complejidad - chialvo.net · complejidad ecología biologí a a meteorología geofisica...

74
Complejidad Ecología Biologí a Psicologia Meteorología MacroEconomía Geofisica Dante R. Chialvo Email: [email protected] www.chialvo.net

Upload: others

Post on 02-Oct-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Complejidad

Ecología

Biología

Psicologia Meteorología

MacroEconomía Geofisica

Dante R. Chialvo

Email: [email protected] www.chialvo.net

Page 2: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

La estadistica que aprendimos describe la uniformidad (gaussianas)

La naturaleza es NO HOMOGENEA!!!, por donde se la mire

Ejemplo: distribución de peso versus distribución de pesos $

“una forma” “muchas formas”

Page 3: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

“Fractals”

Que son? Como estudiarlos? por que nos pueden importar?

Material extraido del libro “Introduction to Fractals” Larry S. Liebovitch Lina A. Shehadeh

Page 4: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

How fractals CHANGE the most basic ways we analyze and understand experimental data.

Page 5: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Non-Fractal

Page 6: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Fractal

Page 7: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

El universo es Fractal

Page 8: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Non - Fractal

Size of Features 1 cm

1 characteristic scale

Page 9: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Fractal Size of Features

2 cm 1 cm 1/2 cm

1/4 cm

many different scales

Page 10: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Fractals

“Self-Similarity” Auto-similaridad

Page 11: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Water

Land

Water

Land

Water

Land

Self-Similarity Pieces resemble the

whole.

Page 12: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Sierpinski Triangle

Page 13: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Branching Patterns blood vessels Family, Masters, and Platt 1989 Physica D38:98-103 Mainster 1990 Eye 4:235-241

in the retina air ways in the lungs West and Goldberger 1987 Am. Sci. 75:354-365

Page 14: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Blood Vessels in the Retina

Page 15: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

PDF - Probability Density Function

HOW OFTEN there is THIS SIZE

Straight line on log-log plot = Power Law

Page 16: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Statistical Self-Similarity

The statistics of the big pieces is the same as the statistics of the small pieces.

Page 17: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Currents Through Ion Channels

Page 18: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Currents Through Ion Channels

Page 19: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Currents Through Ion Channels

ATP sensitive potassium channel in cell from the pancreas

Gilles, Falke, and Misler (Liebovitch 1990 Ann. N.Y. Acad. Sci. 591:375-391)

5 sec

5 msec

5 pA

FC = 10 Hz

FC = 1k Hz

Page 20: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Closed Time Histograms potassium channel in the

corneal endothelium

Number of closed Times per Time Bin in the Record

Liebovitch et al. 1987 Math. Biosci. 84:37-68

Closed Time in ms

Page 21: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Closed Time Histograms potassium channel in the

corneal endothelium

Number of closed Times per Time Bin in the Record

Liebovitch et al. 1987 Math. Biosci. 84:37-68

Closed Time in ms

Page 22: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Closed Time in ms

Number of closed Times per Time Bin in the Record

Closed Time Histograms potassium channel in the

corneal endothelium Liebovitch et al. 1987 Math. Biosci. 84:37-68

Page 23: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Closed Time Histograms potassium channel in the

corneal endothelium

Number of closed Times per Time Bin in the Record

Liebovitch et al. 1987 Math. Biosci. 84:37-68

Closed Time in ms

Page 24: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Fractals

Scaling

Page 25: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Scaling The value measured depends

on the resolution used to do the measurement.

Page 26: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

How Long is the Coastline of Britain? Richardson 1961 The problem of contiguity: An Appendix to Statistics

of Deadly Quarrels General Systems Yearbook 6:139-187 Lo

g 10 (

Tota

l Len

gth

in K

m) AUSTRIALIAN COAST

CIRCLE

SOUTH AFRICAN COAST GERMAN LAND-FRONTIER, 1900 WEST COAST OF BRITIAN

LAND-FRONTIER OF PORTUGAL

4.0

3.5

3.0

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 LOG10 (Length of Line Segments in Km)

Page 27: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Genetic Mosaics in the Liver P. M. Iannaccone. 1990. FASEB J. 4:1508-1512.

