複雜系統的最優解 之 進化論思想

算法 ?? 演化計算 超級計算機 鍾銘聊科學 2019-04-25

冪律分佈&二八法則

上一期,我們聊到了“為什麼會存在二八法則”,想了解的可以戳鏈接:為什麼會存在二八法則?

二八法則的存在是因為系統呈現了冪律分佈,而我們平時接觸到的其實是正態分佈,

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左:正態分佈 右:冪律分佈

之所以兩種分佈會有不同是因為數據之間的關係,正態分佈的數據之間是離散的,說白了就是相互獨立的,比較常見的就是統計身高。

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而冪律分佈的數據之間則是非離散的,說白了就是它們彼此相互關聯,而不是相互獨立。冪律分佈能更好地描述我們的社會,人和人都是相互關聯的,而不是相互獨立的,所以才有,

社會上20%的人佔有80%的社會財富。

這其實就是一個冪律分佈。

之所以要通過概率分佈的形式來描述一個系統,是因為人類根本無法用簡單的一個公式就把一個複雜系統描述的明明白白,就好像一個沙堆,當你不斷地去放沙粒,即使是超級計算機也無法計算出到哪個沙粒,這個沙堆會垮掉。因為這個沙堆中的任何一粒沙子的相互作用都極其複雜,遠遠超過了超級計算機的算力

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而恰恰社會就像一個沙堆一樣,是個極其複雜的系統,其中每個人就像沙粒一樣都相互關聯和作用著。那麼,在這樣的一個系統當中,作為一個個體,我們有什麼辦法儘量提升自己在分佈中的位置?或者說,我們有沒有可能成為那20%,而不是80%呢?

進化論的啟示

這就需要我們轉變思考方式,人類有個從遠古流傳至今的思考方式,那就是凡事總是要找出因果關係。

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這其實是一種線性的思考方式,但是一個複雜的系統是找不出因果關係來的,是非線性的,也就是說,用線性的思考方式壓根就沒有用。

而比社會更大的複雜系統就是大自然,大自然的很多現象我們根本無法解釋,因為其中的各個因素都彼此勾連,相互作用。

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就拿人類自己來說,人體本身就是個複雜系統,僅僅人腦中,神經細胞就大概有860億個;

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人類染色體總共有30億個鹼基對形成的核苷酸序列。

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所以,我們始終研究不明白人體的很多問題。

不過,也並不是說,達爾文的進化論給我們提供了一個面對複雜系統時可以使用的思維方法。

進化論思想其實已經在儘可能地描述大自然的發展規律,而且非常成功,科學家幾乎找不到可以比進化論更適配的理論。

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如果精煉地進行歸納就是:

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定向進化的應用

我們試想一下,過度繁殖生存鬥爭不正是在描述一個複雜系統的先決條件麼?就像沙堆,股市的兩個特點:數量龐大相互作用

而複雜系統的演化方向正是由自然選擇所決定。從進化論的角度來看,想要解決一個複雜問題的關鍵就是保證:多樣性

這個思想運用得極為廣泛,現代科學但凡遇到極其複雜的系統,科學家都會考慮使用進化論的思想。就拿去年的諾貝爾化學獎來說,

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化學家阿諾德獲得諾貝爾獎的原因是:酶的定向進化

為了方便你的理解,我們來舉個例子:首先我們都知道酶是可以促進化學反應的進行,但這和酶的活性和效率有關。

如果想要得到一個能高效產出某種藥用成分的植物,但我們找不到對應植物的基因序列。她會先用蛋白質的基因序列進行大規模隨機突變(增加多樣性)。

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然後把突變的基因移植到微生物體內進行快的大規模繁殖。然後把這些蛋白質加入到生產環節中去,通過一代代地篩選,扔掉那些活性和效率都不行的酶,留下還說的過去的,然後再進行一輪突變,再篩選,一輪輪這樣下去,直到獲得滿意的。

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在整個過程中,科學家自身擔負起了“自然選擇”的工作,這就相當於加快了演化速度,並通過整個辦法獲得了滿意的蛋白質。

但其實整個過程,我們並不知道為什麼會這樣的基因序列對應蛋白質能夠實現這個功能,這個辦法不需要問具體原因是什麼。

而傳統的辦法,我們必須向搞清楚因果關係,才能去做。這就是進化論粗暴的地方。

演化算法

這種不問因果關係的粗暴解決方式用在了各行各業,其中就有目前大熱的計算機領域,在這個領域有非常著名的演化算法,也有人管這個叫做遺傳算法。

演化算法說白了就是通過自然選擇和遺傳學模擬生物進化過程的解決問題的模型,通過這個辦法,我們可以找到自然進化過程的最優解。

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那我們該如何理解演化算法呢?實際上,演化算法極其複雜,直接描述估計很多人看完會崩潰,我就舉一個非常粗暴的例子。假設你是個年輕小夥子,想要去相親,媒婆問你喜歡哪種類型,什麼模樣的姑娘。

這時候你就需要想想你到底什麼樣子的對象。但你自己也不知道自己什麼樣的。你就可以讓計算機來幫忙。

粗暴地說,就是讓計算機畫,先畫個幾十萬張。每一張其實都代表著一種算法。

然後你通過設定標準比如:雙眼皮,大眼睛,櫻桃小嘴先讓計算機自己篩一遍。剩下的你自己看看,選出感覺還可以的一些,給到計算機,設定讓這些算法交叉變異一下,然後讓他們再畫,然後再篩選,再畫,一直循環往復。你就會發現,畫出來的樣子越來越符合你的口味,直到你看到超級滿意的那個。

然後這個算法就是其實就是你想要的最優解,你就可以打出照片來給媒婆去相親了。

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通過這個辦法我們得到很多很不一樣的解決方案,而這些解決方法你沒有辦法通過一個公式或者一個理論去解釋什麼是這個樣子,其中最有名的就是鳥巢。鳥巢就是通過演化算法設計出來的結構。看起來很獨特,不過你要知道,它異常的堅固。

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還有日本的新幹線,通過演化算法迭代得到“氣動雙翼”的獨特空氣動力造型車鼻和科學家設計是有很大差異的,而“氣動雙翼”的獨特空氣動力造型車鼻能減少30%的能源消耗。

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演化思想

人類認知學家和科學哲學家丹尼爾·丹內特曾經說過:

在任何一個系統中,只要其個體都完全的產生或依賴於一種信息體,且該信息體的生成具備三個特性:可變性、選擇性和遺傳性,則該系統就將必然的不受控的出現進化現象。

從中我們不難發現對於一個人而言,這三點是相當重要的。

這告訴我們要讓自己經常跨界合作,保持可變性,常常接受和學習新的知識和理論從而實現實現多樣性,不斷總結和迭代,才能在能讓使得自己不在社會這個大系統中被淘汰。

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