。索罗斯则认为,社会科学跟天气完全是两码事。 原文: http://www.geekonomics10000.com/157
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分形历史学:天下大势与成功
bigdataage 2014-4-21 15:26
分形历史学:天下大势与成功 同人于野 本文介绍过去两年以来两个美国人对于历史和社会发展的一些最新思想,并继续探索分形历史学。 很多人认为历史按照某种可以事先知道 的规律运行,比如说从奴隶社会到封建社会到资本主义。就算这个规律有时候不精确,历史的前进也一定有一个方向,比如说科技应该越来越进步。我所听说过关于 历史发展规律的最极端学说不是黄宗羲定律,更不是马克思的科学社会主义,甚至也不是邵康杰的《皇极经世》,而是一本物理书。 这本 书的名字我不记得了,应该是当年《第一推动》丛书中的一本。有人看到这里可能猜想我要说的是机械历史理论。在量子力学被发现以前,人们认为假设我们可以知 道宇宙中每一个粒子的位置和速度,那么我们就可以比如说通过一台超级计算机来计算未来,因为说到底一个人不就是一堆原子么。那么既然未来都是确定了的,我 们还有”真正的”自由么?首先这个问题非常矫情充满了小资味道,其次量子力学出来以后这个问题就已经不存在了。我看的这本物理书则说了一个更酷的历史理论。 物理学中有个特别妙的东西叫做作用量。比如说你预测一个抛出去的小球的运动,你可以用最直观的牛顿力学解方程 F=ma,但这是中学生的玩法。物理学家的做法是比如你要研究小球,或者一个光子,从A点到B点(A, B可以是时间)怎么样运动,你可以定义一个作用量,比如说把拉格朗日量乘以时间,或者广义动量乘以广义坐标,沿路径做积分。当你抛出一个小球,你不知道它 会走什么样的路径,但你可以把所有可能的路径都计算一个作用量。而物理定律这时候说话了:真实发生的路径,也就是说小球真实的运行情况,是作用量取极值的那条路径。这个也叫做”最小作用量原理”。也就是说本来我们可以设想一个光子打出去有无穷多种路线可以走,但是光子最后选择的路线一定是使得作用量最小的 那一条。 每个物理系的学生都知道作用量,所有物理书都讲作用量。 但这本书提到,有人认为也许历史的发展存在一个作用量。 身处任何 一个历史时刻,我们总是觉得未来会有无穷多种可能性。这就好比说当你抛射一个小球的时候总会感到这个小球说不定会去哪里,它有无穷多种可能的路径。可是在 无穷多种路径之中小球总是选择作用量最小的一个路径!如果历史也有作用量呢?如果历史也总是向着某个作用量最小的方向前进呢? 当我读到历史作用量,我脑海浮现了两个字:天意。为什么这么怪异的事也能发生,为什么那么应该发生的事却没有发生,天意?历史作用量? 我曾经猜测,也许历史作用量是人类的进化速度,历史事件也许总是向着能让人类更快进化的方向发展。 天意太玄。也许天下大势才是一个更好的概念。比如说《三国演义》认为中国分久必合合久必分就是天下大势。再比如说未来互联网的发展一定是宽带越来越宽,也是天下大势。 “天下大势学派”认为历史发展的必然性大于偶然性,历史是偶然中的必然。但这一学派最大的本事是事后诸葛亮。日本人侵华失败了,这叫侵略必然失败,正义 必然战胜邪恶。 可是历史上无数次野蛮战胜文明怎么说? 枪炮取代刀马是不是天下大势?那么是不是应该哪个民族更容易接受枪炮哪个民族在战争中有优势?可是为 什么后金建奴居然战胜了热衷先进技术的大明军队?原来这回是另一条天下大势起了作用:土地兼并和腐败就要挨打? 所以”天下大势学 派”的第一个困难是只能解释过去,而无法预测未来 ,因为不知道这个大势什么时候起作用。比如说两岸统一当然是天下大势,等到哪天台湾真回归了,历史学家们 肯定会说你看我早就知道台湾必然统一,统一是天下大势嘛。问题是你早干什么去了?谁敢说2010年统一还是2030年统一?比如说朝鲜金正日政权太专制 了,他的失败当然也是天下大势。可是请问金家政权什么时候失败?如果我是一个外交官,我关心的是朝鲜未来四五年之内的稳定。如果我是一个从事中朝边境贸易 的小商人,我关心的可能是未来几个月朝鲜的局势。那么你的天下大势对我来说有什么用呢? “天下大势学派”的第二个困难,也是根本 上的困难,就是有时候历史的发展对于天下大势的背离,甚至不是微扰不是noise,而是绝对的相反。 在中国唐朝和西方古罗马统治的数百年历史中,两个文明都很善于修路。假设有一个当时的历史学家看到这些路,一定会说路越修越好,技术含量越来越高是天下大势,将来人类修的路一定比现在好得多。可事实是中国一直到明朝,境内最好的路还是唐朝修的。欧洲一直到古罗马灭亡好几百年以后,境内最好的路还是古罗马修的!历史总在进步么?如果你说唐朝和古罗马”早熟”, 不要忘了两者都有好几百年的历史。真站在唐朝谁会认为这一切都是早熟?这一切都是暂时的?又有谁敢保证300年以后地球上的公路一定比现在的好? 我以前认为一定要把握天下大势,而且天下大势是可以把握的。