人类行为的动力学与统计力学研究
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*暋国家重点基础 研 究 发 展 计 划(批 准 号:2006CB705500)、国 家 自 然 科学基金 (批 准 号:10975126,10635040)、高 等 学 校 博 士 点 基 金 (批准号:20093402110032)资助项目 2009-05-19收到
昄 通讯联系人.Email:bhwang@ustc.edu.cn
Abstract 暋 暋Anunderstandingofthestatisticalcharacteristicsofhumanbehaviorinvolvesthestudyofmanyfun灢 damentalproblemsineconomics,psychology,transportation,andsociology.Inrecenttimes,statisticalstudies haverevealedmanynewunexpectedpatternsofhumanbehaviorwhichhaveattractedmuchattention.Thesedis灢 coveriesareimportantforourunderstandingofmankinditself,andforbasicstudiesofalargenumberofproblems inthesocialsciences.Therearealsobroadprospectsfortheirpracticalapplications.Thisarticlewillreviewthe mainresultsinthisnewlydevelopingresearcharea,withemphasisontheprogressobtainedbytheComplexSys灢 tem ResearchGroupattheUniversityofScienceandTechnologyofChina. Keywords暋 暋humanbehaviors,humandynamics,inter灢eventtimedistribution,mobilitypattern,non灢Poisson distributioncharacteristics
最后,国际上有少数工作研究了人类行为的非泊 松特性对网 络 传 播、通 讯 等 动 力 学 过 程 的 影 响.例 如, 发现与一般的泊松特性相比,这种非泊松特性可以给 系统带来一些特殊性质,比如更快的传播速度等[23].
除了发现人类行为的时间间隔分布中广泛存在 着非泊松特性,最近 也 发 现 在 人 类 行 为 的 空 间 分 布 中也存在非 泊 松 特 性 等 复 杂 现 象.2006 年,通 过 统 计帐单传递[24],人们间接地发 现 了 人 类 的 旅 行 行 程 分布存 在 接 近 于 幂 律 的 胖 尾;2008 年,Gonzalez等 通过统计 移 动 电 话 用 户 在 不 同 基 站 区 域 的 漫 游 过 程[25],更进一步 研 究 了 人 的 旅 行 行 程 分 布,同 样 发 现 该 分 布 具 有 无 标 度 特 性 ,与 早 期 的 结 果 基 本 一 致 . 更为 直 接 的 是,基 于 GPS 数 据 的 统 计 结 论 也 [26] 支
经济物理学专题
人类行为的动力学与统计力学研究*
汪秉宏1,2,昄暋暋韩筱璞1
(1暋中国科学技术大学近代物理系暋理论物理研究所暋非线性科学中心暋合肥暋230026) (2暋上海理工大学复杂系统科学研究中心暋上海系统科学研究院暋上海暋200093 )
摘 暋 要 暋 暋 对 人 类 行 为 的 统 计 特 性 的 研 究 ,涉 及 研 究 经 济 、心 理 、交 通 、社 会 学 等 学 科 的 根 本 问 题 .在 最 近 一 个 时 期 以 来 , 针 对 人 类 行 为 的 统 计 揭 示 出 了 大 量 的 出 乎 人 们 意 料 的 规 律 ,吸 引 了 众 多 研 究 者 的 注 意 .这 些 规 律 不 仅 对 认 识 人 类 自 身 和 对 大 量 的 社 会 学 科 的 基 础 研 究 有 着 重 要 价 值 ,而 且 在 实 际 应 用 中 有 着 广 阔 的 前 景 .文 章 作 者 回 顾 了 这 一 新 近 发 展 起 来 的 领 域 的 主 要 研 究 成 果 ,并 重 点 对 中 国 科 学 技 术 大 学 的 相 关 研 究 进 行 了 介 绍 . 关 键 词 暋 暋 人 类 行 为 ,人 类 动 力 学 ,时 间 间 隔 分 布 ,空 间 移 动 斑 图 ,非 泊 松 分 布
上述统计特性说明,人类的众多行为是不能使用 泊松过程来描 述 的,那 么 一 个 重 要 的 问 题 是:这 种 胖 尾分布的行为特征的来源是什么? 目前的一种重要 的解释是基于 任 务 队 列 理 论 的 ,该 [1,15,17,18] 理 论 把 人 的各种日常行为视作处理一系列的任务,并根据日常 生活经验假设对这些待处理任务进行优先级划分,首 先处理高优先级者,指出这种具有优先权的行为模式 是造成胖尾分布的重要原因.这种基于任务队列的理 论模型可以合理地解释很多人类行为中的非泊松特 性,例如电子邮 件 和 水 陆 邮 件 的 发 送 等,而 且 可 以 相 当容 易 地 推 广 到 存 在 多 个 个 体 之 间 的 交 互 的 情 况[19],在解释人 类 行 为 时 间 统 计 胖 尾 分 布 特 征 方 面 取得了很大的成功.
