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Antropología: Series temporales complejas Dr Carlos Reynoso Universidad de Buenos Aires México, UNAM/Ciudad Juárez, mayo de 2006 Bogotá, Universidad Nacional, mayo de 2012 Manizales, Universidad de Caldas, 2012-2013 carlosreynoso@filo.uba.ar http://carlosreynoso.com.ar

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Objetivos Ingresar a las ciencias de la complejidad y el caos por la vía de la dinámica Examinar formalismos no en sí mismos, sino en sus implicancias epistemológicas Continuar clarificando la noción de problema y tratabilidad Introducir desafíos epistemológicos al pensamiento lineal y seudo-complejo

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Agenda Tipificación de los modelos Criticalidad auto-organizada No-linealidad: Ecuación logística Análisis de recurrencia y series temporales complejas Aplicaciones en ciencias empíricas

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Geometrías y modelos Modelos mecánicos = geometría euclideana, dimensiones enteras, axiomas, deducción, linealidad, equilibrio (punto fijo) Modelos estadísticos = Gráficos de tortas y barras, probabilismo, inducción, correspondencias, azar Modelos sistémicos = No linealidad, atractores extraños, objetos fractales, recursividad, complejidad, aperiodicidad, homotecia, criticalidad auto-organizada Modelos hermenéuticos = No tienen geometría

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Los cuatro modelos

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Dinámica no lineal

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Ecuación logística Xt+1 = k * xt * (1 – xt) X: Población - entre 0 y 1 K: Tasa de crecimiento - entre 0 y 4

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Ecuación logística Modelo poblacional Alternativa a ecuación de Malthus Ecuación de Verhulst Otras aplicaciones: gotas a chorros, comportamiento de gases, motines, catástrofes, sucesión de estados climáticos (sequías, corrientes marinas) Atractor de punto fijo Atractor periódico Aperiodicidad (caos determinista) Atractor de Lorenz Período 3 implica caos Irreversibilidad Conociendo una serie tan larga como se quiera, no se puede predecir el valor siguiente (Bateson)

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Atractores Atractor de punto fijo Atractor periódico Atractor de torus o semi-periódico Atractor extraño (Ruelle) o de mariposa Atractor de Lorenz (*Fractint) Dimensión 2.05 (en 3D): 0 volumen, superficie infinita Ergodicidad: cubre la región, pero no pasa por el mismo estado más de una vez

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Bifurcación de Feigenbaum

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Constante universal de Feigenbaum Bifurcación Duplicación de períodos 4.6692016090… Experiencia de Hoggard

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Número de Feigenbaum (Nick Hoggard)

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Criticalidad auto-organizada

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Auto-organización Propiedad dinámica de los sistemas complejos Complejidad organizada Definida por Warren Weaver Teoría de la información (con Claude Shannon) Creador de la idea de biología molecular Definida en primer término por W. Ross Ashby

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Criticalidad auto-organizada Per Bak

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Criticalidad auto-organizada Pila de arena: avalanchas Distribución de ley de potencia Rasgo fractal (cuenca de rios, palabras en texto, terremotos, ciudades/tamaño, riqueza, extinción de especies en eras geológicas) No: estaturas, lotería: frecuencia estadística normal Espectro de potencia 1/f Auto-organización Comunicación y vecindad entre agentes No proporcionalidad de causa y efecto: un grano  reacción en cadena Independencia de objeto y escala (grano/tamaño) Fractales naturales – Instantáneas de procesos críticos (Tamás Vicsek)

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Criticalidad auto-organizada Aplicaciones: Bentley (Wisconsin) / Maschner (Idaho) – SOC aplicada a lista de venta de discos Modelo crítico de extinción, agentes compitiendo por espacio limitado (top 200) Similar a otros modelos críticos de extinción Tiempo de persistencia en lista, “avalancha” (relación con número total que salen de la lista)

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Criticalidad auto-organizada Keitt (SFI) Marquet (UC Chile), 1995: Introducción y extinción de avifauna en Hawaii Shih-Kung Lai, evolución de ciudades Otros: modelos de propagación de incendios y enfermedades exhiben criticalidad

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Aplicaciones en antropología Bentley-Maschner: tipos cerámicos en Arizona y Nueva York (criticalidad organizada en aparición y extinción) Allen, Sanders: criticalidad aplicada a la expansión de ciudades Lev, Leitus, Shalev: ley de potencia para datación de piezas metálicas Harvey y Reed: paradigma iconológico

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Desafío epistemológico Dimensión visual de la complejidad Batty-Steadman-Xie 2004 – Visualizaciones (a) la que busca hacer las cosas más simples y explicables, (b) la que explora resultados imposibles de anticipar y refina procesos que interactúan de formas retorcidas o contraintuitivas, y (c) la que permite a los usuarios sin previo conocimiento técnico pero aguda comprensión del problema usar modelos para predicción, prescripción y control. Paradigma iconológico – Harvey y Reed 1997 (Panofsky)

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Paradigma iconológico Teoría de los paisajes Colinas y valles del espacio de búsqueda de algoritmos genéricos Paisaje de adecuación de la memética Paisajes epigenéticos de Waddington Relieves del método de simulación de templado Topologías catastróficas de Thom Cuencas de atracción de autómatas celulares y redes booleanas Estructura fractal de los paisajes.

