複雑 ふくざつ 性 せい (ふくざつせい、英 えい : complexity )という用語 ようご は、多数 たすう の部品 ぶひん が入 い り組 く んで配置 はいち された何 なん らかのものを特徴付 とくちょうづ ける言葉 ことば として使 つか われる。科学 かがく として複雑 ふくざつ 性 せい を研究 けんきゅう するアプローチはいくつか存在 そんざい しており、本 ほん 項目 こうもく ではそれらを概説 がいせつ する。
複雑 ふくざつ 性 せい の定義 ていぎ は、「システム 」の概念 がいねん と結 むす び付 つ けられていることが多 おお い。システムとは部品 ぶひん や要素 ようそ の集合 しゅうごう であり、その部品 ぶひん や要素 ようそ には互 たが いに関係 かんけい があり、システム外 がい の要素 ようそ とは関係 かんけい の質 しつ が異 こと なる。多 おお くの定義 ていぎ は、システム内 ない の多数 たすう の要素 ようそ の状態 じょうたい とその要素 ようそ 間 あいだ の関係 かんけい の様々 さまざま な形態 けいたい を表現 ひょうげん するのが複雑 ふくざつ 性 せい という言葉 ことば だと仮定 かてい する傾向 けいこう がある。同時 どうじ に、何 なに が複雑 ふくざつ で何 なに が単純 たんじゅん なのかは相対 そうたい 的 てき であり、その場 ば その場 ば で変化 へんか する。
定義 ていぎ によっては、システムの特徴 とくちょう が指定 してい されたとき、与 あた えられたシステム状態 じょうたい に遭遇 そうぐう する確 かく 率 りつ の問題 もんだい に焦点 しょうてん を合 あ わせている。ウォーレン・ウィーバー は、システム の部品 ぶひん 毎 ごと の属性 ぞくせい が与 あた えられたとき、システム全体 ぜんたい の属性 ぞくせい を予測 よそく する困難 こんなん さの度合 どあ いを複雑 ふくざつ 性 せい であるとした。ウィーバーの観点 かんてん では、複雑 ふくざつ 性 せい は組織 そしき 化 か されていない複雑 ふくざつ 性 せい (disorganized complexity) と組織 そしき 化 か された複雑 ふくざつ 性 せい (organized complexity) という2つの形態 けいたい に分類 ぶんるい される[1] 。ウィーバーの論文 ろんぶん はその後 ご の複雑 ふくざつ 性 せい の研究 けんきゅう に影響 えいきょう を与 あた えている[2] 。
システム、複数 ふくすう の要素 ようそ 、複数 ふくすう の関係 かんけい の型 かた 、状態 じょうたい 空間 くうかん といった概念 がいねん を具体 ぐたい 化 か するアプローチは、定義 ていぎ されたシステム内 ない の識別 しきべつ 可能 かのう な関係 かんけい の型 かた (およびそれらの関連 かんれん する状態 じょうたい 空間 くうかん )の数 かず を複雑 ふくざつ 性 せい とすることを暗 あん に示 しめ していると言 い えるかもしれない。
定義 ていぎ によっては複雑 ふくざつ な現象 げんしょう やモデルや数式 すうしき を説明 せつめい するアルゴリズムとの関係 かんけい が深 ふか いものもある。
マサチュ まさちゅ ーセッツ工科大学 せっつこうかだいがく のセス・ロイド は、複雑 ふくざつ 性 せい の定義 ていぎ を32種類 しゅるい 集 あつ めてプレゼンテーションしたことがあるという[3] 。
組織 そしき 化 か されていない複雑 ふくざつ 性 せい と組織 そしき 化 か された複雑 ふくざつ 性 せい [ 編集 へんしゅう ]
