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複雑ふくざつせい

出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア(Wikipedia)』

複雑ふくざつせい(ふくざつせい、えい: complexity)という用語ようごは、多数たすう部品ぶひんんで配置はいちされた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せい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、ほん項目こうもくではそれらを概説がいせつする。

定義ていぎ

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複雑ふくざつせい定義ていぎは、「システム」の概念がいねんむすけられていることがおおい。システムとは部品ぶひん要素ようそ集合しゅうごうであり、その部品ぶひん要素ようそにはたがいに関係かんけいがあり、システムがい要素ようそとは関係かんけいしつことなる。おおくの定義ていぎは、システムない多数たすう要素ようそ状態じょうたいとその要素ようそあいだ関係かんけい様々さまざま形態けいたい表現ひょうげんするのが複雑ふくざつ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、なに複雑ふくざつなに単純たんじゅんなのかは相対そうたいてきであり、そのその変化へんかする。

定義ていぎによっては、システムの特徴とくちょう指定していされたとき、あたえられたシステム状態じょうたい遭遇そうぐうするかくりつ問題もんだい焦点しょうてんわせている。ウォーレン・ウィーバーは、システム部品ぶひんごと属性ぞくせいあたえられたとき、システム全体ぜんたい属性ぞくせい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、複雑ふくざつせい組織そしきされていない複雑ふくざつせい (disorganized complexity) と組織そしきされた複雑ふくざつせい (organized complexity) という2つの形態けいたい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複雑ふくざつせい研究けんきゅう影響えいきょうあたえている[2]

システム、複数ふくすう要素ようそ複数ふくすう関係かんけい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具体ぐたいするアプローチは、定義ていぎされたシステムない識別しきべつ可能かのう関係かんけいかた(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)のかず複雑ふくざつせいとすることをあんしめしているとえるかもしれない。

定義ていぎによっては複雑ふくざつ現象げんしょうやモデルや数式すうしき説明せつめいするアルゴリズムとの関係かんけいふかいものもある。

マサチュまさちゅセッツ工科大学せっつこうかだいがくセス・ロイドは、複雑ふくざつせい定義ていぎを32種類しゅるいあつめてプレゼンテーションしたことがあるという[3]

組織そしきされていない複雑ふくざつせい組織そしきされた複雑ふくざつせい

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複雑ふくざつせい関連かんれんした問題もんだいの1つは、作為さくいえらんだ事物じぶつ関係かんけい豊富ほうふなバリエーションとシステムない要素ようそあいだ関係かんけい概念的がいねんてき区別くべつである。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相互そうご作用さよう識別しきべつ可能かのうかた (regimes) を生成せいせいする。

ウィーバーはこの問題もんだいづいており、すくなくとも予備よびてき方法ほうほうでそれに対処たいしょした。それが「組織そしきされていない複雑ふくざつせい」と「組織そしきされた複雑ふくざつせい」の区別くべつである。

ウィーバーの観点かんてんでは、組織そしきされていない複雑ふくざつせい非常ひじょう多数たすう部品ぶひんたとえばすうひゃくまんやそれ以上いじょう部品ぶひん)をつシステムからしょうじる。「組織そしきされていない複雑ふくざつせい」における部品ぶひんあいだ相互そうご作用さようだい部分ぶぶん作為さくいえるが、システム全体ぜんたい特性とくせい確率かくりつろん統計とうけいがくてき手法しゅほうにより理解りかいできる。

組織そしきされていない複雑ふくざつせい好例こうれいとして、コンテナにめたガスがある。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、組織そしきされた複雑ふくざつせいでは部品ぶひんあいだ相互そうご作用さようまった作為さくいてきではなく相関そうかんしている。これらの無作為むさくいてきかつ相関そうかんてき関係かんけい明確めいかく区別くべつされる構造こうぞう生成せいせいし、それがシステムとばれ、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部品ぶひんにはない特性とくせい明確めいかくしめす。主体しゅたい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された複雑ふくざつせいがある場合ばあいなんらかの「みちびきの (guiding hand)」がいなら「創発そうはつ」とことができる。

システムが創発そうはつてき特性とくせいしめすかどうかというてんに、部品ぶひんすうはあまり重要じゅうようではない。組織そしきされた複雑ふくざつせいのシステムがどのような特性とくせいしめすかは、モデリングシミュレーションとくコンピュータ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。組織そしきされた複雑ふくざつせいれいとしては、都市とし近郊きんこう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相当そうとうするのは近郊きんこう人々ひとびとである[4]