Y.-K. Ng and P. M. Iannaccone. 1992. Devel. Biol. 151:419-430.

Page 28: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Kinetic Rate Constant: k = Prob. to change states in the next ∆t.

Effective Kinetic Rate Constant: keff = Prob. to change states in the next ∆t,

given that we have already remained in the state for a time keff.

k = Pr ( T=t, t+∆t | T > t ) / ∆t eff eff

age-specific failure rate

= – d dt ln P(t)

P(t) = cumulative dwell time distribution

Fractal Kinetics

Page 29: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

70 pS K+ Channel Corneal Endothelium

Liebovitch et al. 1987 Math. Biosci. 84:37-68.

eff k in Hz

effective time scale t eff in msec

effective kinetic rate

constant 100"

1000"

10"

1"1" 10" 100" 1000"

k eff = A t eff 1-D

Page 30: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Fractal Approach

New viewpoint: Analyze how a property, the effective kinetic rate constant, keff, depends on the effective time scale, teff, at which it is measured.

This Scaling Relationship: We are using this to learn about the structure and motions in the ion channel protein.

Page 31: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

one measurement: not so interesting

slope

Scaling

Loga

rithm

of

the

mea

sure

mnt

Loga

rithm

of

the

mea

sure

mnt

one value

Logarithm of the resolution used to make

the measurement

Logarithm of the resolution used to make

the measurement

scaling relationship: much more interesting

Page 32: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Fractals

Statistics

Page 33: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Not Fractal

Page 34: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Not Fractal

Page 35: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Gaussian Bell Curve “Normal Distribution”

Page 36: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Fractal

Page 37: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Fractal

Page 38: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Mean Non - Fractal

More Data

pop

Page 39: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

The Average Depends on the Amount of Data Analyzed

Page 40: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

The Average Depends on the Amount of Data Analyzed

each piece

Page 41: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Ordinary Coin Toss Toss a coin. If it is tails win

$0, If it is heads win $1.

The average winnings are: 2-1.1 = 0.5

1/2

Non-Fractal

Page 42: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Ordinary Coin Toss

Page 43: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Ordinary Coin Toss

Page 44: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

St. Petersburg Game (Niklaus Bernoulli)

Toss a coin. If it is heads win $2, if not, keep tossing it until it falls heads. If this occurs on the N-th toss we win $2N. With probability 2-N we win $2N.

H $2 TH $4 TTH $8 TTTH $16

The average winnings are: 2-121 + 2-222 + 2-323 + . . . =

1 + 1 + 1 + . . . = Fractal

Page 45: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

St. Petersburg Game (Niklaus Bernoulli)

Page 46: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

St. Petersburg Game (Niklaus Bernoulli)

Page 47: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Non-Fractal Log avg

density within radius r

Log radius r

Page 48: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Fractal

Log avg density within radius r

Log radius r

.5

-1.0

-2.0

-1.5

.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 0 -2.5

0

Meakin 1986 In On Growthand Form: Fractal and Non-Fractal Patterns in Physics Ed. Stanley & Ostrowsky, Martinus Nijoff Pub., pp. 111-135

Page 49: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Electrical Activity of Auditory Nerve Cells

Teich, Jonson, Kumar, and Turcott 1990 Hearing Res. 46:41-52

voltage

time

action potentials

Page 50: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Electrical Activity of Auditory Nerve Cells

Teich, Jonson, Kumar, and Turcott 1990 Hearing Res. 46:41-52

2

Count the number of action potentials in each window:

6 3 1 5 1

Firing Rate = 2, 6, 3, 1, 5,1

Divide the record into time windows:

Page 51: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Electrical Activity of Auditory Nerve Cells

Teich, Johnson, Kumar, and Turcott 1990 Hearing Res. 46:41-52

Repeat for different lengths of time windows:

8 4 6 Firing Rate = 8, 4, 6

Page 52: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Electrical Activity of Auditory Nerve Cells Teich, Jonson, Kumar, and Turcott 1990 Hearing

Res. 46:41-52

0

The variation in the firing rate does not decrease at longer time windows.