複雑 ふくざつ 性 せい に関連 かんれん した問題 もんだい の1つは、無 む 作為 さくい に選 えら んだ事物 じぶつ の関係 かんけい の豊富 ほうふ なバリエーションとシステム内 ない の要素 ようそ 間 あいだ の関係 かんけい の概念的 がいねんてき な区別 くべつ である。システムには制約 せいやく があり、要素 ようそ のバリエーションも減少 げんしょう すると同時 どうじ に、より一様 いちよう または相関 そうかん する関係 かんけい や相互 そうご 作用 さよう の識別 しきべつ 可能 かのう な型 かた (regimes) を生成 せいせい する。
ウィーバーはこの問題 もんだい に気 き づいており、少 すく なくとも予備 よび 的 てき な方法 ほうほう でそれに対処 たいしょ した。それが「組織 そしき 化 か されていない複雑 ふくざつ 性 せい 」と「組織 そしき 化 か された複雑 ふくざつ 性 せい 」の区別 くべつ である。
ウィーバーの観点 かんてん では、組織 そしき 化 か されていない複雑 ふくざつ 性 せい は非常 ひじょう に多数 たすう の部品 ぶひん (例 たと えば数 すう 百 ひゃく 万 まん やそれ以上 いじょう の部品 ぶひん )を持 も つシステムから生 しょう じる。「組織 そしき 化 か されていない複雑 ふくざつ 性 せい 」における部品 ぶひん 間 あいだ の相互 そうご 作用 さよう は大 だい 部分 ぶぶん が無 む 作為 さくい に見 み えるが、システム全体 ぜんたい の特性 とくせい は確率 かくりつ 論 ろん や統計 とうけい 学 がく 的 てき 手法 しゅほう により理解 りかい できる。
組織 そしき 化 か されていない複雑 ふくざつ 性 せい の好例 こうれい として、コンテナに詰 つ めたガスがある。この場合 ばあい ガスの分子 ぶんし がシステムの部品 ぶひん に相当 そうとう する。
ウィーバーの観点 かんてん では、組織 そしき 化 か された複雑 ふくざつ 性 せい では部品 ぶひん 間 あいだ の相互 そうご 作用 さよう は全 まった く無 む 作為 さくい 的 てき ではなく相関 そうかん している。これらの非 ひ 無作為 むさくい 的 てき かつ相関 そうかん 的 てき な関係 かんけい は明確 めいかく に区別 くべつ される構造 こうぞう を生成 せいせい し、それがシステムと呼 よ ばれ、他 た のシステムと相互 そうご 作用 さよう する。調整 ちょうせい されたシステムは個々 ここ の部品 ぶひん にはない特性 とくせい を明確 めいかく に示 しめ す。主体 しゅたい 的 てき なシステム以外 いがい のシステムでこのような組織 そしき 化 か された複雑 ふくざつ 性 せい がある場合 ばあい 、何 なん らかの「導 みちび きの手 て (guiding hand)」が無 な いなら「創発 そうはつ 」と言 い う事 こと ができる。
システムが創発 そうはつ 的 てき 特性 とくせい を示 しめ すかどうかという点 てん に、部品 ぶひん 数 すう はあまり重要 じゅうよう ではない。組織 そしき 化 か された複雑 ふくざつ 性 せい のシステムがどのような特性 とくせい を示 しめ すかは、モデリング とシミュレーション 、特 とく にコンピュータ を使 つか ったモデリングやシミュレーションで理解 りかい できる場合 ばあい もある。組織 そしき 化 か された複雑 ふくざつ 性 せい の例 れい としては、都市 とし 近郊 きんこう の生活 せいかつ のメカニズムがある。この場合 ばあい 、システムの部品 ぶひん に相当 そうとう するのは近郊 きんこう に住 す む人々 ひとびと である[4] 。
組織 そしき 化 か されていない複雑 ふくざつ 性 せい の源 みなもと は、システムの部品 ぶひん 数 すう が膨大 ぼうだい で、システム内 ない の要素 ようそ 間 あいだ の相関 そうかん が欠如 けつじょ していることである。