但过去一段时间读到的两本书使我彻底改变了这个想法。 这两本书都认为未来本质上是不可预测 的。 大量的事实证明,天下大势学说从本质上不可能预测未来,而且甚至不可能很好的解释过去。哪怕仅仅是IT业界十年以前的过去,有那么多报道那么多数据的 情况下,天下大势学说都解释不了。 Michael E. Raynor 2007年的商业畅销书《The Strategy Paradox》认为, 就算你把握了天下大势,你也不一定成功,因为你根本就不知道你想的那个天下大势什么时候起作用,甚至你根本就不可能真正把握天下大 势 。这本书研究公司战略,一出来就立即被很多商学院选为MBA必读书。其实大多数MBA看这书可能一辈子也用不上,因为这本书专门研究CEO应该怎么干。 另外一本书,2006年出版的《The Age of Fallibility》,则认为根本就不存在什么什么天下大势,根本不存在什么科学社会主义,甚至社会科学就根本不是科学。这本书的作者很牛,乔治索罗斯(George Soros)。很多人认为索罗斯是个金融投机家,我查到他的boom-bust模型被很多经济学论文引用。但其实索罗斯是个思想家,他的理论和黑客帝国电影引用的哲 学思想一样,直接推动现代西方哲学的进步。 原文: http://www.geekonomics10000.com/155
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分形历史学
热度 1 bigdataage 2014-4-21 15:01
分形历史学 同人于野 本文试图探索用数学方法研究历史。 中国古代知识分子,包括现在的国产文人,喜欢用特别简单的结论来解释朝代兴亡。比如”得道多助, 失道寡助”说,”荒淫无道说”,”得人心者得天下”说。这些说法当然完全站不住脚。康熙好色,乾隆朝贪污腐败,国家没有亡;崇祯勤政而节俭,国家反而每况 愈下;建奴和蒙古人从来没得过人心,居然也得了天下。如果实在无法用君王品质解释,文人们干脆祭出”气数”说。 西方学者对君主个人品质和气数兴趣都不大, 更侧重于人口,自然环境,甚至气候变化对朝代兴亡的影响。 【参考文献:本人写的 《制度问题,素质问题,还是天气问题》 】。 其实如 果我们仔细考察历史,其实很多历史上的重大变化都不是由于一个或者几个简单原因导致,而是由一系列大小事件综合作用的结果。比如明朝灭亡,至少需要五个必要条件:1.小冰河气候,2.东林党争,3.皇太极有才,而且运气实在太好,4.一系列投降事件,5.北京城流行鼠疫。熟悉明史的人很可能还会再加上几 条。这里的要点是缺少其中任何一个条件,明朝都不至于被满清取代,这些事件必须共同起作用。英文有个新词叫做 “完美风暴”(perfect storm) ,说的就是这个意思。 也就是说每一个孤立事件都 不至于影响大局,然而碰巧这些事件都发生了,导致一个极小概率的大变化。 历史很可能是一系列的偶然事件的结果。一个例子是拿破仑滑铁卢战败。有个网上流传的说法: 滑铁卢一役,一代英豪拿破仑居然会输给能力平平的惠灵顿,确实让人感到不可思议。但其实拿破仑根本就没有亲临现场指挥这场战斗。拿破仑没有亲临现场是因 为他在自己的帐篷里休息,他在自己帐篷里休息的原因是他要吸食鸦片,他吸食鸦片的原因是他要止痛,他疼痛难忍 的原因是他痔疮恶化,他痔疮恶化的原因是他穿紧身裤,而他穿紧身裤的原因是当时整个巴黎都在流行穿紧身裤。 当然这个是笑话。在 真实历史中拿破仑直接指挥了滑铁卢战役,而且我看的书里也没说他患有痔疮。不过滑铁卢战败的确是拿破仑和其手下的一系列错误导致 的完美风暴:拿破仑不应该分兵,更不应该让庸才格鲁希指挥分出去的部队,格鲁希不应该在关键时刻犹豫不决,而且老天也不应该在那个时候下大雨,等等等等。 如果进一步考察为什么这些小事件能够发生,其中背后可能又有一系列的小小事件,也许会发现每一个小事件本身也是一场完美风暴。比如我们如果考问洪承畴为 什么投降,范文程为什么甘心当汉奸,再到东林党为什么就没有于谦这样的人物,其背后很可能有和明朝灭亡本身一样复杂的原因。 那么现在如果我们问明朝到底为什么会灭亡,这个问题还有什么意义么?如果答案仅仅是”复杂”这两个字,那么我还有第二个问题:明朝灭亡和宋朝灭亡和元朝灭亡,其原因 的”小事件集合”,是相似的么?这些事件集合是完全随机选取的么? 一个和”明朝为什么灭亡”类似的问题是,当然你肯定猜到了,英国的海岸线有多长。海岸线是一个特别复杂的结构,它的长度取决于你用什么样的尺子去测量。 具体情形,分形的科普文章到处都是,我就不必多说【 http://en.wikipedia.org/wiki/How_Long_Is_the_Coast_of_Britain%3F_Statistical_Self-Similarity_and_Fractional_Dimension 】。 测量出来的海岸线长度L,和所用尺子的长度G,之间有一个简单数学关系:L(G)=MG^(1-D). 