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约翰·霍兰的复杂适应系统

18-06-16 19:45    作者:一只花蛤    相关股票:

2018年6月8日   文/姚斌

题记:复杂适应系统是由规则描述的、相互作用的,并且需要不断的变换其规则来适应。那么这就意味着能够适应的就能生存,不能适应的将趋向湮灭。

肯·费雪在回忆他的父亲菲利普·费雪时说,“我父亲还指出,成功最有可能来自于那些通过跨学科的方式,对销售、营销和市场研究进行整合的公司。”基于这个“跨学科”也就是格栅思维,我阅读复杂性科学的经典之作。复杂性科学研究的集大成者在圣塔菲研究所。在那里,云集了世界上最优秀的复杂性科学研究者。约翰·霍兰教授就是其中一位。霍兰教授是遗传算法的发明人、密歇根大学教授、圣塔菲研究所指导委员会主席之一。著有《隐秩序》和《涌现》等。其中《隐秩序》)主要介绍了复杂适应性理论的基本思想。而《涌现》则是续篇,霍兰教授在此进一步发展了复杂适应性理论,介绍了复杂适应性理论在研究复杂系统运动理论规律方面的最新进展。

《隐秩序:适应性造就复杂性》强调寻找支配复杂适应系统行为的一般原理,注重扩展众多科学家的直觉,提供了一个适合于全部复杂适应系统的计算机模型,通过描述我们能够做什么,总结了如何增强对复杂适应系统的理论认识。《隐秩序》是一部里程碑式的杰作,是霍兰教授几十年关于主题系统如何演化、适应、凝聚、竞争、合作,以及与此同时如何创造极大的多样性和新颖性等深刻思想的完美浓缩。

何谓“复杂的适应系统”?包括人脑、免疫系统、生态系统、细胞、胚胎、蚁群等等,他们似乎有某种直观重要的共性。

1、每一个这样的系统都是一个由许多平行发生作用的“作用者”(Agent)组成的网络。更进一步说,一个复杂的适应系统的控制力是相当分散的;而一个系统所产生的连续一致性结果,是产生于作用体之间的互相竞争与合作。

2、一个复杂的适应系统都具有多层次组织,每一个层次的作用者对更高层次的作用着来说,都起着建设砖块的作用。更重要的是:复杂的适应性系统能够吸取经验,从而经常改善和重新安排他们的建设砖块,这是最根本的适应机制之一。

3、所有复杂的适应系统都会预期将来。就是内部的规则和假设,如:“在ABC情况下,可能要采取CDE行动”。可以把内心的假设模型想象成是行为的建设砖块。他们就像所有其他建设砖块一样,也能够随着系统不断吸取经验而被检验、被完善和被重新安排。

4、复杂的适应系统总是会有很多小生境(Niche),每一个这样的小生境都可以被一个能够使自己适应在其间发展的作用者所利用。每一个作用者填入一个小生境的同时又打开了更多的小生境。因此,复杂适应系统的均衡就毫无意义:这种系统永远不可能达到均衡的状态,它总是处在不断展开,不断转变中。这样就展现了复杂适应系统永恒的新奇性。

在霍兰教授看来,所谓的“复杂”首先就表明了结果的不可预测性,同时指明了其结果不可预测的原因,因为过程的复杂,充满了非线性,一个小的输入会产生巨大的、可预期的直接变化——放大器效应。比如,像牛痘疫苗这样的很少的一些抗原进入我们的血液,就足以刺激免疫系统产生足够的抗体,使我们免于染病。因此,非线性就意味着,我们通常使用的从一般观察归纳出理论的工具,如趋势分析、均衡测定、样本均值等等都失灵了。而要弥补这个缺陷的最好办法,就是对复杂适应系统进行跨学科的比较,以抽取其共性。

适应是一个非常广泛的话题。从生物学角度说,适应是生物体调整自己以适应环境的过程。粗略的说,生物体结构的变化是经验引导的结果,因此随着时间的推移,生物体将会更好地利用环境达到自己的目的。免疫系统的适应性变化需要数小时到数天;商业公司的适应性变化往往需要数月到数年;而生态系统的适应性变化可能需要数年到数千年,甚至更长。在复制适应系统中,任何特定的适应性主体所处环境的主要部分,都由其他适应性主体组成,所以任何主体在适应上所作的努力就是要去适应别的适应性主体。这个特征是复杂适应系统生成的复杂动态模式的主要根源。