組織 そしき 化 か された複雑 ふくざつ 性 せい の源 みなもと については今 いま のところ統一 とういつ 的 てき な見解 けんかい は存在 そんざい しないが、無作為 むさくい 的 てき でないということは要素 ようそ 間 あいだ に相関 そうかん があることを暗示 あんじ している。例 たと えば、Robert Ulanowicz による生態 せいたい 系 けい の扱 あつか いを参照 さんしょう [5] 。組織 そしき 化 か されていない複雑 ふくざつ 性 せい と同 おな じく、システムの部品 ぶひん 数 すう や部品 ぶひん 間 あいだ の関係 かんけい の数 かず が重要 じゅうよう かもしれないが、重要 じゅうよう か重要 じゅうよう でないかを区別 くべつ する統一 とういつ 的 てき な規則 きそく は存在 そんざい しない。
オブジェクトあるいはシステムの複雑 ふくざつ 性 せい は相対 そうたい 的 てき 特性 とくせい である。例 たと えば、計算 けいさん 問題 もんだい の複雑 ふくざつ 性 せい を計算 けいさん にかかる時間 じかん としたとき、テープが1本 ほん のチューリングマシン よりもテープが複数 ふくすう 本 ほん のチューリングマシンの方 ほう が計算 けいさん にかかる時間 じかん が少 すく なくなる。ランダムアクセス機械 きかい はさらに時間 じかん を削減 さくげん でき[6] 、帰納的 きのうてき チューリングマシンは関数 かんすう や言語 げんご や集合 しゅうごう の複雑 ふくざつ 性 せい クラス さえも減少 げんしょう させることができる[7] 。このようにツールの選択 せんたく が複雑 ふくざつ 性 せい の重要 じゅうよう な要因 よういん となりうる。
科学 かがく のいくつかの分野 ぶんや では、「複雑 ふくざつ 性 せい 」は次 つぎ のような意味 いみ を持 も つ。
計算 けいさん 複雑 ふくざつ 性 せい 理論 りろん では、アルゴリズム の実行 じっこう に必要 ひつよう となる計算 けいさん 資源 しげん の量 りょう を研究 けんきゅう する。「複雑 ふくざつ 性 せい 」を「計算 けいさん 量 りょう 」とも呼 よ び、具体 ぐたい 的 てき 問題 もんだい を最適 さいてき なアルゴリズム を使 つか って解 と くのに要 よう するステップ数 すう をその問題 もんだい の入力 にゅうりょく の長 なが さ(例 たと えばビット数 すう )の関数 かんすう として表 あらわ したものを時間 じかん 計算 けいさん 量 りょう と呼 よ ぶ。また、具体 ぐたい 的 てき 問題 もんだい を最適 さいてき なアルゴリズム を使 つか って解 と くのに要 よう するメモリ 量 りょう (例 たと えば、テープ上 じょう のセル数 すう )をその問題 もんだい の入力 にゅうりょく の長 なが さ(例 たと えばビット数 すう )の関数 かんすう として表 あらわ したものを空間 くうかん 計算 けいさん 量 りょう と呼 よ ぶ。これによって計算 けいさん 問題 もんだい を複雑 ふくざつ 性 せい クラス (P 、NP など)に分類 ぶんるい する。マヌエル・ブラム は計算 けいさん 複雑 ふくざつ 性 せい 理論 りろん の公理 こうり 的 てき 手法 しゅほう を開発 かいはつ した。それによると、時間 じかん 計算 けいさん 量 りょう や空間 くうかん 計算 けいさん 量 りょう といった具体 ぐたい 的 てき な複雑 ふくざつ 性 せい 尺度 しゃくど の多 おお くの特性 とくせい を公理 こうり 的 てき に定義 ていぎ された尺度 しゃくど の特性 とくせい から演繹 えんえき できる。
