The impact of diversity in the emergence of cooperation

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Pinheiro, Flávio Luís Portas, 1987-
Data de Publicação: 2011
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/8759
Resumo: Tese de mestrado em Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2011
id RCAP_91d91abc72f313c87a2d8325cfb0758d
oai_identifier_str oai:repositorio.ul.pt:10451/8759
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository_id_str 7160
spelling The impact of diversity in the emergence of cooperationEmergência da cooperaçãoRedes complexasSistemas complexosTeoria de jogos evolutivaDinâmica evolutivaTeses de mestrado - 2011Tese de mestrado em Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2011A cooperação é ubíqua no espectro de comportamentos humanos. Enquanto espécie, os Humanos evoluíram num ambiente que, de alguma forma, selecionou preferencialmente indivíduos cooperativos. É razoável afirmar que a evolução nos ensinou como cooperar e através do esforço cooperativo dos nossos antepassados prosperámos atingindo o estatuto de espécie mais bem sucedida no planeta Terra. Não obstante, a cooperação está presente a todas as escalas e em estruturas vivas de todas as escalas, sendo fundamental quer para a sua diversidade quer para a sua sustentabilidade, em pé de igualdade com os restantes três mecanismos da selecção natural: Selecção; Mutação e Replicação. De um ponto de vista evolutivo a Cooperação funciona como que uma cola, permitindo que a vida se torne sustentável a partir dos outros tr^es mecanismos que sustentam a evolução, e que, de uma perspectiva puramente racional, apenas aparentam promover a competição entre entidades. Esses mecanismos que descrevem a selecção natural foram os mesmos que levaram Herbert Spencer a descrever a selecção Natural como a sobrevivência dos mais aptos (do inglês survival of the fittest). Para que haja cooperação é necessário que existam pelo menos duas entidades sendo que a primeira está disposta a pagar um custo para oferecer um benefício outra. Regra geral admite-se que, no acto de cooperação, o benefício _e maior do que o custo. Obviamente isto abre uma janela para que uma das entidades se tente aproveitar do gesto generoso do outro recolhendo um benefício sem pagar um custo numa reciprocação cooperativa. Note-se que entidade, neste contexto, poderá ser entendida como um indivíduo ou uma bactéria, sendo que actos de cooperação se podem manifestar em diferentes organismos. A Cooperação pode ser vista como um comportamento que os indivíduos adquirem através de um mecanismo de evolutivo de aprendizagem social, que do ponto de vista matemático _e muito similar evolução biológica, podendo co-evoluir com esta. Desta forma, os indivíduos poderão imitar outros que considerem ter mais sucesso, sendo que este processo de imitação não está livre de erros. De acordo com Herbert Spence, seria de esperar um cenário onde os comportamentos egoístas que levam a recompensas maiores, fossem mais imitados. No entanto, os dados empíricos mostram que não é isso que se passa. Com efeito, sem a Cooperação a vida como a conhecemos não era possível, e por essa razão é da maior importância estudar e descrever os mecanismos fundamentais que levaram sua emergência. Uma ferramenta especialmente adequada para estudar a evolução de comportamentos numa população de indivíduos é a Teoria de Jogos Evolutiva. Esta ferramenta assume que indivíduos numa população interagem de acordo com os fundamentos da Teoria de Jogos mas evoluem de acordo com os mecanismos da selecção natural. Esta formalização dinâmica da teoria de jogos, mais elaborada, introduzida por Maynard Smith nos anos 70, permitiu que a biologia evolutiva abandonasse um dos seus paradigmas mais clássicos, característico da genética de populações: selecção constante. Fazendo uso da Teoria de Jogos para determinar o fitness de cada indivíduo, a Teoria de Jogos Evolutiva assume um paradigma em que a selecção depende da frequência de indivíduos que adoptam um determinado comportamento/estratégia. A versatilidade desta ferramenta fez como que fosse adoptada em outras áreas científicas como ligações ténues biologia. Exemplo disto são áreas como a sociologia, filosofia, economia, matemática, física e recentemente as ciências da computação. Ao assumirmos, através da Teoria de Jogos, que os indivíduos interagem de acordo com os dilemas sociais da cooperação, entre os quais o Dilema do Prisioneiro (o mais estudado por representar o cenário mais adverso para a cooperação), podemos estudar e analisar a emergência e sustentabilidade da cooperação numa população. Inicialmente, os trabalhos realizados