O estudo de caminhadas aleatórias em meios desordenados e um assunto bastante explorado e pode modelar uma grande variedade de problemas, como por exemplo, problemas de transporte (difusão). O estudo de caminhadas determinísticas em meios desordenados é um assunto pouco explorado. Em uma paisagem composta de N sítios distribuídos aleatoriamente no espaço, um caminhante ("turista") visita estes sítios seguindo a seguinte regra determinística: ir para o sítio vizinho mais próximo que não tenha sido visitado nos últimos passos. De cada sítio inicial, a trajetória obtida com esta dinâmica determinística apresenta inicialmente um tempo de transiente t, onde novos sítios são visitados, e no final um atrator de período p, onde os mesmos sítios são sempre revisitados. Apesar da simplicidade do modelo, a dinâmica e complexa e os resultados não são triviais. Para dimensionalidades d = 2, a distribuição de atratores de período p, obtida numericamente, pode ser descrita por uma lei de potência com um corte exponencial. Os modelos de ligações aleatórias simétricas (que representa o limite de alta dimensionalidade d = 1 do modelo proposto) e assimétricas indicam que o corte exponencial se torna menos importante à medida que N aumenta. O expoente da lei de potência independe da memória tau, sendo portanto uma distribuição robusta. A dinâmica do turista pode ser aplicada a problemas mais abstratos, onde apenas relações de ordem entre vizinhos são dados. O estudo (por amostragem) da estrutura de um dicionário de sinônimos e um exemplo que foi considerado. Mostrou-se que as palavras podem ser embebidas em um espaço Euclidiano de baixa dimensionalidade.Este resultado concorda com um recente estudo exaustivo realizado e questiona o modelo de análise semântica latente. Com a finalidade de entender a transição entre uma caminhada determinística e uma caminhada aleatória, generalizou-se o problema com memória nula designando uma distribuição de probabilidades para o turista visitar os diversos sítios. Esta distribuição e parametrizada por uma variável externa T (temperatura) de modo que para T = 0 têm-se a caminhada do turista como caso limite e para T tendendo para infinito todos os sítios são visitados com igual probabilidade. Resultados analíticos (d = 1) e numéricos mostram a existência de uma região bem delimitada de transição entre os regimes não-ergódico (baixa temperatura) e ergódico (alta temperatura). Uma analogia é estabelecida com o modelo de vidros de Bouchaud. A eficiência da caminhada com relação aos novos sítios visitados, foi estudada e ela e máxima na borda da aleatoriedade, ou seja, ao redor da temperatura de transição. / The study of random walks in disordered media is one well-developed subject and it can model a great variety of problems, for instance, problems of transport (diffusion). The study of deterministic walks in disordered media is a subject not too explored. In a landscape composed of N sites randomly distributed in of, a walker ("tourist") visits these sites following the deterministic rule: going to the nearest site that has not been visited in the last tau steps. From each initial site, the trajectory, obtained with this deterministic dynamics, presents initially a time transient t, where new sites are visited, and, in the end, a p-period attractor, where the same sites are always revisited. In spite of the simplicity of the model, the dynamics is complex and the results are not trivial. For dimensionalities d = 2, the distribution of p-period obtained numerically can be described by a power law with an exponential cut. The models of symmetrical random connections (that represents the limit of high dimensionality d = 1 of the proposed model) and asymmetrical random connections indicate that the exponential cut turns out to be less important as N increases. The exponent law of the power law does not depend on the memory tau, being therefore a robust distribution. The tourist dynamics can be applied to more abstract problems, where just relationships of neighbor order are given. The study (by sampling) of the structure of a dictionary of synonyms has been considered. It has been shown that the words can be embedded in an Euclidean space of low dimensionality. This result agrees with a recent exhaustive study accomplished and it challenges the model of latent semantic analysis. With the purpose of understanding the transition between a deterministic and a random walk a generalization of the problem, with null memory has been performed by designating a distribution of probabilities for the tourist to visit the several sites. This distribution has the external variable T (temperature) as a parameter so that, when T = 0 it has the tourist walk as a limiting case and for T tending to infinity all of the sites are visited ith equal probability. Analytical numerical results (d = 1) show the existence of well delimited transition between non-ergodic (low temperature) and ergodic (high temperature) regime. An analogy is established Bouchaud glass model. The walk efficiency, regarding the new visited sites to trajectory length, has been studied and it is maximum at the edge of stochasticity, in other words, around the temperature of transition.

