Le logiche del supporto decisionale nei sistemi complessi

1. Le logiche del supporto
decisionale nei sistemi complessi
INTELLIGENT DATA MINING
in collaborazione con CSI Ricerca & Ambiente
Centro Ricerche delle Scienze della Comunicazione - Semeion

2. Semeion: dicono di noi

3. Semeion: dicono di noi
ANSA 20 settembre 2011
Sole 24 Ore del 1 aprile 2010

4. Complicato vs complesso
Sistema complicato Sistema complesso
Oltre 200.000 componenti elementari
Si conoscono le proprietà di ogni
singolo componente,
si conoscono le regole di All’inizio era una cellula …
relazione,
è noto il target finale
è un enorme puzzle …

5. Complicato vs complesso
Sistema complessi di eccellenza:
comportamento della natura
• Il clima della terra / Meteorologia, …
• L’ecosistema / Geologia, Geomatica, Sismologia …
• Lo studio dei fluidi / Termodinamica, vetri di Spin,
risonanza stocastica, …
• La sociologia / Psicologia sociale, Scienze della
Comunicazione, …
• L’economia / Analisi di mercato,
• ….
Interdisciplinità attuata utilizzando un linguaggio comune:
la visione sistemica del pensiero umano formalizzato attraverso
I modelli matematici

6. Caos e rumore
L’approccio storico:
Se qualcosa non si capisce per la sua
complessità o non esiste oppure è CAOS
Il nostro approccio sistemico:
Studiare il rumore e il CAOS nella loro interdisciplinità

7. Caos e rumore

8. Da Laplace a Lorenz
L’idea che sta alla base della meccanica classica è che se si conosce la natura
delle forze, conoscendo lo stato presente del sistema in oggetto, il suo
futuro ed il suo passato diventano calcolabili.
Pierre Simon de Laplace, nel 1776, ipotizza l'esistenza di un sistema
dinamico in grado di regolare, in modo rigidamente deterministico e
prevedibile, l'intero Universo.
La smentita a questo approccio si ha nel 1963 con la pubblicazione di due
articoli: quello del meteorologo americano Edward Lorenz e quello del
1976 di Robert May, un fisico inglese che studiò modelli per l'Ecologia.

9. Da Laplace a Lorenz
Il 29 dicembre 1979, il fisico Edward Lorenz presentò alla
Conferenza annuale della American Association for the
Advancement of Science, una relazione in cui ipotizzava come il
battito delle ali di una farfalla in Brasile, a séguito di una catena
di eventi, potesse provocare una tromba d’aria nel Texas.
L’insolita quanto suggestiva relazione, diede il nome al
cosiddetto butterfly effect, effetto farfalla.
In effetti, Alan Turing, in un suo saggio del 1950: Macchine
calcolatrici e intelligenza, anticipava il futuro "effetto farfalla"...
«Lo spostamento di un singolo elettrone per un miliardesimo di centimetro,
a un momento dato, potrebbe significare la differenza tra due avvenimenti
molto diversi, come l'uccisione di un uomo un anno dopo, a causa di una
valanga, o la sua salvezza»

10. Metafora o realtà?
L'effetto farfalla è solo una suggestiva speculazione, oppure
ha un riscontro reale?
Nel corso di un programma di simulazione del clima, Lorenz
fece un’inaspettata quanto importante scoperta. Una delle
simulazioni climatiche si basava su dodici variabili, incluse
relazioni non lineari. Lorenz scoprì che ripetendo la stessa
simulazione con valori leggermente diversi (una serie di dati
veniva prima arrotondata a sei cifre decimali, e
successivamente a tre), l’evoluzione del "clima" elaborata dal
computer si discostava nettamente dai risultati precedenti: a
quella che si configurava appena una perturbazione, dopo una
effimera somiglianza iniziale, si sostituiva un modello climatico
completamente diverso.