em Teoria de Jogos Evolutiva tomavam as populações como infinitas e desprovidas de estrutura, um cenário em que todos os indivíduos interagem entre si com a mesma probabilidade, de tal forma que dois indivíduos com a mesma estratégia têm o mesmo fitness. Este paradigma foi adoptado por facilitar a descrição matemática da dinâmica que ocorria nestas populações. Esta aproximação tem, seguramente, o seu maior reflexo no facto de estar na origem das equações do Replicador, o (agora) muito popular e conhecido sistema de equações diferenciais acopladas e não-lineares que descreve na totalidade a dinâmica nestas populações. Os resultados, no entanto, não foram animadores, dado que os modelos previam o insucesso dos cooperadores quando os indivíduos interagiam de acordo com o Dilema do Prisioneiro. Mecanismos adicionais que explicassem a emergência da cooperação tornaram-se, portanto necessários. Um dos mecanismos chave para a emergência da cooperação assume que as populações são estruturadas através de uma rede complexa que emula o tipo de estrutura das interacções sociais que estabelecemos e em que vivemos. Neste tipo de populações os indivíduos interagem exclusivamente com os indivíduos a que estão directamente ligados. A introdução de estrutura social traz consigo a impossibilidade de descrever a dinâmica evolutiva de uma população através da equação do Replicador (excepto em limites e aproximações muito simples), facto este que limita bastante o tipo de ferramentas que podem ser usadas para extrair informação destes sistemas. As redes complexas inicialmente estudadas caracterizavam-se por terem uma estrutura simples e regular, influenciadas quer pelas regularidades de estruturas moleculares encontradas em cristais e superfícies, quer pela directa analogia com estruturas espaciais. Apesar de desprovidas das propriedades fundamentais encontradas entretanto nas redes sociais reais, estas redes regulares induziam, ao contrário das populações não estruturadas, a presença de diversidade nos indivíduos já que agora dois indivíduos com a mesma estratégia poderiam exibir um fitness diferente. Em grande parte devido a este mecanismo primitivo de diversidade estas redes demonstraram resultados animadores produzindo pela primeira vez um ambiente em rede no qual a cooperação emergia mesmo no Dilema do Prisioneiro. Talvez precipitada pelo sucesso destas estruturas, ou pelas descobertas entretanto feitas em ciências de redes complexas, a comunidade abordou de forma sistemática estruturas cada vez mais complexas e consequentemente com propriedades mais semelhantes s que se observam nas redes reais de interacções humanas. Um tipo de redes que demonstrou ser capaz de obter resultados particularmente espectaculares é caracterizada pela sua forte heterogeneidade, ou seja, pela existência de diversidade entre o número de ligações que cada indivíduo possui. Com efeito, estas redes heterogéneas demonstraram ser cruciais para a emergência da cooperação. De salientar que a introdução de mais um nível de diversidade na população (heterogeneidade), mesmo que conceptualmente simples, teve um impacto muito positivo no que concerne a emergência e sustentabilidade da cooperação. Além do mais a diversidade é uma característica presente nas estruturas sociais humanas pelo que a sua ligação emergência da cooperação é, também conceptualmente, muito interessante. Nesta Tese introduzimos e estudamos o impacto de mais um nível de diversidade na evolução da cooperação. Até aqui todos os modelos tinham como denominador comum uma situação em que cada indivíduo possuía recursos (conceptualmente) infinitos. Desta forma podiam pagar um custo fixo em cada interacção que participavam, independentemente do número de interacções. No paradigma que introduzimos neste trabalho, consideramos que os indivíduos possuem recursos limitados e que, por isso, têm de o repartir por entre todas as interacções em que participam. Este cenário origina o aparecimento de uma diversidade ao nível dos custos que cada indivíduo paga por interacção, já que indivíduos cooperadores com um número de ligações diferentes numa rede complexa participam em cada uma das suas interacções com custos diferentes. Este mecanismo, por sua vez, induz uma quebra de simetria no jogo que é jogado entre cada par de indivíduos. É simples conceber situações que corroborem este efeito. Por exemplo, o tempo que cada pessoa tem _e um recurso limitado que estas têm de dividir de acordo com as pessoas com quem interagem: quanto maior for o número de pessoas com quem interagem menor é o tempo que têm para cada uma. Finalmente nesta Tese introduzimos ainda uma quantidade denominada Gradiente