在复杂适应性系统中 ,有7 个元素中的 4 个特性(聚集、非线性、流和多样性)及 3 个机制(标识、内部机制和积木)。这7个基本点之间是相互作用。

1、聚集

聚集有着两种含义:第一种含义指简化复杂系统的一种标准方法。归纳的解析方法忽略一些和当下问题”无关”的东 西,然后将集合归类。第二个含义则是说明了复杂适应系统的一种特性:即“较为简单的主体的聚集相互作用,必然会涌现出复杂的大尺度行为”。这个就是所有系统的一种属性了,就是系统终于跃变出单个主体所不具备的新的系统属性。“它非常像相对不聪明的部件组成的聪明的生物体”,比如大城市的协调性和持存性 。这里说明了在复杂系统之中,新的“涌现”——强大的系统功能首先必须有大量的主体的聚集才能够产生,这是一个必要条件。最基本的主体构成了其上一级的一种主体,这个被作者称为“介主体”(或者译作“间主体”),然后间主体在通过同样的聚集作用构成间间主体……而第二个层次的聚集,即通过聚集产生突现。

2、标识

在聚集体形成过程中,始终有一种机制在起作用,这就是标识。我们最熟悉的例子就是,用于召集部队士兵或具有相同政治主张的人群的旗帜。“标识是为了聚集和边界生成而普遍存在的一种机制。”复杂适应系统通常都以标识来操纵对称性。比如,花式台球中的白色母球会呈现出完全的旋转对称,任何方向的旋转都产生了不可察觉的变化。如果在母球的赤道部位加上一个彩条,使它变得接近其他的台球,那么对称性就被打破了,我们便可以看到先前无法区分的一些现象。“标识能够促进选择性相互作用”,这就是说标识提供了筛选。标识是层级组织机构的基础机制,就是说有了标识才会带来一种层次,具体的聚集都是发生在某个层面之上的聚集。聚集不是盲目的,聚集肯定是因为某种特性的匹配。

3、非线性

数学工具从简单的算术、微积分到拓扑学,大都依赖于线性假设:将各部分的值加“能”得到整体的值。一个函数也是线性的,如果对其变量赋予任何值,函数的值都只是这些值的加权求和。这里我们可以理解为,首先强调的是一种相加的运算,线性的聚集是一种最简单的量的加和,不存在乘除等会使两个东西的相互作用产生某种倍增效应的东西。注意个“能”字,就是说线性的情况下结果是可以预测的,是能够预知的,并且有着某种肯定的结果。遗憾的是,这样的努力完全不适合复杂适应系统。有一个最简单的非线性相互作用,即捕食者群体与被捕食者的数量关系。通常我们观察到,无论是捕食者群体数量的增加,还是被捕食者数量的增加,捕食者与被捕食者遭遇的可能性都会增加。然而事情没有那么简单。引入洛特卡-沃尔泰拉模型就会表明,捕食者的数量会经历一系列在食物充足和饥荒间的振荡,被捕食者数量也会如此。即使在最简单的情况下,非线性都会干扰用于聚集的线性方法,非线性相互作用几乎总是使聚集行为比人们用求和或求平均方法预期的要复杂得多。

4、流

流的概念决不仅仅限于液体的运动,也仅仅是货物流动或资本流动。而是有众多节点与连接者的某个网络上的某种资源的流动。流的特性的存在需要一种基本的结构:节点、链接者、资源,这种三合一的组合。节点则往往是主体,而链接者表明了可能的相互作用。其结构表现为一种动态,就是说会随着时间的变化而变化,流会随着主体经验的积累而比那话,表现出变易适应性的模式。流在经济学上有两种非常著名的特性,对所有复杂适应系统都很重要。一是乘数效应,只要在某些节点上注入更多的资源就会发生。通常情况下,这种资源沿着路线,从一个节点传输到另一个节点,并产生一连串的变化。比如,你造房子时,付钱给承包人,承包人付钱给建筑工人,建筑工人用这些钱买食品和其他商品等等,通过经济网络一步接一步传递。二是再循环效应,通过流动和交换能够增加输出能够带来新的因素,就是说主体之间通过某种结构形成一种互动式交流,信息或者能量在这个网络中的流动,能够带来新生事物。