O ambiente de mercado contempla diversas influências econômicas, empresariais e sociais e pode ser entendida a partir do comércio, atividade que representa o fluxo de produção e recursos entre fornecedores e consumidores. A área de Sistemas Complexos oferece uma abordagem de estudo que possibilita um aprofundamento da compreensão dos mecanismos de interação que determinam a competitividade de mercado, alem de proporcionar uma avaliação interdisciplinar das condições adequadas para o funcionamento da atividade varejista. São retomados trabalhos clássicos de Sistemas Complexos para discutir as possibilidades de estudos interdisciplinares na área de marketing e estratégia. Este trabalho relaciona os fundamentos do marketing área de estudo diretamente relacionada com a origem do conceito de mercado com princípios de emergência estratégica, abordados pela área de sistemas complexos. A dissertação também apresenta um modelo de agentes desenvolvido para o estudo de princípios econômicos como exemplo de instrumento para análise de competitividade empresarial e influência no comportamento do consumidor através de estratégias de marketing aplicadas ao varejo / The market environment offers numerous economic, business and social influences and can be understood from the trade, which is the intermediation between production flow and consumers. Complex Systems offers a study approach that allows for a deeper understanding of the interaction mechanisms that determine market competitiveness, in addition to providing an interdisciplinary assessment of appropriate conditions for the operation of retail activity. Classic works of Complex Systems are taken to discuss the possibilities of interdisciplinary studies in marketing and strategy. This work relates the marketing fundamentals study area directly related to the origin of market concept with principles of strategic emergency, covered by Complex Systems. This dissertation also presents a model of agents developed for economical principles studies as a tool to analyze competition between companies and influence on consumer behavior through marketing strategies applied to retail

Estudos em redes complexas têm ganhado cada vez mais atenção devido ao seu potencial de representação simples de modelos complexos em diversas áreas de conhecimento. A obtenção de modelos quantitativos que representem fenômenos observados da natureza, assim como o desenvolvimento de metodologias de caracterização de redes complexas, tornaram-se essenciais para a compreensão e desenvolvimento de pesquisas com essas estruturas. Este trabalho tem como objetivo desenvolver e estudar alguns métodos recentes, usados para a caracterização de redes complexas, explorando-os no contexto da modelagem de conhecimento. Para isso, duas redes complexas foram geradas, uma rede de colaboração de pesquisadores da USP e outra obtida a partir do banco de dados de artigos da Wikipédia, considerando apenas aqueles da categoria de teoremas matemáticos. As medidas concêntricas, que foram recentemente formalizadas, são exploradas e aplicadas às redes descritas, assim como para diversos modelos teóricos, fornecendo informações muito relevantes sobre a topologia dessas redes. Resultados ainda mais interessantes são obtidos pela caracterização dos vértices da rede de colaboração, que revelam padrões de interdisciplinaridade entre as diferentes áreas do conhecimento. Um modelo de aquisição de conhecimento também foi proposto, aplicando a utilização de simulações de múltiplos agentes interagentes que caminham por uma rede complexa segundo uma heurística auto-esquivante. Resultados dessas simulações, realizadas para a rede da Wikipédia e outros modelos teóricos, mostram que certas configurações de parâmetros e de redes apresentam melhor desempenho na aquisição do conhecimento, com a rede de teoremas apresentando o pior deles. Entretanto, diferentemente do que era esperado, a variação da memória dos agentes pouco influência a velocidade de aquisição de conhecimento dos agentes. A freqüência de acesso dos vértices pelos agentes também foi determinada e explorada superficialmente. Diversos softwares foram desenvolvidos para uso neste projeto de mestrado, dentre eles destaca-se o visualizador 3D, que se tornou indispensável para a análise das contribuições das outras propriedades apresentadas. / Studies of complex networks have gained increasing research interest in recent years, in part due to its potential for simple representation of complex systems in various fields of science. The needs of quantitative models representing observed phenomena, as well the development of methods for the characterization of complex networks, is a essential matter for the development and understanding of scientific researches exploring such structures. This work aims to develop and study some new methods for the characterization of complex networks, exploring them in the context of knowledge modeling. Initially, two complex networks were developed, a collaborative network of researchers from the Universidade de Sao Paulo and the other obtained from the database of Wikip´edia articles, considering only those strict related to mathematical theorems. The recently formalized concentric measurements are explored and applied to the described networks, as well to other several theoretical models, providing much more information about the topology of these networks than by the use of traditional measurements. Even more interesting results are obtained by the characterization of the vertices of the collaboration network, which reveal patterns of interdisciplinarity among the many fields of science. A model of knowledge acquisition has also been proposed by the use of simulations of multiple interacting agents walking through a complex network in self-avoiding trajectories. Results of those simulations, performed for the network of Wikipedia and other theoretical models shows that certain sets of parameters and networks perform better in the acquisition of knowledge, through the network of theorems presenting the worst of them. However, unlike what should be expected on the basis of intuition, the agents memories do not play much influence to the speed of acquisition of knowledge. The agent access frequencies of vertices was also been obtained and explored superficially in order to determine where the agents walk more ofen. Several softwares had been developed in this masters thesis project, among these, there is a complex network computational visualization tool, which had become indispensable for the many analysis of the contributions obtained by the use of the other described properties.