11. Il livello di complessità
Il livello di complessità di un sistema dipende dal numero delle relazioni
che esso ha con l’ambiente che lo circonda:
Complessità = f (Relazioni(ambiente)) (kurt lewin teoria del campo 1951)
È una regione compatta entro lo spazio tempo
Sistema complesso
Le regole apparenti che governano le sue dinamiche sono soltanto uno
degli effetti delle dinamiche stesse nell’evolversi del tempo
La sua dinamica globale è indecidibile dal punto di vista locale
La sua dinamica globale NON è data dalla somma delle dinamiche dei
suoi componenti
È un sistema complesso è adattivo (si difende per vivere di più:
Evoluzionismo)

12. Il concetto META
La sua dinamica globale è indecidibile dal punto di vista locale
Nel 1931 l’austriaco Kurt Gödel scrive 11 teoremi, in 23 pagine, che minano le
conoscenze scientifiche dell’epoca.
L’aritmetica NON è completa,
È impossibile dimostrare la non contraddittorietà nell’abito dell’aritmetica
stessa (Aristotele: A e ~A non possono coesistere)
Metodo: formalizza i paradossi ovvero dimostra delle contraddizioni pur
basandosi su un processo di deduzione di premesse coerenti
Nel IV secolo a.c. Eubulide di Mileto introdusse il primo dei paradossi: Il
Mentitore cretese(Disobbediscimi! Il piè veloci di Achille, ecc…)
Aritmetica Scienza
META-…..

13. Il concetto META
La sua dinamica globale è indecidibile dal punto di vista locale
Il SUK visto dall’interno
Il SUK visto dall’alto

14. Il concetto META
La sua dinamica globale è indecidibile dal punto di vista locale
Il SUK visto dall’alto
Aggiungere una dimensione in più
(altezza)
Aggiungere una prospettiva di
osservazione
Osservare le dinamiche delle
relazioni
La meta-osservazione ci permette di vedere:
Le forme interne Le costanti
I movimenti Le forme
Le durate Le simmetrie
Le ripetitività Le dimensioni
Le frequenze Il sistema nel suo complesso

15. Dal Riduzionismo al
Sistemico
La sua dinamica globale NON è data dalla somma delle dinamiche dei
suoi componenti
Ai primi del ‘900, in pieno positivismo, in Germania nasce la scuola della
Gestalt.
I Gestaltisti rifiutano le concezioni teoriche della dottrina degli elementi e
fondano la Teoria della Forma detta "la risposta tedesca alla psicologia di
Wundt".
Il metodo di Wundt, era molto simile a quello della chimica: scomporre ogni
fenomeno nei suoi aspetti elementari per ottenere unità semplici non
ulteriormente riducibili.
Gli psicologi della Gestalt invece affermano che la qualità propria del tutto non
è data semplicemente dalla somma degli elementi che costituiscono il tutto
stesso, ma è data dalle relazioni che intercorrono tra i vari elementi che
compongono il tutto.
Si tratta dunque di una visione dinamica.
Il tutto è più della somma delle parti

16. La formalizzazione
“Nella logica formale una contraddizione è l’inizio di una disfatta, ma nell’evoluzione
del sapere, segna il primo passo del progresso verso la vittoria” (Whitehead)
Nel 1963 Lotfi Zadesh pubblica Linear
System Theory
Teoria
Automatica (Sistemistica)
Sistemi stocastici
Nel 1966 Lotfi Zadesh pubblica Fuzzy
« Il mare è l’acqua più pura e più impura: set theory
per i pesci essa è potabile e conserva la
vita,
per gli uomini è imbevibile ed esiziale. »
(Eraclito V sec. a.c.) « Finché le leggi della matematica si riferiscono
alla realtà, non sono certe, e finché sono certe,
non si riferiscono alla realtà. »
(Albert Einstain, Sidelights on Relativity)

17. Le simmetrie della natura
“La geometria euclidea è incapace di
descrivere la natura nella sua
complessità, in quanto si limita a
“Il libro della natura è scritto in lingua descrivere tutto ciò che è regolare.
matematica ed i suoi caratteri sono Tutti gli oggetti che hanno una forma
triangoli, cerchi ed altre figure perfettamente sferica, oppure…
geometriche, senza i quali mezzi è mentre osservando la natura
impossibile intenderne umanamente vediamo che le montagne non sono
parola; senza questi è un aggirarsi dei coni, le nuvole non sono delle
vanamente per un oscuro labirinto.” sfere, le coste non sono dei
(Galileo Galilei – Opere) cerchi, ma sono oggetti
geometricamente molto complessi.”
(Benoit Mandelbrot - Les objects
fractals 1975”)