其中M是一个常数,而D称为海岸线这个分形结构的”维数”,它 的值在1和2之间。下面这张图来自 Mandelbrot 1976年发表在Science 上 的里程碑文章【 http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/156/3775/636 】,他给出了 几个地区的海岸线的维数: 我需要特别强调的是这么几点: - 这个双对数图上面的海岸线测量变化曲线是几条吻合的相当好的直线,而这个简单数学关系绝对不是从直觉上就对的。如果你用不同的尺子去测量杂乱无章随便乱画 的曲线,再看看测出的结果,最大的可能性是两者之间根本没有这么整洁的数学关系。这种关系之所以能够存在,是因为海岸线的形状不是完全杂乱无章的。这种关 系说明海岸线具有自相似特性。也就是说你拿出一小段英国的海岸线,可能会发现它跟英国另外一小段海岸线的形状很相似。只有具备这种特性的海岸线才是分形, 才能计算维数。 - 不同国家的海岸线的维数并不相同,而这个维数跟海岸线的”长短”没什么关系。如果理解了分形表示自相似,那么这个结论就不会令人感到特别惊讶。 - 海岸线具有分形特征,这只是一个”经验主义 (empirical) “的数学性质,而绝非数学定理。 - 事实上并非所有国家的海岸线都能简单计算分形维数。这也很容易想明白:我们已经知道不同国家的海岸线维数不同,那么假设我们人为制造一条新的海岸线,其形 状是英国海岸线和澳大利亚海岸线的拼接,显然这个新的海岸线就没法算维数,因为英国和澳大利亚的维数不同。2002年有一篇论文,说一个叫做Nanji的 小岛的海岸线其实是由六种不同维数的海岸线拼接而成的。【 http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/login.jsp?url=/iel5/7969/22041 /01027211.pdf?arnumber=1027211】 - 既然如此,那么为什么英国就那么凑巧,正好是一个单一维数的海岸线?。。。海岸线的分性特征根本就不是数学定理。 我认为历史事件也具有自相似,即分形特征。比如中国从汉朝以来大一统的两千多年历史,就有明显的轮回特性。每个朝代的开始和结束,从最大的视野去看,给人感觉差不多。甚至有人比较了汉朝初年和共和国初年的历史事件,也发现不少相似之处。 一个大的历史进程中的各个小事件也具有相似的特性。比如满清入关这个大事件的历史时期,投降和杀戮可能就是时代的主题。再比如说解放军打国民党,大局上是以弱胜强,而其中具体到每一个小战斗,也经常具有以弱胜强 的特征。 这种自相似特性其实还有一个可能的应用,这就是《梅花易数》。《梅花易数》一类 的书进行算卦的理论基础就是如果你正在经历什么自身相关的大事件,这个大事件可以用《易经》中的一个卦象来表示(注意这很有数学味道)。而这时候你 的一举手一投足,甚至抽中什么签,扔出去铜钱的排列组合,也都必然符合这同一个卦象。 既然历史事件具有自相似性,那么就应该可以 用分形办法来研究。现在我们可以回答前面提出的问题了。明朝灭亡和宋朝灭亡一样么?当然不一样。这就好比说英国 的海岸线和澳大利亚的海岸线维数不同一样。一个大事件,比如明朝灭亡,也很可能像诡异的Nanji岛一样,由不同维数的几个大事件拼接而成。 假设我们可以创造一个数学方法来量化计算历史事件的维数, 那么不同大小 的维数代表什么呢?我认为代表事件的复杂度。维数越高就越复杂 ,比如最简单的直线,维数是1. 这样一来分形历史学就找到一个应用:比如说可以用事件 的维数来给电影和电视剧分级。真正的商业片,比如《变形金刚》,维数都很低,主要让观众看完过瘾。而某些文艺片 的维数就很高,导致很多人没看懂。试想如果电影海报上有 “Rated R. 1.25D” 的标记,是不是能让观众多一点选择呢?比如一部PG-13的电影如果维数只有1.1,那么基本上就是要情节没情节要暴力没暴力,干脆不必看了。 分形历史学的最大难点很可能并不是怎么量化计算事件,而是怎么给事件清楚的分类,也就是说分形结构的形状。通过一点调查研究,我可以负责任的告诉大家,怎么给事件分类,比如说怎么给所有的笑话分类,是人类目前还做不到的事情。 原文: http://www.geekonomics10000.com/153
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请教徐晓老师:流形与分形
热度 15 lix 2014-4-20 19:48
徐晓 光速( 4 ):光行差(上) 扯到了《正气歌》: “天地有正气,杂然赋流形。下则为河岳,上则为日星”。 这里,“流形”二字何解?徐晓老师当然也“杂然”讲了一下,但是,比如说吧:从前有座山(五台),山上有座庙(南山寺),庙前有个照壁,中间刻了 48 个字: “当初以来,混元一气。天地回覆,日月光明。分形变化,大道虚空。。。。” 这里的“分形变化”和“杂然流形”,有没有传承关系?