此外,由于影响人类行为的因素是多种多样的,所 以,有部分研究工作从不同于任务队列的方面出发,提 出了多种非排队论模型.例如,有的工作考虑了人类行 为中的记忆效 应[20],有 的 研 究 了 行 为 的 周 期 性 和 季 节 性对非泊松机 制 的 影 响[21],近 期 的 一 种 理 论 则 从 多 重 泊松分布的角度解释了人类的行为特性[22].
1暋引言
人类的行为具有高度的复杂性.探索人类行为的 统计特性,对 于 研 究 经 济、心 理、交 通、社 会 学 等 学 科 以及认识人类自身有着重要的意义.在以往的一些对 社会、经济系统 的 研 究 中,常 常 把 单 个 人 的 行 为 简 化 为可以使用泊松过程描述的稳态随机过程.这种假设 必然导致的推论是人的行为的时间统计特征应该是 较为均匀的,两个相继行为之间存在极大的时间间隔 的概率很小.但是,自2005年 Barab湤si通过对电子邮 件发送与回复以及邮件通信等人类行为的时间间隔 的实际统计,人们发现这些行为存在与上述假设极为 不同的特性[1,2]:长时间的静默与短期内 的 高 频 率 的 爆发,同时呈现 在 这 些 人 类 行 为 中,其 时 间 间 隔 分 布 存在满足反比 幂 函 数 的 胖 尾,也 就 是 说,这 些 行 为 的
这一领域已经成为国际复杂性研究的一个新兴 热点,近 年 来 仅 在 Nature,Science,PhysicsReview Letters这 些 国 际 顶 级 学 术 期 刊 上 就 出 现 10 余 篇 相 关的研究论文.该领 域 的 兴 起 也 引 起 了 国 内 研 究 者 的 注 意 .目 前 ,中 国 科 学 技 术 大 学 、上 海 理 工 大 学 、上 海交通大 学 等 都 有 相 关 工 作 在 国 内 外 学 术 期 刊 发 表 .这 些 工 作 可 以 简 述 如 下 :
Thedynamicsandstatisticalmechanicsofhumanbehaviors
WANG Bing灢Hong1,2,昄 暋暋HAN Xiao灢Pu1
(1暋Departmentof ModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei暋230026,China) (2暋ResearchCenterforComplexSystem Science,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology ,Shanghai暋200093,China)
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http:飋飋www.wuli.ac.cn暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋物理·39卷 (2010年)1期
经济物理学专题
Baidu Nhomakorabea
行为外,时间间隔统计所显示的非泊松特性可能是在 人 类 行 为 中 普 遍 存 在 的 .V湤zquez等 将 人 类 行 为 分 为 幂 指 数 为 -1 和 -1.5 的 两 大 普 适 类[15],而 近 期 的 更 为深入的实证研究发现了更为广泛的行为特性,已经 突破了这两大 普 适 类 的 范 围[9].除 了 时 间 间 隔 分 布, 部分人类行为事件前后时间间隔的相关性也得到了 研究者的注意.研 究 发 现,这 些 人 类 行 为 相 邻 时 间 间 隔的相关性并不明显,而其他同样存在爆发性和长期 静默性 的 自 然 现 象 (如 地 震 等)常 常 存 在 正 的 相 关 性[16].这一项研 究 初 步 地 把 人 类 行 为 和 其 他 复 杂 系 统中的行为特性进行了比较,暗示可能存在统一的深 层机制.
发生过程是不能用泊松过程描述的.这一出人意料的 研究结论提示人们,人类的个体行为可能存在复杂的 动力学机制,而 随 之 而 来 的 一 个 重 要 的 问 题 是 ,这 种 非泊松特性在人类行为中是不是普遍存在的? 人们 对这一问题进行了极为广泛的研究.