4、多样性

任何的复杂适应系统都必须拥有多样性。多样性即非偶然也非随机。无论是生物体、神经元还是公司,任何单个主体的持存都依赖于其他主体提供的环境。粗略地说,就是每个主体都安顿在由以该主体为中心的相互作用所限定的合适生态位上。如果我们从系统中移走一种主体,产生一个“空位”,系统就会作出一系列的适应反应,产生一个新的主体来“填空”。这种现象类似于生物学上所谓的趋同现象。三叠纪海洋中的鱼龙与现代海洋中的海豚所占生态位相同。虽然鱼龙与海豚无血缘关系,但在外形和习性上却惊人的相似。当主体的蔓延开辟了新生态位,产生了可以被其他主体通过调整加以利用新的相互作用的机会时,多样性就产生了。一种普遍存在的生物现象,拟态,就是很好的例子。鸟儿们不吃黑脉金斑蝶,是因为黑脉金斑蝶体内有一种苦的生物碱,鸟儿们误食了会引起呕吐。另一种蝴蝶,副王蛱蝶,其翅膀的花纹与黑脉金斑蝶如出一辙,但身体内却不含苦生物碱。它模仿了黑麦脉金斑蝶,因此获得了宝贵的自由。复杂适应系统是一种动态模式,通常具有持存性和协调性。在复杂适应系统中,由于部分主体灭绝而引起的相互作用模式的变动,常常会按以前的方式重塑自己,虽然新的主体可能在细节上与老的主体有所不同。

6、内部模型

以虫为食的鸟能预感到,具有鲜艳橙褐色鳞翅的蝴蝶有苦味道,它们如何能做到这一点?所有的复杂适应系统都存在这个问题。这样就把我们带到复杂适应系统的另一个标志面前:主体能够预知某些事情。要理解预知,先要理解本身就极为复杂的一种机制——内部模型。内部模型分成两类,隐式的和显式的。隐式内部模型,在对一些期望的未来状态的隐式预测下,仅指明一种当前的行为。而显式内部模型作为一个基础,用于作为其他选择时进行明显的、但是内部的探索,就是经常说的前瞻过程。比如,在下象棋时移动一个棋子前,对于所有着法都可能产生的后果在头脑中进行思考。使用积木生成内部模型,是复杂适应系统的一个普遍特征。当模型是隐式的,则发现和组合积木的过程通常是按进化的时间尺度来进展的;当模型是显式的,则时间的数量级就要短的多。无论是内部模型,还是最初讨论的适应,底层的适应过程在复杂适应系统的所有范围内都是相同的。

7、积木

积木是基于人类思考的一种分析能力:把一个复杂事物分成若干部分的能力。这种积木模式是一种组织和思维的方法,正是我们现在正在用的。同时也是复杂适应系统的一种基本的构成模式:即这个系统只能够通过大量的主体来构成,这个构成里面是主体之间通过某种规则来建立彼此之间的连接从而形成一种紧密的、有机的、互动性的、具备足够弹性的、具有进化和适应的能动性的一体化系统,形成了一种涌现。这个里面分解之后的“积木”,强调积木是通过了实践检验的某种可靠性的主体,而后其能够通过多种的组合方式来形成一种具备适应不同的外部情况的系统——“修车”的比喻。这样的话,一般来说,积木的数量越多,其能够形成的新的复杂适应系统的数量也就越大。较高层次的规律是从较低层次积累的规律推导出来都,但这并不意味着高层次的规律就容易被发现,就如同几何学上一个人知道公理,并非就容易发现定理。使用积木生成内部模型,是复杂适应系统的一个普遍特征。但模型是隐式时,则发现和组合积木的过程通常是按进化的时间尺度来进展;当模型是显式时,则时间的数量级就要短得多。