4 8 12 16 20 24 28

70 60

80

90 100

120 130

140

110

150

T = 50.0 sec T = 5.0 sec

T = 0.5 sec

FIR

ING

RAT

E

SAMPLE NUMBER (each of duration T sec)

Page 53: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Fractals

Power Law PDFs

Page 54: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Heart Rhythms

Page 55: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Inter-event Times

Episodes of Ventricular Tachycardia (v-tach)

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5

time ->

Cardioverter Defibrillator

Page 56: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Interval (in days)

Relative!Frequency

10 3 10 2 10 1 10 0 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6

Relative Frequency =!(9.8581) Interval-1.0988"

Patient #33

Page 57: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Interval (in days)

Relative!Frequency

Relative Frequency =!(3.2545) Interval-1.3664"

10 3 10 2 10 1 10 0 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6

Patient #53

Page 58: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

6 Patients Liebovitch et al. 1999 Phys. Rev. E59:3312-3319.

Page 59: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

59

Behavior

Page 60: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Behavior: is there an average rate for animal motion?

Anteneodo and Chialvo, Chaos(2009)

Page 61: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Wish a scale free life? stop working hard, scaling is due to inactivity pauses!

Anteneodo and Chialvo, Chaos(2009)

Page 62: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

More on scaling and inactivity pauses

Inactivity pauses

Anteneodo and Chialvo, Chaos(2009)

Page 63: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Inter-arrival Times of E-mail Viruses

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5

time ->

Liebovitch and Schwartz 2003 Phys. Rev. E68:017101.

AnnaKournikova "Hi: Check This!” AnnaKournikova.jpg vbs."

Magistr Subject, body, attachment from other files: erase disk, cmos/bios.

Klez E-mail from its own phrases: infect by just viewing in Outlook Express."

Sircam “I send you this file in order to have your advice.”

Page 64: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

E-mail Viruses

20,884 viruses 153,519 viruses

Page 65: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

E-mail Viruses

413,183 viruses 781,626 viruses

Page 66: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Determining the PDF from a Histogram

Bins ∆t Small Good at small t. BAD at large t.

Bins ∆t Large BAD at small t. Good at large t.

t

PDF

Page 67: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Determining the PDF Liebovitch et al. 1999 Phys. Rev. E59:3312-3319.

Solution: Make ONE PDF From SEVERAL Histograms of DIFFERENT Bin Size

Choose ∆t = 1, 2, 4, 8, 16 … seconds

PDF(t) = N(t)Nt ∆t

N(t) = number in [t+∆t, t]Nt = total number∆t = bin size

Page 68: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Determining the PDF

10 410 310 210 110 010 -110 -210 -6

10 -5

10 -4

10 -3

10 -2

10 -1

10 0

10 1

LSL algorithmConstant Bins

Data from "g7-5K"

Values

PDFy = 1.6293e-2 * x^-0.98111 R^2 = 0.984

New multi-histogram

Standard fixed ∆t

Page 69: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Fractals

Summary

Page 70: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Summary of Fractal Properties

Self-Similarity Pieces resemble the

whole.

Page 71: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Summary of Fractal Properties

Scaling The value measured

depends on the resolution.

Page 72: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Summary of Fractal Properties

Statistical Properties Moments may be zero

or infinite.

Page 73: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

400 years ago: Gambling Problems Probability Theory

200 years ago: Statistics How we do experiments.

100 years ago: Student’s t-test, F-test, ANOVA

Now: Still changing

Statistics is NOT a dead science.

Page 74: Complejidad - chialvo.net · Complejidad Ecología Biologí a a Meteorología Geofisica MacroEconomía Dante R. Chialvo Email: dchialvo@ucla.edu

Fractals CHANGE the most basic ways we analyze and understand experimental data.

Fractals

Measurements over many scales.

What is real is not one number, but how the measured

values change with the scale at which they are measured

(fractal dimension).

No Bell Curves No Moments

No mean ± s.e.m.