Complexity: A Very Short Introduction (Very Short Introductions)
本書の要約
本書「Complexity: A Very Short Introduction」はジョン・H・ホランド（John H. Holland）によって書かれた複雑系科学の入門書である。著者は複雑系を「複雑物理系（CPS）」と「複雑適応系（CAS）」の二つに分類し、これらの特徴と振る舞いを詳細に分析している。複雑系の主要な特徴である「創発性」（全体が部分の和以上となる特性）に焦点を当て、階層的な組織構造がどのように生じるかを説明している。
本書は特に「ニッチ（生態的地位）」の形成、共進化、再循環、専門化と多様性といった概念を深く掘り下げている。著者は、タグ（信号の一部）がゲート（境界）を通じて信号を誘導する仕組みが、複雑適応系における適応と進化の鍵となると主張している。
ホランドは「生成系」という考え方を提唱し、複雑系を統一的に扱うための枠組みの重要性を強調している。また、マルコフ過程や「ゲート付き壺モデル」などの数学的アプローチを用いて、複雑系の動態を分析する方法を示している。
著者は複雑系科学がまだ初期段階にあることを認めつつも、この分野が発展することで、様々な複雑系に共通する原理を発見し、それらをより効果的に「操縦」できるようになる可能性を示唆している。
目次
第1章 複雑系（Complex systems）
第2章 複雑物理系（Complex physical systems）
第3章 複雑適応系（Complex adaptive systems）
第4章 エージェント、ネットワーク、次数、再循環（Agents, networks, degree, and recirculation）
第5章 専門化と多様性（Specialization and diversity）
第6章 創発（Emergence）
第7章 共進化とニッチの形成（Co-evolution and the formation of niches）
第8章 すべてをまとめる（Putting it all together）
第1章 複雑系（Complex systems）
複雑系は「創発性」を持つシステムであり、「全体の作用は部分の作用の総和以上である」という特徴がある。熱帯雨林や市場など多様な要素が相互作用する系がこれに該当する。複雑系は自己組織化、カオス的振る舞い、べき乗則分布、適応的相互作用などの特徴を示す。本書では「複雑物理系（CPS）」と「複雑適応系（CAS）」の二つに分類し、それぞれの特性を分析する。複雑系の分析には、システムの中に存在する反復パターンを見つけることが重要である。（297字）
第2章 複雑物理系（Complex physical systems）
複雑物理系（CPS）は固定された法則に従う要素から構成され、通常は微分方程式で表現される。初期条件のわずかな違いが大きな違いを生む「カオス」現象や、「スノーフレーク曲線」のような自己相似性を持つフラクタル、スケーリングと呼ばれるべき乗則現象などが特徴的である。また、ネットワーク理論は複雑系研究の重要なツールとなっており、「スケールフリーネットワーク」や「スモールワールドネットワーク」といった概念が開発されている。CPSの動態分析は「状態」の概念に基づいており、対称性の破れという現象が創発と関連している。（285字）
第3章 複雑適応系（Complex adaptive systems）
複雑適応系（CAS）はエージェントと呼ばれる要素が相互作用しながら学習・適応するシステムである。CASエージェントは3つのレベルの活動を持つ：パフォーマンス（条件付きIF/THENルール）、信用割当（ルールの有用性評価）、ルール発見（新能力の生成）。信号処理エージェントはネットワークとして表現でき、その適応はネットワーク構造の変化として現れる。「バケットブリゲードアルゴリズム」による信用割当や、ビルディングブロックの組み合わせによる新ルール生成などの適応メカニズムが重要である。生成文法とマルコフ過程はCAS理論の基盤となりうる。（273字）
第4章 エージェント、ネットワーク、次数、再循環（Agents, networks, degree, and recirculation）
CASにおいて、エージェントは「アルファベット」として機能し、信号処理ルールは条件/行動の形式を持つ。エージェント間の相互作用はネットワークとして表現でき、「次数」（接続数）がエージェントの相互作用の豊かさを示す。ループはCASの重要な特徴であり、信号や資源の再循環、フィードバック制御、部分的に自律的な「サブルーチン」を可能にする。ループの分析は困難だが、ループのない「木構造」の部分を抽出して分析することは可能である。進化ゲーム理論はゲームの木構造を利用してエージェントの戦略修正を研究するが、ゲームの法則の進化や階層の起源は扱えない。（287字）
第5章 専門化と多様性（Specialization and diversity）
多細胞生物はさまざまなコミュニティに組織化された専門化細胞で構成されている。生物学的コミュニティには、驚くほど特殊な相互作用が存在する（例：ダーウィンの「彗星ラン」とその送粉者）。専門化はアダム・スミスの「ピン工場」の例のように生産性向上をもたらす。複雑適応系は専門化エージェントの増加傾向を示す。多様性を維持する重要な要素は「タグ」と呼ばれる信号の小さな部分で、これが境界を通じて信号を誘導する。タグは生産ラインのような規則の連鎖を調整し、新たな専門化の出現を促進する。交差（クロスオーバー）によりタグを修正して経験に基づく新たな相互作用を生成できる。（292字）