複雑ふくざつせいみなもと要因よういん

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組織そしきされていない複雑ふくざつせいみなもとは、システムの部品ぶひんすう膨大ぼうだいで、システムない要素ようそあいだ相関そうかん欠如けつじょしていることである。

組織そしきされた複雑ふくざつせいみなもとについてはいまのところ統一とういつてき見解けんかい存在そんざいしないが、無作為むさくいてきでないということは要素ようそあいだ相関そうかんがあることを暗示あんじしている。たとえば、Robert Ulanowicz による生態せいたいけいあつかいを参照さんしょう[5]組織そしきされていない複雑ふくざつせいおなじく、システムの部品ぶひんすう部品ぶひんあいだ関係かんけいかず重要じゅうようかもしれないが、重要じゅうよう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てき規則きそく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せい相対そうたいてき特性とくせいである。たとえば、計算けいさん問題もんだい複雑ふくざつせい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ほんチューリングマシンよりもテープが複数ふくすうほんのチューリングマシンのほう計算けいさんにかかる時間じかんすくなくなる。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言語げんご集合しゅうごう複雑ふくざつ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複雑ふくざつせい重要じゅうよう要因よういんとなりうる。

特定とくてい分野ぶんやでの意味いみ

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科学かがくのいくつかの分野ぶんやでは、「複雑ふくざつせい」はつぎのような意味いみつ。

  • 計算けいさん複雑ふくざつせい理論りろんでは、アルゴリズム実行じっこう必要ひつようとなる計算けいさん資源しげんりょう研究けんきゅうする。「複雑ふくざつせい」を「計算けいさんりょう」ともび、具体ぐたいてき問題もんだい最適さいてきアルゴリズム使つかってくのにようするステップすうをその問題もんだい入力にゅうりょくながさ(たとえばビットすう)の関数かんすうとしてあらわしたものを時間じかん計算けいさんりょうぶ。また、具体ぐたいてき問題もんだい最適さいてきアルゴリズム使つかってくのにようするメモリりょうたとえば、テープじょうのセルすう)をその問題もんだい入力にゅうりょくながさ(たとえばビットすう)の関数かんすうとしてあらわしたものを空間くうかん計算けいさんりょうぶ。これによって計算けいさん問題もんだい複雑ふくざつせいクラスPNPなど)に分類ぶんるいする。マヌエル・ブラム計算けいさん複雑ふくざつせい理論りろん公理こうりてき手法しゅほう開発かいはつした。それによると、時間じかん計算けいさんりょう空間くうかん計算けいさんりょうといった具体ぐたいてき複雑ふくざつせい尺度しゃくどおおくの特性とくせい公理こうりてき定義ていぎされた尺度しゃくど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、文字もじれつの「コルモゴロフ複雑ふくざつせい」とは出力しゅつりょくがその文字もじれつ一致いっちするプログラムながさの最小さいしょうである。ブラムの公理こうり[8]もとづいたコルモゴロフ複雑ふくざつせい公理こうりてきアプローチは、Mark Burgin が論文ろんぶん提唱ていしょうした[9]公理こうりてきアプローチは手法しゅほう包含ほうがんしている。そして、公理こうりてき定義ていぎされた一般いっぱんされたコルモゴロフ複雑ふくざつせい特殊とくしゅケースとして様々さまざま種類しゅるいのコルモゴロフ複雑ふくざつせいあつかうことができる。様々さまざま測度そくどについてたとえば基本きほん不変ふへん定理ていりのようなたような定理ていり個別こべつ証明しょうめいするわりに、この公理こうりてき設定せってい証明しょうめいした1つの定理ていりから個別こべつ証明しょうめい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てき手法しゅほう全般ぜんぱんえる利点りてんである。コルモゴロフ複雑ふくざつせい公理こうりてき手法しゅほう書籍しょせき詳細しょうさいされており[7]、それをソフトウェア測定そくていほう応用おうようしたれいもある[10][11]
  • 情報処理じょうほうしょりにおいて、複雑ふくざつせいとはオブジェクトが送信そうしん観測かんそくしゃ検出けんしゅつした属性ぞくせい総数そうすう尺度しゃくどである。このような属性ぞくせい集合しゅうごうたいを「状態じょうたい」とぶ。
  • 物理ぶつりてきシステムにおいて、複雑ふくざつせいとはシステム状態じょうたいベクトルのかくりつ測度そくどである。これはエントロピーとはことなる。
  • 数学すうがくにおいて、Krohn-Rhodes complexity有限ゆうげんはんぐんオートマトン研究けんきゅう重要じゅうよう概念がいねんである。