18. Frattale: chi era costui?
Why is geometry often described as 'cold' and 'dry'? One reason lies in its
inability to describe the shape of a cloud, a mountain, a coastiline or a tree.
Clouds are not spheres, mountains are not cones, coastlines are not circles,
and bark is not smooth, nor does lightning travel in a straight line
(Benoit Mandelbrot - La geometria della natura)

19. Frattale: chi era costui?
"Figura geometrica o oggetto naturale con una parte della sua forma o
struttura che si ripete a scala differente, con forma estremamente irregolare
interrotta e frammentata a qualsiasi scala e con elementi distinti di molte
dimensioni differenti".
Benoit Mandelbrot (les objects fractales,1975)
Autosimilarità Ripetitività …… Infinità

20. Il punto di vista del
Semeion
Edgar Morin, è arrivato ad affermare (1985 – La sfida della complessità) che
se si potesse definire la complessità in maniera chiara, ne verrebbe
evidentemente che il termine non sarebbe più complesso.
Importanza dell’osservatore
1. Un sistema è una regione compatta dello spazio-tempo;
2. Un sistema è generato dalla interazione locale, cooperativa e
competitiva, delle sue unità atomiche nel tempo.
3. Le regole di un sistema sono l’effetto di questa dinamica in un lasso di
tempo.
4. Un sistema è complesso quando gli effetti globali delle sue interazioni
locali sono altamente non lineari (completamente imprevedibili tramite
analisi di causa-effetto).
5. Un sistema complesso non segue delle regole, ma le genera nel tempo.
Un sistema complesso è quindi anche adattivo.

21. Le Artificial Neural
Network
Tradizionalmente, il termine rete neurale viene utilizzato come riferimento ad
una rete o ad un circuito di neuroni biologici, ma se ne è affermato l’uso
anche in matematica, con riferimento ai modelli matematici delle reti neurali
artificiali (ANN), che rappresentano l'interconnessione tra elementi definiti
neuroni artificiali, ossia costrutti matematici che in qualche misura imitano le
proprietà dei neuroni viventi. Una rete neurale artificiale è
un’interconnessione di un gruppo di nodi, chiamati neuroni: è un sistema
adattativo, uno strumento di modellazione che cambia la propria struttura
sulla base delle informazioni che scorrono attraverso la rete durante la fase di
apprendimento.

22. Artificial Adaptive Systems
Ottimizzazioni
Clusterizzazione
Classificare Generazione /
e predire prototipi Legami nascosti
BP … Constraint SOM …
Satisfaction ACM …
Network,
ACS, …

23. Applicazioni: Imaging
Caso II: Arteria poplitea - dopo
Angiografia originale CM-REM + Quot CM Anti Squashed REM

24. Lato=s
Proiezione=obl
*************
Lesione 1
Micro= Massive Adiposo – opacità stellata (0086b1_1 ) – Elab. 2
Massiva=os
Malign=m
Geometria= X,Y,R
433
1709
118 ORIGINAL CM QUOT

25. Lato=s
Proiezione=obl
*************
Lesione 1
Micro=
Massiva=os Massive Adiposo – opacità stellata (0086b1_1 ) – Elab. 3
Malign=m
Geometria= X,Y,R
433
1709
118 ORIGINAL CM QUOT + REM

26. Lato=d
Proiezione=cc
Massive Adiposo – rotondeggianti reg-irregolari BENIGNE (1187b1_2 ) – Elab. 3
*************
Lesione 1
Massiva=orr ORIGINAL CM QUOT + REM
Malign=b
Geometria= X,Y,R
1283
996
147
*************
Lesione 2
Massiva=orr
Malign=b
1107
996
118
*************
Lesione 3
Massiva=orr
Malign=b
1460
1172
176
*************
Lesione 4
Massiva=orr
Malign=b
1636
1055
59
*************
Lesione 5
Massiva=orr
Malign=b
1695
525
59