霍兰教授在这部里程碑式的著作中强调寻找支配复杂适应系统行为的一般原理,注重扩展众多科学家的直觉,提供了一个适用于全部复杂适应系统的计算机模型。霍兰教授通过描述我们能够做什么,总结了如何增强对复杂适应系统的理论认识。他提出的若干理论方法,可以指导投资者如何正确理解证券市场的复杂适应性问题。比如,在《隐秩序》中,就有一节关于股票市场模型的实验。霍兰教授叙述说,那时他受到圣塔菲同事的启发,采用适应性主体来模拟股票市场,其目标是要更好地理解股市的动力学特征。对传统经济学来说,股市的动态性质并不是一个自然研究的领域。从传统的观点看,股市通过改变供求在小范围内变动,应该总能很快清算。传统的模型不容易导致崩溃、产生投机泡沫。传统的理论是围绕具有完美理性的主体(那些完美地预见自身行为后果的主体)建立的。不寻常的动态因素,如崩溃和投机泡沫,通常被视为偶然事件造成的。

但是真实股市的波动,在很大范围上要比驱使它们变化的供求流动迅速得多。基于适应性主体(即那些具有有限理性而不是完美理性的主体)的股市,更容易展现“自然的”动态过程。由这种主体内部模型产生预期的推测会产生投机泡沫和随之而来的崩溃。在霍兰教授的模型中,少量的适应性主体在一只股票上交易,采用(非适应性的)专家程序,裁定买方和卖方的出手量,从而决定当前价格(等于日平均价格)。为了产生股票市场的“匿名”效果,也为了使事情简单,一个主体在每个时间步上仅有的输入信息就是当前的价格。这些信息或许已经被收入“历史”,在此基础上,主体在每个时间步上决定三种行为中的一种:买进、卖出和持有。由于持有的股票有“股息”,所以主体只是简单地持有股票就能赚钱。(这种股息决定了股票的“基本值”,在此种最简单的模型中不会波动。)对任何给定主体的表现的测定,就是看它在交易中积聚的钱有多少。

在一轮典型的交易中,主体由最初的随机策略开始。正如所料,最初的股市杂乱无章,但信用分派(即某个规则赢得竞争的能力,应该建立在该规则过去的有用性上)和遗传算法(即生成了新的、更好的规则集合)很快就为每个主体提供了基于经验的规则,指导他们买进、卖出和持有。主体可能会以这种形式建立规则:IF(价格40)THEN(卖出),以及IF(价格低于40)THEN(买进)。市场很快就理顺了,并且开始像传统经济学所描述的市场那样。随后,一个主题发现了一条利用市场“惯性”的规则,即在股市上扬时,稍微“迟”一点卖出,以此来赚钱。其他的主体趣之若鹫,整个学习过程产生了一种新的市场形势,使这种趋势一度自动地更为突出。过了一段时间,在充斥了大量的自我实现的预言后,行为变得越来越夸张,导致了泡沫的产生,市场最终崩溃。

或许是复杂性科学本来就艰深,或许是中文版本翻译得过于晦涩。总之,要真正理解霍兰教授的书不是一件容易的事情。但是只要记住以下几点就足够了。

1、事物的复杂将超出自己的想象,研究一个系统的复杂性是几乎不可能的。既然如此,那么就表明了其结果的不可预测性,尤其在证券市场。

2、复杂适应系统是由规则描述的、相互作用的,并且需要不断的变换其规则来适应。那么这就意味着能够适应的就能生存,不能适应的将趋向湮灭。

3、所谓的适应就是个体与环境之间的主动的、反复的交互作用。任何主体在适应上所作的努力,就是要去适应别的适应性主体。

4、主体在这种持续不断的交互作用的过程中,不断地“学习”或者“积累经验”,并且根据学习到的经验改变自身结构和行为方式。

5、但是“适应性造就复杂性”,适应性仅仅是造就复杂性的一个侧面,即适应性是产生复杂性的机制之一,并不排除还会有其他的产生复杂性机制。

6、适应性主体具有感知和效应的能力, 但它不是全知全能的或是永远不会犯错失败的, 错误的预期和判断将导致它趋向消亡。

7、适应性主体不只是演化, 而且是共同演化。共同演化产生了无数能够完美地相互适应并能够适应于其生存环境的适应性主体。

8、主体间的相互作用是主体适应规则的表现, 这种相互作用具有耦合性的前后关联, 而且更多地充满了非线性作用。

9、在线性的情况下,其结果是可以预测,并且能够预知某种肯定的结果。但在复杂适应系统中,因为充满了非线性,因此是不可预测的。


 
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