アルゴリズム情報 じょうほう 理論 りろん において、文字 もじ 列 れつ の「コルモゴロフ複雑 ふくざつ 性 せい 」とは出力 しゅつりょく がその文字 もじ 列 れつ に一致 いっち するプログラム の長 なが さの最小 さいしょう 値 ち である。ブラムの公理 こうり [8] に基 もと づいたコルモゴロフ複雑 ふくざつ 性 せい の公理 こうり 的 てき アプローチは、Mark Burgin が論文 ろんぶん で提唱 ていしょう した[9] 。公理 こうり 的 てき アプローチは他 た の手法 しゅほう も包含 ほうがん している。そして、公理 こうり 的 てき に定義 ていぎ された一般 いっぱん 化 か されたコルモゴロフ複雑 ふくざつ 性 せい の特殊 とくしゅ ケースとして様々 さまざま な種類 しゅるい のコルモゴロフ複雑 ふくざつ 性 せい を扱 あつか うことができる。様々 さまざま な測度 そくど について例 たと えば基本 きほん 不変 ふへん 定理 ていり のような似 に たような定理 ていり を個別 こべつ に証明 しょうめい する代 か わりに、この公理 こうり 的 てき 設定 せってい で証明 しょうめい した1つの定理 ていり から個別 こべつ の証明 しょうめい を演繹 えんえき することができる。これは数学 すうがく における公理 こうり 的 てき 手法 しゅほう 全般 ぜんぱん に言 い える利点 りてん である。コルモゴロフ複雑 ふくざつ 性 せい の公理 こうり 的 てき 手法 しゅほう は書籍 しょせき で詳細 しょうさい 化 か されており[7] 、それをソフトウェア測定 そくてい 法 ほう に応用 おうよう した例 れい もある[10] [11] 。
情報処理 じょうほうしょり において、複雑 ふくざつ 性 せい とはオブジェクトが送信 そうしん し観測 かんそく 者 しゃ が検出 けんしゅつ した属性 ぞくせい の総数 そうすう の尺度 しゃくど である。このような属性 ぞくせい の集合 しゅうごう 体 たい を「状態 じょうたい 」と呼 よ ぶ。
物理 ぶつり 的 てき システムにおいて、複雑 ふくざつ 性 せい とはシステム の状態 じょうたい ベクトルの確 かく 率 りつ の測度 そくど である。これはエントロピー とは異 こと なる。
数学 すうがく において、Krohn-Rhodes complexity は有限 ゆうげん 半 はん 群 ぐん とオートマトン の研究 けんきゅう で重要 じゅうよう な概念 がいねん である。
他 ほか にも次 じ のような複雑 ふくざつ 性 せい がある。
人間 にんげん が問題 もんだい を解 と こうとしたときに感 かん じる問題 もんだい の複雑 ふくざつ さについては、認知 にんち 心理 しんり 学 がく で hrair limit と呼 よ ばれる複雑 ふくざつ 性 せい の限界 げんかい がある。
複雑 ふくざつ 適応 てきおう 系 けい は、以下 いか のような特性 とくせい (一部 いちぶ または全部 ぜんぶ )を持 も つシステムである[12] 。
システム内 ない の部品 ぶひん 数 すう (および部品 ぶひん の種別 しゅべつ 数 すう )と部品 ぶひん 間 あいだ の関係 かんけい の数 かず は自明 じめい ではない。ただし、自明 じめい か自明 じめい でないかを区別 くべつ する汎用 はんよう 的 てき 規則 きそく は存在 そんざい しない。
システムにはメモリまたはフィードバック がある。
システムは自身 じしん の履歴 りれき やフィードバックに従 したが って適応 てきおう する。
システムと環境 かんきょう の関係 かんけい は自明 じめい ではないか、または線型 せんけい ではない。
システムは環境 かんきょう に影響 えいきょう され、自 みずか ら環境 かんきょう に適応 てきおう する。
システムは初期 しょき 条件 じょうけん に大 おお きく左右 さゆう される。
複雑 ふくざつ 性 せい は我々 われわれ の周囲 しゅうい に常 つね に存在 そんざい しているため、様々 さまざま な科学 かがく 分野 ぶんや で複雑 ふくざつ 系 けい や現象 げんしょう の研究 けんきゅう が行 おこな われてきた。実際 じっさい 、科学 かがく 者 しゃ によっては複雑 ふくざつ なもの(無 む 作為 さくい ではないが変化 へんか を示 しめ すもの)だけが興味 きょうみ に値 あたい するという者 もの もいる。