Como a informação sobre o ambiente natural é codificada na atividade neural do cérebro? Existe de fato um código neural que impera ao longo de todo processamento neural? Essas são algumas das grandes perguntas da Neurociência da atualidade. Assumindo que estratégias bem sucedidas são preservadas e reaproveitadas através da Evolução, buscamos explorar essas questões ao analisar a resposta extracelular do neurônio H1 do sistema visual da mosca a estímulos visuais com distribuições estatísticas de velocidades horizontais bem definidas. Utilizando uma abordagem de Sistemas Complexos, a análise de multifractalidade do código neural do H1 lança algumas luzes sobre uma estratégia de codificação fascinante, sustentando a idéia de que esse neurônio é capaz de falar diferentes linguagens, se ajustando de forma extremamente dinâmica e flexível à complexidade do estímulo visual (1), visando uma transmissão ótima de informação (2). / How is information about the natural environment coded in the brain neural activity? Is there really a neural code that reigns throughout the neural processing? These are some of the greatest questions of todays Neuroscience. Assuming that well succeeded strategies are preserved and reused through Evolution, we seek to explore these questions by analyzing the extracellular response of the blowfly visual system H1 neuron to certain visual stimuli with well known statistical distributions of horizontal velocities. Using a Complex Systems approach, the multifractality analysis of H1s neural code casts highlights in its fascinating coding strategy, supporting the idea that this neuron is capable of speaking different languages by adjusting itself to the complexity in visual stimuli in a very dynamical and flexible way (1), aiming at a optimal information transmission (2).

O ambiente de mercado contempla diversas influências econômicas, empresariais e sociais e pode ser entendida a partir do comércio, atividade que representa o fluxo de produção e recursos entre fornecedores e consumidores. A área de Sistemas Complexos oferece uma abordagem de estudo que possibilita um aprofundamento da compreensão dos mecanismos de interação que determinam a competitividade de mercado, alem de proporcionar uma avaliação interdisciplinar das condições adequadas para o funcionamento da atividade varejista. São retomados trabalhos clássicos de Sistemas Complexos para discutir as possibilidades de estudos interdisciplinares na área de marketing e estratégia. Este trabalho relaciona os fundamentos do marketing área de estudo diretamente relacionada com a origem do conceito de mercado com princípios de emergência estratégica, abordados pela área de sistemas complexos. A dissertação também apresenta um modelo de agentes desenvolvido para o estudo de princípios econômicos como exemplo de instrumento para análise de competitividade empresarial e influência no comportamento do consumidor através de estratégias de marketing aplicadas ao varejo / The market environment offers numerous economic, business and social influences and can be understood from the trade, which is the intermediation between production flow and consumers. Complex Systems offers a study approach that allows for a deeper understanding of the interaction mechanisms that determine market competitiveness, in addition to providing an interdisciplinary assessment of appropriate conditions for the operation of retail activity. Classic works of Complex Systems are taken to discuss the possibilities of interdisciplinary studies in marketing and strategy. This work relates the marketing fundamentals study area directly related to the origin of market concept with principles of strategic emergency, covered by Complex Systems. This dissertation also presents a model of agents developed for economical principles studies as a tool to analyze competition between companies and influence on consumer behavior through marketing strategies applied to retail