第6章 創発（Emergence）
創発は全体が部分の総和として得られない性質を持つ現象である。例えば水の「湿り気」は個々の水分子には帰属できない。生成系における創発は、生成子（generators）が組み合わさって個々の生成子の性質の総和では得られない性質を持つ対象を生み出す時に起こる。例えば顔の特徴（髪型、額の形、目の色など）を組み合わせることで、認識可能な顔が創発する。階層構造は創発と密接に関連しており、初期の有用な構造が他の構造生成の基礎となることで階層が形成される。共進化もタグを介した非線形相互作用を生み出す重要なメカニズムである。新しい境界は通常新しいエージェントを識別するため、境界は創発現象と密接に関連している。（290字）
第7章 共進化とニッチの形成（Co-evolution and the formation of niches）
「ニッチ」とは複雑適応系の階層組織における重要な概念で、信号と資源の局所的利用を表す。ロトカ-ヴォルテラ方程式は生態学的ニッチの基本モデルだが、資源の再循環を考慮していないという限界がある。実際のニッチでは、例えば人体と細菌の共生関係のように、種間の複雑な相互依存関係が存在する。マルコフ過程理論はニッチ内の複雑な再循環を記述するための有効な枠組みを提供する。共進化によるニッチ形成では「乗数効果」が重要で、これが専門化の増加を促進する。タグの組み換えはニッチ構築と共進化のメカニズムとして機能し、限られた資源をより効率的に利用する組織が生存する。（278字）
第8章 すべてをまとめる（Putting it all together）
複雑系の研究には、共通言語による比較を可能にする包括的な枠組みが重要である。生成系（generated system）はこのような枠組みを提供し、さまざまな複雑系の要素を単一の言語で記述しつつ、創発のような重要な共通特性を強調する。この枠組みでは、要素の生成順序が時間的順序に対応する。複雑適応系に関する重要な疑問には、「人間はどのように人間であり続けるのか」「CASにどのように新しい半自律的エージェントが出現するのか」「CASはなぜ階層的に組織化されるのか」などがある。これらの疑問に答えるには、複雑系の共通メカニズムを特定する理論が必要である。複雑系科学はまだ初期段階だが、包括的な複雑性理論の構築は可能である。（288字）
複雑さ超短編入門
VERY SHORT INTRODUCTIONSは、新しいテーマへの刺激的でわかりやすい入門書を求めるすべての人のためのものである。専門家によって書かれ、40以上の言語に翻訳されている。
このシリーズは1995年に始まり、現在ではあらゆる分野のさまざまなトピックをカバーしている。VSIライブラリーには現在、心理学や科学哲学からアメリカ史や相対性理論まで、あらゆる分野の超短編入門書が350冊以上収録されており、あらゆる分野で増え続けている。
詳細はウェブサイトを参照のこと
www.oup.com/vsi/
ジョン・H・ホランド
序文
オックスフォード大学出版局から複雑性に関するVery Short Introductionの執筆を依頼されたのは驚きであった。というのも、私は複雑性に関する本を書き上げたばかりで、その本は科学志向の読者を対象としていたからだ。
VSIシリーズの2つの特性が私の考えを変えた： この本は、より幅広い読者、つまり複雑性に関心のある人であれば、どのような背景を持つ人であれ、誰でも対象とするものであり、しかも短いものであった。加えて、私の同僚はVSIシリーズ全体を賞賛し、その長いリストの中のどのトピックに対しても、簡単で権威のある概説書を提供していると宣伝している。全体として、それは困難であると同時に興味をそそる挑戦だった。私は自分に何ができるか試してみることにした。
驚いたことに、本書を執筆する過程で、私自身の理解度が大幅に高まったのである。本書の最終章が形になり始めたとき、私は、以前はよく分離されていると考えていたトピックに、実は多くの共通点があることを知った。概念を単純な基盤に還元することで、それらを「接着」することができた。読者の皆さんが同じように感じてくれることを願うばかりである。
ジョン・ホーランド
ミシガン州アナーバー
2013年11月
目次
- 図版リスト
- 1 複雑系
- 2 複雑物理システム（CPS）
- 3 複雑適応システム（CAS）
- 4 エージェント、ネットワーク、次数、再循環
- 5 特殊化と多様性
- 6 創発
- 7 共進化とニッチの形成
- 8 全てをまとめる
- さらに読む
- 索引
イラスト一覧
- 1 セル・オートマトン
- 2 雪片曲線
- 3 スモールワールド・ネットワーク
- 4 イジングモデル
- 5 形態形成における対称性破れのチューリングモデル
- 6 エージェントとそれに対応するネットワーク
- 7 バケツリレーによる強さの連続的変化
- 8 クロスオーバーによる新しいルールの生成
- 9 連成反応の壷モデル
- 10 組換えによる面の生成
- 11 子供の積み木を使った部分構造と構造
- 12 ヤマネコ／ウサギの振動
- 13 壷間の拡散
- 14 骨壷内のボールの配置
- 15 有効なモデルの基準
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