通过各种不同的数据收集方法,人们的研究涉及 市场交易[3—6]、网 站 浏 览[7,8],电 影 点 播[9]、欣 赏 网 络 音乐[10]、手 机 通 讯[11]、在 游 戏 及 虚 拟 社 区 中 的 行 为[12,13]、计 算 机 指 令 的 使 用 行 为[14]等 ,包 含 了 商 业 行 为、娱乐行为、日常使用习惯等众多的人类行为,在这 些行为中,普遍 发 现 有 类 似 的 偏 离 泊 松 过 程 的 特 性. 这些现象显示出,除了受到生理周期强烈影响的部分
持 人 类 行 程 分 布 中 存 在 无 标 度 特 性 .此 外 ,在 生 物 学 观测中也发现大量的动物物种的运动具有类似的幂 律形式的行程分布 .由 [27—29] 于这种幂律 形 式 的 行 程 分布存在较高频率 的 远 程 运 动,它 无 法 通 过 经 典 的 随 机 行 走 进 行 描 述 .这 种 行 程 分 布 的 广 泛 性 ,使 得 人 们需要去思考它背 后 的 动 力 学 机 制 是 什 么.虽 然 对 于动物行为中的幂律行程分布已经提出了觅食效率 优 化 、嗅 [30,31] 觉 梯 度 机 制[32]、确 定 性 行 走 等 [33] ,但 目前对人类的这种行程分布模式产生机制的解释方 面的研究仍然非常缺乏.
在实证方面,中国科学技术大学复杂系统课题组 的周涛等人与韩国成均馆大学及瑞典皇家学院合作, 研究了电影点播中的人类行为模式及其与个体活动性 之间的关系[9,34],洪 伟 等 人 研 究 了 人 类 短 消 息 通 讯 中 的时间间隔分布[35],发现了多种无标度特性;上海理工 大学课题组 的 张 宁、李 楠 楠 和 周 涛 合 作,分 析 了 鲁 迅、 钱学森等名 人 的 邮 件 通 讯 数 据[36,37];上 海 交 通 大 学 的 胡海波等人研究了网络在线音乐的收听行为[10].在理 论模型方面,中国科学技术大学的韩筱璞等提出用可 自适应调 节 的 兴 趣 机 制 来 解 释 人 类 行 为 的 非 泊 松 特 性[38,39].此外,上海理工大学方面还发表了针对人类动 力学的综述文 章[40],上 海 理 工 大 学 的 郭 进 利 等 和 中 国 科学技术大学的周涛等人合作编写出版了专著《人类 行为动力学 模 型》[41],中 国 科 学 技 术 大 学 的 周 涛、韩 筱 璞、汪秉宏也在世界 科 学 出 版 社 出 版 的 专 著《Science Matters:HumanitiesasComplexSystems》中撰写了关 于人类动力学研究的一个专门章节[42].
昄 通讯联系人.Email:bhwang@ustc.edu.cn
Abstract 暋 暋Anunderstandingofthestatisticalcharacteristicsofhumanbehaviorinvolvesthestudyofmanyfun灢 damentalproblemsineconomics,psychology,transportation,andsociology.Inrecenttimes,statisticalstudies haverevealedmanynewunexpectedpatternsofhumanbehaviorwhichhaveattractedmuchattention.Thesedis灢 coveriesareimportantforourunderstandingofmankinditself,andforbasicstudiesofalargenumberofproblems inthesocialsciences.Therearealsobroadprospectsfortheirpracticalapplications.Thisarticlewillreviewthe mainresultsinthisnewlydevelopingresearcharea,withemphasisontheprogressobtainedbytheComplexSys灢 tem ResearchGroupattheUniversityofScienceandTechnologyofChina. Keywords暋 暋humanbehaviors,humandynamics,inter灢eventtimedistribution,mobilitypattern,non灢Poisson distributioncharacteristics
最后,国际上有少数工作研究了人类行为的非泊 松特性对网 络 传 播、通 讯 等 动 力 学 过 程 的 影 响.例 如, 发现与一般的泊松特性相比,这种非泊松特性可以给 系统带来一些特殊性质,比如更快的传播速度等[23].