A teoria das redes complexas é uma área altamente interdisciplinar que oferece recursos para o estudo dos mais variados tipos de sistemas complexos, desde o cérebro até a sociedade. Muitos problemas da natureza podem ser modelados como redes, tais como: as interações protéicas, organizações sociais, o mercado financeiro, a Internet e a World Wide Web. A organização de todos esses sistemas complexos pode ser representada por grafos, isto é, vértices conectados por arestas. Tais topologias têm uma influencia fundamental sobre muitos processos dinâmicos. Por exemplo, roteadores altamente conectados são fundamentais para manter o tráfego na Internet, enquanto pessoas que possuem um grande número de contatos sociais podem contaminar um grande número de outros indivíduos. Ao mesmo tempo, estudos têm mostrado que a estrutura do cérebro esta relacionada com doenças neurológicas, como a epilepsia, que está ligada a fenômenos de sincronização. Nesse trabalho, apresentamos como técnicas de mineração de dados podem ser usadas para estudar a relação entre topologias de redes complexas e processos dinâmicos. Tal estudo será realizado com a simulação de fenômenos de sincronização, falhas, ataques e propagação de epidemias. A estrutura das redes será caracterizada através de métodos de mineração de dados, que permitirão classificar redes de acordo com um conjunto de modelos e determinar padrões de conexões presentes na organização de diferentes tipos de sistemas complexos. As análises serão realizadas com aplicações em neurociências, biologia de sistemas, redes sociais e Internet / The theory of complex networks is a highly interdisciplinary reseach area offering resources for the study of various types of complex systems, from the brain to the society. Many problems of nature can be modeled as networks, such as protein interactions, social organizations, the financial market, the Internet and World Wide Web. The organization of all these complex systems can be represented by graphs, i.e. a set of vertices connected by edges. Such topologies have a fundamental influence on many dynamic processes. For example, highly connected routers are essential to keep traffic on the Internet, while people who have a large number of social contacts may infect many other individuals. Indeed, studies have shown that the structure of brain is related to neurological conditions such as epilepsy, which is relatad to synchronization phenomena. In this text, we present how data mining techniques data can be used to study the relation between complex network topologies and dynamic processes. This study will be conducted with the simulation of synchronization, failures, attacks and the epidemics spreading. The structure of the networks will be characterized by data mining methods, which allow classifying according to a set of theoretical models and to determine patterns of connections present in the organization of different types of complex systems. The analyzes will be performed with applications in neuroscience, systems biology, social networks and the Internet

O estudo de caminhadas aleatórias em meios desordenados e um assunto bastante explorado e pode modelar uma grande variedade de problemas, como por exemplo, problemas de transporte (difusão). O estudo de caminhadas determinísticas em meios desordenados é um assunto pouco explorado. Em uma paisagem composta de N sítios distribuídos aleatoriamente no espaço, um caminhante ("turista") visita estes sítios seguindo a seguinte regra determinística: ir para o sítio vizinho mais próximo que não tenha sido visitado nos últimos passos. De cada sítio inicial, a trajetória obtida com esta dinâmica determinística apresenta inicialmente um tempo de transiente t, onde novos sítios são visitados, e no final um atrator de período p, onde os mesmos sítios são sempre revisitados. Apesar da simplicidade do modelo, a dinâmica e complexa e os resultados não são triviais. Para dimensionalidades d = 2, a distribuição de atratores de período p, obtida numericamente, pode ser descrita por uma lei de potência com um corte exponencial. Os modelos de ligações aleatórias simétricas (que representa o limite de alta dimensionalidade d = 1 do modelo proposto) e assimétricas indicam que o corte exponencial se torna menos importante à medida que N aumenta. O expoente da lei de potência independe da memória tau, sendo portanto uma distribuição robusta. A dinâmica do turista pode ser aplicada a problemas mais abstratos, onde apenas relações de ordem entre vizinhos são dados. O estudo (por amostragem) da estrutura de um dicionário de sinônimos e um exemplo que foi considerado. Mostrou-se que as palavras podem ser embebidas em um espaço Euclidiano de baixa dimensionalidade.Este resultado concorda com um recente estudo exaustivo realizado e questiona o modelo de análise semântica latente. Com a finalidade de entender a transição entre uma caminhada determinística e uma caminhada aleatória, generalizou-se o problema com memória nula designando uma distribuição de probabilidades para o turista visitar os