ほかにものような複雑ふくざつせいがある。

  • 人間にんげん問題もんだいこうとしたときにかんじる問題もんだい複雑ふくざつさについては、認知にんち心理しんりがくhrair limitばれる複雑ふくざつせい限界げんかいがある。
  • 複雑ふくざつ適応てきおうけいは、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)をつシステムである[12]
    • システムない部品ぶひんすう(および部品ぶひん種別しゅべつすう)と部品ぶひんあいだ関係かんけいかず自明じめいではない。ただし、自明じめい自明じめいでないかを区別くべつする汎用はんようてき規則きそく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履歴りれきやフィードバックに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関係かんけい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影響えいきょうされ、みずか環境かんきょう適応てきおうする。
    • システムは初期しょき条件じょうけんおおきく左右さゆうされる。

複雑ふくざつせい研究けんきゅう

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複雑ふくざつせい我々われわれ周囲しゅういつね存在そんざいしているため、様々さまざま科学かがく分野ぶんや複雑ふくざつけい現象げんしょう研究けんきゅうおこなわれてきた。実際じっさい科学かがくしゃによっては複雑ふくざつなもの(作為さくいではないが変化へんかしめすもの)だけが興味きょうみあたいするというものもいる。

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、無数むすう相互そうご接続せつぞくされた配管はいかん効率こうりつてき統合とうごうソリューションの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。

このようなかんがかたからいくつかの分野ぶんや複雑ふくざつせい定義ていぎされてきたのにたいして、最近さいきんでは複雑ふくざつせい研究けんきゅうする分野ぶんや学際がくさいてきさい編成へんせいうごきがられ、アリづか複雑ふくざつせいのう複雑ふくざつせい証券しょうけん市場いちば複雑ふくざつせいなどの研究けんきゅうおこなわれている。そのような学際がくさいてき分野ぶんやの1つに relational order theories がある。

関連かんれんする話題わだい

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複雑ふくざつ

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複雑ふくざつけいいはしばしば、創発そうはつ自己じこ組織そしき説明せつめいされる。カオス理論りろん初期しょき条件じょうけん変化へんかさせることで複雑ふくざついを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。

複雑ふくざつ機構きこう

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人工じんこう生命せいめい進化しんかてき計算けいさん遺伝いでんてきアルゴリズムといった分野ぶんやでは、複雑ふくざつせい複雑ふくざつ適応てきおうけい重点じゅうてんいた研究けんきゅうえている。

複雑ふくざつなシミュレーション

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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しょうじる現象げんしょう研究けんきゅうしている。社会しゃかいてき複雑ふくざつせいなどとばれ、コンピュータシミュレーション利用りようした研究けんきゅうおおい。

複雑ふくざつけい

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システム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けい (complex system) の研究けんきゅう歴史れきしながい。複雑ふくざつけい生物せいぶつてきなもの、経済けいざいてきなもの、テクノロジー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、じつ世界せかい社会しゃかい認知にんちてきシステムの研究けんきゅう複雑ふくざつけいあつかっている。複雑ふくざつけいこう次元じげん非線形ひせんけいであることがおおく、モデルむずかしい。状況じょうきょうによってはてい次元じげんいをすることもある。

データの複雑ふくざつせい

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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れつ複雑ふくざつせいあつかう。

複雑ふくざつ文字もじれつ圧縮あっしゅくしにくい。直観ちょっかんてきには、文字もじれつ圧縮あっしゅくりつ採用さいようしたコーデックわってくるとおもわれる。コーデックは理論りろんてきには任意にんい言語げんごについて作成さくせいでき、なかには非常ひじょうちいさいコマンド X非常ひじょうなが記号きごうれつたとえば 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言語げんご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ながさは変換へんかん言語げんごながさを上限じょうげんとして様々さまざまとなるが、データ文字もじれつ十分じゅうぶんおおきければそのはほとんど無視むしできる。