日本語 にほんご では「複雑 ふくざつ 」だが、英語 えいご では類義語 るいぎご として「complex 」と「complicated 」がある。これを今日 きょう のシステムに対応 たいおう させれば、無数 むすう の相互 そうご 接続 せつぞく された配管 はいかん と効率 こうりつ 的 てき な統合 とうごう ソリューションの違 ちが いに相当 そうとう する[13] 。つまり、「complex 」は「independent 」(独立 どくりつ した)の反対 はんたい で、「complicated 」は「simple 」(単純 たんじゅん な)の反対 はんたい である。
このような考 かんが え方 かた からいくつかの分野 ぶんや で複雑 ふくざつ 性 せい が定義 ていぎ されてきたのに対 たい して、最近 さいきん では複雑 ふくざつ 性 せい を研究 けんきゅう する分野 ぶんや に学際 がくさい 的 てき な再 さい 編成 へんせい の動 うご きが見 み られ、アリ塚 づか の複雑 ふくざつ 性 せい 、脳 のう の複雑 ふくざつ 性 せい 、証券 しょうけん 市場 いちば の複雑 ふくざつ 性 せい などの研究 けんきゅう が行 おこな われている。そのような学際 がくさい 的 てき 分野 ぶんや の1つに relational order theories がある。
複雑 ふくざつ 系 けい の振 ふ る舞 ま いはしばしば、創発 そうはつ と自己 じこ 組織 そしき 化 か で説明 せつめい される。カオス理論 りろん は初期 しょき 条件 じょうけん を変化 へんか させることで複雑 ふくざつ な振 ふ る舞 ま いを生 しょう じるシステムの敏感 びんかん さを研究 けんきゅう している。
人工 じんこう 生命 せいめい 、進化 しんか 的 てき 計算 けいさん 、遺伝 いでん 的 てき アルゴリズム といった分野 ぶんや では、複雑 ふくざつ 性 せい や複雑 ふくざつ 適応 てきおう 系 けい に重点 じゅうてん を置 お いた研究 けんきゅう が増 ふ えている。
社会 しゃかい 科学 かがく では、ミクロな特性 とくせい からマクロな特性 とくせい が生 しょう じる現象 げんしょう を研究 けんきゅう している。社会 しゃかい 的 てき 複雑 ふくざつ 性 せい などと呼 よ ばれ、コンピュータシミュレーション を利用 りよう した研究 けんきゅう が多 おお い。
システム の研究 けんきゅう のひとつとしての、複雑 ふくざつ (complex ) なシステム、すなわち複雑 ふくざつ 系 けい (complex system ) の研究 けんきゅう の歴史 れきし は長 なが い。複雑 ふくざつ 系 けい は生物 せいぶつ 的 てき なもの、経済 けいざい 的 てき なもの、テクノロジー 的 てき なものなど様々 さまざま なものが存在 そんざい する。最近 さいきん では、実 じつ 世界 せかい の社会 しゃかい 認知 にんち 的 てき システムの研究 けんきゅう も複雑 ふくざつ 系 けい を扱 あつか っている。複雑 ふくざつ 系 けい は高 こう 次元 じげん で非線形 ひせんけい であることが多 おお く、モデル化 か が難 むずか しい。状況 じょうきょう によっては低 てい 次元 じげん の振 ふ る舞 ま いをすることもある。
情報 じょうほう 理論 りろん において、アルゴリズム情報 じょうほう 理論 りろん はデータとしての文字 もじ 列 れつ の複雑 ふくざつ 性 せい を扱 あつか う。
複雑 ふくざつ な文字 もじ 列 れつ は圧縮 あっしゅく しにくい。直観 ちょっかん 的 てき には、文字 もじ 列 れつ の圧縮 あっしゅく 率 りつ は採用 さいよう したコーデック で変 か わってくると思 おも われる。コーデックは理論 りろん 的 てき には任意 にんい の言語 げんご について作成 さくせい でき、中 なか には非常 ひじょう に小 ちい さいコマンド X