diversos sítios. Esta distribuição e parametrizada por uma variável externa T (temperatura) de modo que para T = 0 têm-se a caminhada do turista como caso limite e para T tendendo para infinito todos os sítios são visitados com igual probabilidade. Resultados analíticos (d = 1) e numéricos mostram a existência de uma região bem delimitada de transição entre os regimes não-ergódico (baixa temperatura) e ergódico (alta temperatura). Uma analogia é estabelecida com o modelo de vidros de Bouchaud. A eficiência da caminhada com relação aos novos sítios visitados, foi estudada e ela e máxima na borda da aleatoriedade, ou seja, ao redor da temperatura de transição. / The study of random walks in disordered media is one well-developed subject and it can model a great variety of problems, for instance, problems of transport (diffusion). The study of deterministic walks in disordered media is a subject not too explored. In a landscape composed of N sites randomly distributed in of, a walker ("tourist") visits these sites following the deterministic rule: going to the nearest site that has not been visited in the last tau steps. From each initial site, the trajectory, obtained with this deterministic dynamics, presents initially a time transient t, where new sites are visited, and, in the end, a p-period attractor, where the same sites are always revisited. In spite of the simplicity of the model, the dynamics is complex and the results are not trivial. For dimensionalities d = 2, the distribution of p-period obtained numerically can be described by a power law with an exponential cut. The models of symmetrical random connections (that represents the limit of high dimensionality d = 1 of the proposed model) and asymmetrical random connections indicate that the exponential cut turns out to be less important as N increases. The exponent law of the power law does not depend on the memory tau, being therefore a robust distribution. The tourist dynamics can be applied to more abstract problems, where just relationships of neighbor order are given. The study (by sampling) of the structure of a dictionary of synonyms has been considered. It has been shown that the words can be embedded in an Euclidean space of low dimensionality. This result agrees with a recent exhaustive study accomplished and it challenges the model of latent semantic analysis. With the purpose of understanding the transition between a deterministic and a random walk a generalization of the problem, with null memory has been performed by designating a distribution of probabilities for the tourist to visit the several sites. This distribution has the external variable T (temperature) as a parameter so that, when T = 0 it has the tourist walk as a limiting case and for T tending to infinity all of the sites are visited ith equal probability. Analytical numerical results (d = 1) show the existence of well delimited transition between non-ergodic (low temperature) and ergodic (high temperature) regime. An analogy is established Bouchaud glass model. The walk efficiency, regarding the new visited sites to trajectory length, has been studied and it is maximum at the edge of stochasticity, in other words, around the temperature of transition.

Sexually transmitted diseases affect millions of lives every year. In order to most effectively use prevention resources epidemiologists deploy models to understand how the disease spreads through the population and which intervention methods will be most effective at reducing disease perpetuation. Increasingly agent-based models are being used to simulate population heterogeneity and fine-grain sociological effects that are difficult to capture with traditional compartmental and statistical models. A key challenge is using a sufficiently large number of agents to produce robust and reliable results while also running in a reasonable amount of time. In this thesis we show the effectiveness of agent-based modeling in planning coordinated responses to a sexually transmitted disease epidemic and present efficient algorithms for running these models in parallel and in a distributed setting. The model is able to account for population heterogeneity like age preference, concurrent partnership, and coital dilution, and the implementation scales well to large population sizes to produce robust results in a reasonable amount of time. The work helps epidemiologists and public health officials plan a targeted and well-informed response to a variety of epidemic scenarios.