27. Applicazioni: predizioni e…
«viaggio nel tempo»
α = +4
α = -4
Tempo T0 + 1 anno
Tempo T0: (l’anno
prima)

28. Applicazioni: a proposito di
nascosto …

29. ACF : Clock
Sources
Standard
Fusion
ACF
Net Wave

30. ACF: Landscape
Sources: IR - Visible
ACF: Net Wave

31. ACF: House(14)
Sources: IR - Visible
ACF Net Wave

32. ACF: House(21)
Sources: IR - Visible
ACF Net Wave

33. ACF: Tree (18)
Sources: IR - Visible
ACF Net Wave

34. Applicazioni: a proposito di
nascosto …
Simulazioni sui 52 punti di CORVARA definiti da 26 campagne di misura
periodo settembre 2001 – ottobre 2008 condotte da ISPRA, Università di
Modena e Provincia Autonoma di Trento e Bolzano
Obiettivo:
• determinare l’insieme di punti (aggiuntivi sul territorio) che permettono
di migliorare il percorso a minima energia MST che connette la struttura
dei punti usati come capisaldi ai tempi T0 e T26 (questo percorso è detto
MMST).
• individuare i 2 punti aggiuntivi detti rispettivamente Armonico e TWC
che hanno particolare significato topologico.

35. Applicazioni: a proposito di
nascosto …
Misura Data Nr Est Nord
M01 09_2001 1 720399.95400000 5158735.54500000
M01 09_2001 2 720515.75000000 5158536.52700000
M01 09_2001 3 720620.68900000 5158588.64500000
M01 09_2001 4 720620.99800000 5158510.16600000
M01 09_2001 5 720865.48400000 5158469.83500000
M01 09_2001 6 720763.71500000 5158383.11700000
M01 09_2001 7 720920.85100000 5158261.04800000
M01 09_2001 8 721094.43800000 5158173.13800000
M01 09_2001 9 721239.46600000 5158201.26600000
M01 09_2001 10 721423.78200000 5158099.24600000
M01 09_2001 11 721173.02500000 5158023.62000000
M01 09_2001 12 721288.81300000 5157917.91000000
M01 09_2001 13 721507.58000000 5157949.05800000
M01 09_2001 14 721651.37700000 5157966.15700000
M01 09_2001 15 721848.99500000 5158007.99400000
M01 09_2001 16 721987.18300000 5158085.97200000
M01 09_2001 17 722045.69100000 5157955.01400000
M01 09_2001 18 721973.57400000 5158183.12100000
M01 09_2001 19 721821.89700000 5158281.65000000
M01 09_2001 20 721983.42600000 5158459.55600000
M01 09_2001 21 722367.95700000 5158087.19900000
M01 09_2001 22 722543.03400000 5158057.81800000
M01 09_2001 23 722577.47500000 5158210.37500000
M01 09_2001 24 722675.80400000 5158297.01300000
M01 09_2001 25 722933.39900000 5158270.36100000
M01 09_2001 26 722782.60100000 5158219.62300000
M01 09_2001 27 722912.27100000 5158371.00000000
M01 09_2001 28 722863.11200000 5158488.70800000
M01 09_2001 29 723255.39700000 5158594.49400000
M01 09_2001 30 723297.35500000 5158443.88600000
M01 09_2001 31 723451.05900000 5158004.24100000
M01 09_2001 32 723461.25800000 5157886.76300000
M01 09_2001 33 723268.88800000 5157581.14900000
M01 09_2001 34 722698.65800000 5158864.91400000
M01 09_2001 35 722422.94300000 5158989.20400000
M01 09_2001 36 721806.73300000 5158959.16000000
M01 09_2001 37 721780.04100000 5158712.03400000
M01 09_2001 38 722337.05800000 5158166.72800000
M01 09_2001 39 721297.58900000 5158686.96800000
M01 09_2001 40 721407.46600000 5158584.70900000
M01 09_2001 41 721140.71000000 5158464.19300000
M01 09_2001 42 721079.40100000 5158577.35200000
M01 09_2001 43 721133.95200000 5158804.36800000
M01 09_2001 44 720838.10700000 5158834.61900000
M01 09_2001 45 720829.98700000 5158711.10100000
M01 09_2001 46 720702.37900000 5158734.99200000
M01 09_2001 47 720982.24300000 5158563.49300000

36. Applicazioni: a proposito di
nascosto …
Simulazione TWISTING THEORY su
CORVARA
Alta
sollecitazio
ni
Alta
sollecitazioni