de Selecção. Esta quantidade é calculada numericamente e constitui uma abordagem de campo-médio ao problema da dinâmica populacional, permitindo-nos extrair informação sobre o jogo efectivo em que uma população estruturada numa rede complexa se envolve como um todo. Esta quantidade vai permitir-nos estudar o impacto que diferentes tipos de estruturas populacionais têm no jogo efectivo sentido pela população, recuperando assim alguma da informação a que deixamos de ter acesso aquando da introdução de estruturas.Every living structure was produced and shaped according to the fundamental mechanisms of natural selection. However, such mechanisms do not suffice to explain the emergence of the complex reciprocal ties we find so essential in the sustainability of human society. These ties provide a clear example of the type of cooperative behavior not expected to emerge naturally through the evolutionary mechanisms of natural selection, which predict a world filled with selfish entities. How cooperation emerges is thus a major scientific challenge. One particular suited framework, called Evolutionary Game Theory, assumes that individuals interact according to well-known social dilemmas of cooperation and evolve through natural selection. Conventionally, Evolutionary Game Theory assumes infinite well-mixed populations, resulting in a set of coupled non-linear ordinary diferential equations known as replicator equations. When individuals engage in a Prisoner's Dilemma of cooperation, cooperation does not emerge. Additional mechanisms were proposed to explain the emergence of cooperation. A key mechanism assumes finite and structured populations in which individuals interact through the links of complex networks. The most successful types of networks are heterogeneous, hence characterized by the diversity among the number of links individuals possess. Here we investigate the emergence of cooperation when a new aspect of diversity is introduced, associated with individuals that have limited resources. Furthermore, we introduce a quantity called Gradient of Selection, which extracts the population-wide dynamics on populations structured according to different types of complex networks. We use this quantity to study the impact that different types of structures have on the effective dilemma faced by the population as a whole.Pacheco, Jorge M., 1958-Nunes, Ana F.Repositório da Universidade de LisboaPinheiro, Flávio Luís Portas, 1987-2013-07-09T13:22:55Z20112011-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/8759enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T15:52:42Zoai:repositorio.ul.pt:10451/8759Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:33:09.276699Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
dc.title.none.fl_str_mv The impact of diversity in the emergence of cooperation
title The impact of diversity in the emergence of cooperation
spellingShingle The impact of diversity in the emergence of cooperation
Pinheiro, Flávio Luís Portas, 1987-
Emergência da cooperação
Redes complexas
Sistemas complexos
Teoria de jogos evolutiva
Dinâmica evolutiva
Teses de mestrado - 2011
title_short The impact of diversity in the emergence of cooperation
title_full The impact of diversity in the emergence of cooperation
title_fullStr The impact of diversity in the emergence of cooperation
title_full_unstemmed The impact of diversity in the emergence of cooperation
title_sort The impact of diversity in the emergence of cooperation
author Pinheiro, Flávio Luís Portas, 1987-
author_facet Pinheiro, Flávio Luís Portas, 1987-
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Pacheco, Jorge M., 1958-
Nunes, Ana F.
Repositório da Universidade de Lisboa
dc.contributor.author.fl_str_mv Pinheiro, Flávio Luís Portas, 1987-
dc.subject.por.fl_str_mv Emergência da cooperação
Redes complexas
Sistemas complexos
Teoria de jogos evolutiva
Dinâmica evolutiva
Teses de mestrado - 2011
topic Emergência da cooperação
Redes complexas
Sistemas complexos
Teoria de jogos evolutiva
Dinâmica evolutiva
Teses de mestrado - 2011
description Tese de mestrado em Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2011
publishDate 2011
dc.date.none.fl_str_mv 2011
2011-01-01T00:00:00Z
2013-07-09T13:22:55Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://hdl.handle.net/10451/8759
url http://hdl.handle.net/10451/8759
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron:RCAAP
instname_str Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
collection Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository.name.fl_str_mv Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1799134225536909312

Registros relacionados