Physical systems modeled by networks are fully dynamic in the sense that the process of adding edges and vertices never ends, and no edge or vertex is necessarily eternal. Temporal networks enable to explicitly study systems with a changing topology by capturing explicitly the temporal changes. The controllability of temporal networks is the study of driving the state of a temporal network to a target state at deadline t_f within △t = t_f - t₀ steps by stimulating key nodes called driver nodes. In this research, the author aims to understand and analyze temporal networks from the controllability perspective at the global and nodal scales. To analyze the controllability at global scale, the author provides an efficient heuristic algorithm to build driver node sets capable of fully controlling temporal networks. At the nodal scale, the author presents the concept of Complete Controllable Domain (CCD) to investigate the characteristics of Maximum Controllable Subspaces (MCSs) of a driver node. The author shows that a driver node can have an exponential number of MCSs and introduces a branch and bound algorithm to approximate the CCD of a driver node. The proposed algorithms are evaluated on real-world temporal networks induced from ant interactions in six colonies and in a set of e-mail communications of a manufacturing company. At the global scale, the author provides ways to determine the control regime in which a network operates. Through empirical analysis, the author shows that ant interaction networks operate under a distributed control regime whereas the e-mails network operates in a centralized regime. At the nodal scale, the analysis indicated that on average the number of nodes that a driver node always controls is equal to the number of driver nodes that always control a node. <br>

Orientador: Gustavo Maia Souza / Banca: Carlos Henrique Britto de Assis Prado / Banca: Gustavo Habermann / Resumo: A estabilidade é fundamental para todos os sistemas biológicos, possibilitando que lidem com a variabilidade ambiental. As propriedades que conferem estabilidade a sistemas biológicos ainda são desconhecidas, mas evidências apontam para a complexidade da dinâmica de certas variáveis fisiológicas e para a força de interação entre elementos de suas redes organizacionais subjacentes. Esta relação foi investigada no sistema de trocas gasosas de espécies florestais tropicais, pertencentes a grupos funcionais distintos: pioneiras e não-pioneiras. O modelo de recursos múltiplos atribui maior flexibilidade fisiológica às espécies pioneiras, mas os métodos geralmente empregados não são capazes de avaliar a estabilidade de um sistema adequadamente. Este estudo foi realizado em séries temporais de trocas gasosas, onde foi possível estimar parâmetros relacionados à estabilidade do sistema. A força de interação entre elementos foi avaliada pela conectância da rede (Cg) e a complexidade da dinâmica de assimilação de CO2 (A) e condutância estomática (gs) pelo algoritmo de entropia aproximada (ApEn). Os resultados revelaram que espécies com perfil fisiológico de pioneira, em condições constantes, apresentam maior Cg e ApEn de gs, possivelmente indicando maior estabilidade. Estas espécies tiveram maior aproveitamento de pulsos de luz ("lightflecks"), o que indicou a importância da modulação de rede (mudanças na conectância) na resposta às variações ambientais, e que maior Cg pode conferir maior capacidade de controle. Além da conectância, grau de acoplamento do sistema ao ambiente foi decisivo na resposta a "sunflecks". Os resultados sugerem que dinâmicas mais complexas estão ligadas a redes com maior conectância, que por sua vez conferem maior capacidade de controle ao sistema, sendo fundamental a capacidade de modulação da rede. / Abstract: Stability is a key feature to all biological systems, enabling them to deal with environmental variability. The properties that promote stability in biological systems are still unknown, but evidences point towards the complexity of the dynamics of certain physiological variables and to the strength of interaction among elements pertaining to its underlying organizational networks. This relationship was investigated in the gasexchange system of tropical forest species, belonging to distinct functional groups: pioneer and non-pioneer. The multiple resources model attributes higher physiological flexibility to pioneer species, but the methods usually employed are not capable of properly evaluating a system's stability. This study was carried out in gas-exchange time-series, enabling the calculation of parameters related to the system's stability. The strength of interaction among elements was evaluated by network connectance (Cg), and the complexity of CO2 assimilation (A) and stomatal conductance (gs) dynamics was evaluated by the algorithm of Approximate Entropy (ApEn). The results revealed that, under constant conditions, species with a pioneer-like physiological profile showed higher Cg and ApEn of gs, possibly indicating greater stability. These species showed higher lightfleck use efficiency, indicating the importance of network modulation (connectance changes) in response to environmental variability, and that higher Cg could provide greater control capability. Besides connectance, the strength of coupling between system and environment was decisive in response to sunflecks. The results suggest that more complex dynamics are linked to higher network connectance, which provide greater control capability to the system, network modulation being fundamental. Also, higher coupling of the system with its environment apparently promotes stability in contexts where environmental variability occurs within the system's control capability. / Mestre