アルゴリズムてき複雑ふくざつせい尺度しゃくどは、作為さくいノイズたかてる傾向けいこうがある。しかし、複雑ふくざつけい研究けんきゅうする分野ぶんやでは作為さくいせい複雑ふくざつせい区別くべつしてあつかう。

情報じょうほうりょう複雑ふくざつせい尺度しゃくどとして情報じょうほう理論りろん使つかわれることがある。

複雑ふくざつせい応用おうよう

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計算けいさん複雑ふくざつせい理論りろんは、問題もんだい複雑ふくざつせい、すなわち問題もんだい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アルゴリズムにかかる時間じかん問題もんだいおおきさの関数かんすうあらわすことによって複雑ふくざつせいクラス分類ぶんるいできる。当然とうぜんながら問題もんだいむずかしいものも簡単かんたんなものもある。たとえば、むずかしい問題もんだいではそのおおきさにたいして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。これをくのにかかる時間じかん(ここで nはネットワークのおおきさであり、セールスマンが訪問ほうもんすべき都市としかず)である。都市としのネットワークがおおきくなると、かいである経路けいろもとめるのにかかる時間じかん指数しすう関数かんすう以上いじょう急激きゅうげき増大ぞうだいする。

問題もんだい理論りろんじょう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はなしではない。その問題もんだい非常ひじょうなが時間じかんとあまりにも大量たいりょう空間くうかん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せい理論りろんには様々さまざま観点かんてんがあり、問題もんだいくのにかかる時間じかん、メモリ、その資源しげん研究けんきゅうする。問題もんだい複雑ふくざつせい分析ぶんせきするじょうでは、時間じかん空間くうかんもっと重要じゅうようでよく研究けんきゅうされている。

理論りろんじょうけるが、必要ひつようとする時間じかん空間くうかんがあまりにもおおきいため、事実じじつじょうこうとすることが現実げんじつ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イントラクタブルえない、処理しょりしにくい)という。

関連かんれん項目こうもく

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脚注きゃくちゅう出典しゅってん

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  1. ^ Weaver, Warren (1948), “Science and Complexity”, American Scientist 36: 536 (Retrieved on 2007–11–21.), http://www.ceptualinstitute.com/genre/weaver/weaver-1947b.htm 
  2. ^ Johnson, Steven (2001). Emergence: the connected lives of ants, brains, cities, and software. New York: Scribner. pp. p.46. ISBN 0-684-86875-X 
  3. ^ Lloyd, Seth (2006). Programming the Universe. Knopf. ISBN 978-1400033867 
  4. ^ Jacobs, Jane (1961). The Death and Life of Great American Cities. New York: Random House 
  5. ^ Ulanowicz, Robert, "Ecology, the Ascendant Perspective", Columbia, 1997
  6. ^ Greenlaw, N. and Hoover, H.J. Fundamentals of the Theory of Computation, Morgan Kauffman Publishers, San Francisco, 1998
  7. ^ a b Mark Burgin (2005), Super-recursive algorithms, Monographs in computer science, Springer.
  8. ^ Blum, M. (1967) On the Size of Machines, Information and Control, v. 11, pp. 257-265
  9. ^ Burgin, M. (1982) Generalized Kolmogorov complexity and duality in theory of computations, Notices of the Russian Academy of Sciences, v.25, No. 3, pp.19-23
  10. ^ Burgin, M. and Debnath, N. Hardship of Program Utilization and User-Friendly Software, in Proceedings of the International Conference “Computer Applications in Industry and Engineering”, Las Vegas, Nevada, 2003, pp. 314-317
  11. ^ Debnath, N.C. and Burgin, M., (2003) Software Metrics from the Algorithmic Perspective, in Proceedings of the ISCA 18th International Conference “Computers and their Applications”, Honolulu, Hawaii, pp. 279-282
  12. ^ Johnson, Neil F. (2007). Two’s Company, Three is Complexity: A simple guide to the science of all sciences. Oxford: Oneworld. ISBN 978-1-85168-488-5 
  13. ^ Lissack, Michael R.; Johan Roos (2000). The Next Common Sense, The e-Manager’s Guide to Mastering Complexity. Intercultural Press. ISBN 9781857882353 

参考さんこう文献ぶんけん

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外部がいぶリンク

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