が非常 ひじょう に長 なが い記号 きごう 列 れつ (例 たと えば 18995316
)を生成 せいせい するものもありうる。任意 にんい の2つのチューリング完全 かんぜん な言語 げんご は互 たが いを実装 じっそう できる。2つの言語 げんご による符号 ふごう 化 か の長 なが さは変換 へんかん 言語 げんご の長 なが さを上限 じょうげん として様々 さまざま となるが、データ文字 もじ 列 れつ が十分 じゅうぶん 大 おお きければその差 さ はほとんど無視 むし できる。
アルゴリズム的 てき な複雑 ふくざつ 性 せい の尺度 しゃくど は、無 む 作為 さくい なノイズ に高 たか い値 ね を割 わ り当 あ てる傾向 けいこう がある。しかし、複雑 ふくざつ 系 けい を研究 けんきゅう する分野 ぶんや では無 む 作為 さくい 性 せい と複雑 ふくざつ 性 せい を区別 くべつ して扱 あつか う。
情報 じょうほう 量 りょう も複雑 ふくざつ 性 せい の尺度 しゃくど として情報 じょうほう 理論 りろん で使 つか われることがある。
計算 けいさん 複雑 ふくざつ 性 せい 理論 りろん は、問題 もんだい の複雑 ふくざつ 性 せい 、すなわち問題 もんだい を解 と くことの困難 こんなん さを研究 けんきゅう する。問題 もんだい はそれを解 と くアルゴリズム にかかる時間 じかん を問題 もんだい の大 おお きさの関数 かんすう で表 あらわ すことによって複雑 ふくざつ 性 せい クラス に分類 ぶんるい できる。当然 とうぜん ながら問題 もんだい は難 むずか しいものも簡単 かんたん なものもある。例 たと えば、難 むずか しい問題 もんだい ではその大 おお きさに対 たい して解 と くのに指数 しすう 時間 じかん かかるアルゴリズムを必要 ひつよう とする。そのような問題 もんだい として例 たと えば巡回 じゅんかい セールスマン問題 もんだい がある。これを解 と くのにかかる時間 じかん は
O
(
n
2
2
n
)
{\displaystyle O(n^{2}2^{n})}
(ここで n はネットワークの大 おお きさであり、セールスマンが訪問 ほうもん すべき都市 とし の数 かず )である。都市 とし のネットワークが大 おお きくなると、解 かい である経路 けいろ を求 もと めるのにかかる時間 じかん は指数 しすう 関数 かんすう 以上 いじょう に急激 きゅうげき に増大 ぞうだい する。
問題 もんだい が理論 りろん 上 じょう 解 と くことができるとしても、実際 じっさい にはそれほど単純 たんじゅん な話 はなし ではない。その問題 もんだい は非常 ひじょう に長 なが い時間 じかん とあまりにも大量 たいりょう の空間 くうかん を必要 ひつよう とするかもしれない。計算 けいさん 複雑 ふくざつ 性 せい 理論 りろん には様々 さまざま な観点 かんてん があり、問題 もんだい を解 と くのにかかる時間 じかん 、メモリ、その他 た の資源 しげん を研究 けんきゅう する。問題 もんだい の複雑 ふくざつ 性 せい を分析 ぶんせき する上 じょう では、時間 じかん と空間 くうかん が最 もっと も重要 じゅうよう でよく研究 けんきゅう されている。
理論 りろん 上 じょう は解 と けるが、必要 ひつよう とする時間 じかん や空間 くうかん があまりにも大 おお きいため、事実 じじつ 上 じょう 解 と こうとすることが現実 げんじつ 的 てき でない問題 もんだい のクラスも存在 そんざい する。そのような問題 もんだい をイントラクタブル (手 て に負 お えない、処理 しょり しにくい)という。
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