个人分类: 课件科普|11817 次阅读|24 个评论
回答李老师的提问:分形的地理应用,及与遥感尺度的相关思考
热度 1 chenhuansheng 2013-12-12 14:07
我曾偶然间对分形概念作了一点思考,并把自己的不解写到博客里面( http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=573320do=blogid=742543)。 没想到李小文老师专门就此展开讨论( http://bbs.sciencenet.cn/blog-2984-743175.html)。 并引来很多博友关注。 我曾设想,分形能否用于遥感研究的尺度转换呢?这两天恰好因为其他的问题涉及到了分形,顺便看了一点相关的中文文献。 有以下初步印象: 1、分形特征在地理现象中是普遍存在的;所以基于分形思维研究地理现象是可行的。 2、但是用于遥感的尺度扩展,看问题的角度不同,能否应用还不好说。 中文关于分形的地理学应用,北大的陈彦光做了大量的工作。通过相关文献了解到: 地理现象的分形特征,反映的是地理现象自身空间分布特征;或者说随空间位置改变变化而出现的逐渐变化趋势。 地理学中考虑和解释人文地理现象时,常常引用中心地理论。比如以城市中心点为核心点起算,则随着距离这个中心点越远,建筑密度、交通密度、经济水平通常逐渐下降。这种下降的趋势可以用分形的维数来刻画。 我们知道以某一点为圆心,距离为半径,随着距离增大,形成的圆面积越大。面积与距离(半径)的2次方正比。这时候,原面积的逐渐变化维数为2。 但是在远离城市中心点的过程中,城市建筑密度、交通密度不随圆面积同等强度地增大,所以他们的维数不是整数的2或者1。所以也称分维数或分维值。 分维值的求算,涉及到幂函数向对数函数转化、进一步向线性函数转化。在此不再赘述。 国外大城市建成面积随着距离中心点的变化维数呈现一个规律:趋近于1.7(陈彦光,2001)。但是不同城市在不同时期,这个值可能不同。比如巴黎在1960年为1.862。北京1981年达1.93。 就城市建成面积而言,分维值越大(越接近于2),则在远离城市中心的空间过程中,城市建设密度变化小,也就是城市外围与城市中心部位的建筑密度接近。这实际意味着城市发展存在见缝插针、摊大饼式的特征;相反,当这个值趋近于1时,则城市有市中心向城市边沿的空间过程中,建筑密度迅速下降。可能存在用地不经济、粗放型扩张的情形。 类似的研究也已经成功用于交通网络。 上述例子说明,分形关键在于刻画地理现象在空间中逐渐过渡的变化特征。如果不具备这种逐渐过渡,而是跳跃性的发展或者突变,则不具备分形特征。 换句话说,分形方法能否用得上,关键是地理现象自身是否具有分形特征;这种特征独立于数据的采集方式;这种特征也与研究对象自身特点有关。 有的城市建筑密度变化是有分形特征的,有的城市则没有。 接下来考虑遥感尺度转换的问题。 目前遥感还是一种监测手段。遥感在记录地面特征时,数据自身是否具有分形特征,还不知道。 可以考虑这样一个实验:给定一个足够大的、空间异质化程度较高的区域。用不同空间分辨率的遥感数据来记录或者提取地面的特征值,比如植被覆盖度。5米、10米、15、20米、25米、30米……等不同分辨率数据提取的空间各处的植被覆盖度,是否具有分形特征呢? 如果有,分维值是多少? 在别处的应用呢? 这种分形特征是否具有普遍性? 如果有普遍性,可以考虑作为一个尺度转换的方法;否则就不行。
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