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Gráficos (plots) de recurrencia

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Traza de recurrencia

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Traza de recurrencia Recurrence plot – Jean-Pierre Eckman Atractores extraños Técnica de representación que destaca correlaciones de distancia en una serie temporal Visualiza la geometría de la conducta de un sistema dinámico Permite también comparar la conducta de dos sistemas mejor que la técnica estándar (regresión no lineal) No interesa cuántas dimensiones o parámetros tenga un sistema Se pueden regular los parámetros y enfatizar la incidencia de cada uno

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Traza de recurrencia

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Tipología Homogéneo – Ruido blanco Periódico – Oscilaciones armónicas Deriva – Ecuación logística 3.98 Cambios abruptos – Movimiento browniano

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Ejemplos Tipología musical Lamentos y canciones de cuna Maternidad adolescente en Texas Consonancia y disonancia Patrones de (a)periodicidad en eventos culturales de larga escala Secuencias arqueológicas en tafonomía y desertización Identificación temporal de cambios de fase y régimen

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Gráficos de recurrencia (1/2) Recurrencia: definida por Poincaré (1890) Vinculado con principio ergódico y atractores. Un sistema pasará con el tiempo tan cerca como se quiera de su estado inicial. Gráficos: Propuestos por Eckmann y Ruelle en 1987 Ruelle es quien propuso la idea de “atractores extraños” Mapeado de series (temporales) multidimensionales en espacio gráfico de dos dimensiones. Visualizar las trayectorias en el espacio de fases.

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Gráficos de recurrencia (2/2) La recurrencia es un valor que se repite a sí mismo dentro de un radio determinado. Dada una serie temporal, se puede conjeturar la incidencia de uno o más parámetros. Independiente de naturaleza material de las series. Zbilut y Webber introdujeron el análisis de cuantificación de recurrencia en los 90s Laminaridad, determinismo, tasa de recurrencia, divergencia, entropía…

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Tipología (Norbert Marwan 2003)

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Gráficos de recurrencia Tres clases de plots / modelos de serie temporal Ruido blanco – Secuencias al azar Ruido marrón (browniano) – Secuencias estocásticas Ruido rosa – Fractal, música susceptible de ser asimilada (en cualquier cultura)

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Consonancia / disonancia

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Consonancia

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Disonancia

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Disonancia

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Disonancia

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Day tripper (Lennon-McCartney)

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Bach / Money (Pink Floyd) Transición 4/4 a 7/4

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Cómo se interpreta El brillo de un punto es proporcional a la similitud en los tiempos (i, j) La diagonal blanca denota auto-similitud. La similitud repetitiva resulta en un patrón de tablero de damas. Los temas largos repetidos se ven como diagonales paralelas separadas de la diagonal principal por la diferencia temporal que media entre las repeticiones. Se pueden modular variaciones de volumen mediante color (rojo=alto, azul=bajo)

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Ejemplo Rondó del Concierto para corno nº 4 en Mi K 495 de Mozart. Al comienzo hay un breve silencio. La exposición del corno difiere de la exposición de la orquesta por la diversidad tímbrica. La nota alta sostenida del corno ocasiona el cuadrado brillante a los 20 segundos. © Jonathan Foote

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Ejemplo Maternidad adolescente en Texas, 1964-1990 Dooley & al 1997 b=1970, anticonceptivos disponibles c=1973, Row vs Wade, aborto legal h=1980-1990, acciones en contra del aborto

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Usos comparativos Tres grupos de flautas de Pan ‘Are’Are, Malaita, Islas Salomón, Melanesia (Hugo Zemp, 1974-77) Bandas de flautas de Pan sin percusión Sicuras del norte de Chile (Jochen Wenzel, 1960s) Bandas de flautas de Pan y percusión indígenas Bandas de sikuris de la Quebrada de Humahuaca, Jujuy, Argentina (Carlos Reynoso, 1978) Bandas de flautas de Pan con afinación casi temperada y percusión militar

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Malaita – Islas Salomon

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Malaita – Islas Salomon

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Malaita – Islas Salomon

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Malaita – Islas Salomon

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Chile - Sicuras © Jochen Wenzel

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Sikuris - Quebrada de Humahuaca

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Sikuris - Quebrada de Humahuaca

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Sikuris - Quebrada de Humahuaca

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Sikuris - Quebrada de Humahuaca

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Resultados Lamento de Albania Lamento Bosavi Canto lírico celta

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Resultados Ruido blanco, fractal de Lorenz, Canto Selknam Flautas de Salomon (Zemp), sicuras de Chile (Wenzel), sikuris de Argentina (Reynoso)

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Ruido blanco

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Atractor de Lorenz

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Canto Selknam

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‘Are’Are

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‘Are’Are

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Chile

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Chile

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Humahuaca

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Humahuaca

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Auto-organización

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Aplicaciones

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Aplicaciones Detección y predicción de episodios de arritmia cardíaca (incluyendo taquicardia y fibrilación ventricular) mediante algoritmo de complejidad no lineal (pp. 69-74) Caracterización y detección de respiración aberrante en niños (apnea de sueño y síndrome de muerte súbita (pp. 155-165) Evaluación cuantitativa de las medidas gubernamentales ante la crisis del SARS en Hong Kong (pp. 181-194)

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Aplicaciones Origen de caos en el sistema cardiovascular Análisis dinámico no lineal del sistema barorreflejo Comportamiento no lineal del ritmo cardíaco en pacientes trasplantados Diagnosis de problemas cardiovasculares a través de medidas de no linealidad Uso de exponente de Lyapunov para predecir ataques epilépticos Análisis dinámico no lineal de la actividad gástrica mioeléctrica para identificar desórdenes de motilidad gástrica (2001)

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Aplicaciones

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Referencias

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Preguntas? Prof Carlos Reynoso http://carlosreynoso.com.ar

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