除了发现人类行为的时间间隔分布中广泛存在 着非泊松特性,最近 也 发 现 在 人 类 行 为 的 空 间 分 布 中也存在非 泊 松 特 性 等 复 杂 现 象.2006 年,通 过 统 计帐单传递[24],人们间接地发 现 了 人 类 的 旅 行 行 程 分布存 在 接 近 于 幂 律 的 胖 尾;2008 年,Gonzalez等 通过统计 移 动 电 话 用 户 在 不 同 基 站 区 域 的 漫 游 过 程[25],更进一步 研 究 了 人 的 旅 行 行 程 分 布,同 样 发 现 该 分 布 具 有 无 标 度 特 性 ,与 早 期 的 结 果 基 本 一 致 . 更为 直 接 的 是,基 于 GPS 数 据 的 统 计 结 论 也 [26] 支
经济物理学专题
人类行为的动力学与统计力学研究*
汪秉宏1,2,昄暋暋韩筱璞1
(1暋中国科学技术大学近代物理系暋理论物理研究所暋非线性科学中心暋合肥暋230026) (2暋上海理工大学复杂系统科学研究中心暋上海系统科学研究院暋上海暋200093 )
摘 暋 要 暋 暋 对 人 类 行 为 的 统 计 特 性 的 研 究 ,涉 及 研 究 经 济 、心 理 、交 通 、社 会 学 等 学 科 的 根 本 问 题 .在 最 近 一 个 时 期 以 来 , 针 对 人 类 行 为 的 统 计 揭 示 出 了 大 量 的 出 乎 人 们 意 料 的 规 律 ,吸 引 了 众 多 研 究 者 的 注 意 .这 些 规 律 不 仅 对 认 识 人 类 自 身 和 对 大 量 的 社 会 学 科 的 基 础 研 究 有 着 重 要 价 值 ,而 且 在 实 际 应 用 中 有 着 广 阔 的 前 景 .文 章 作 者 回 顾 了 这 一 新 近 发 展 起 来 的 领 域 的 主 要 研 究 成 果 ,并 重 点 对 中 国 科 学 技 术 大 学 的 相 关 研 究 进 行 了 介 绍 . 关 键 词 暋 暋 人 类 行 为 ,人 类 动 力 学 ,时 间 间 隔 分 布 ,空 间 移 动 斑 图 ,非 泊 松 分 布
上述统计特性说明,人类的众多行为是不能使用 泊松过程来描 述 的,那 么 一 个 重 要 的 问 题 是:这 种 胖 尾分布的行为特征的来源是什么? 目前的一种重要 的解释是基于 任 务 队 列 理 论 的 ,该 [1,15,17,18] 理 论 把 人 的各种日常行为视作处理一系列的任务,并根据日常 生活经验假设对这些待处理任务进行优先级划分,首 先处理高优先级者,指出这种具有优先权的行为模式 是造成胖尾分布的重要原因.这种基于任务队列的理 论模型可以合理地解释很多人类行为中的非泊松特 性,例如电子邮 件 和 水 陆 邮 件 的 发 送 等,而 且 可 以 相 当容 易 地 推 广 到 存 在 多 个 个 体 之 间 的 交 互 的 情 况[19],在解释人 类 行 为 时 间 统 计 胖 尾 分 布 特 征 方 面 取得了很大的成功.
此外,由于影响人类行为的因素是多种多样的,所 以,有部分研究工作从不同于任务队列的方面出发,提 出了多种非排队论模型.例如,有的工作考虑了人类行 为中的记忆效 应[20],有 的 研 究 了 行 为 的 周 期 性 和 季 节 性对非泊松机 制 的 影 响[21],近 期 的 一 种 理 论 则 从 多 重 泊松分布的角度解释了人类的行为特性[22].
1暋引言
人类的行为具有高度的复杂性.探索人类行为的 统计特性,对 于 研 究 经 济、心 理、交 通、社 会 学 等 学 科 以及认识人类自身有着重要的意义.在以往的一些对 社会、经济系统 的 研 究 中,常 常 把 单 个 人 的 行 为 简 化 为可以使用泊松过程描述的稳态随机过程.这种假设 必然导致的推论是人的行为的时间统计特征应该是 较为均匀的,两个相继行为之间存在极大的时间间隔 的概率很小.但是,自2005年 Barab湤si通过对电子邮 件发送与回复以及邮件通信等人类行为的时间间隔 的实际统计,人们发现这些行为存在与上述假设极为 不同的特性[1,2]:长时间的静默与短期内 的 高 频 率 的 爆发,同时呈现 在 这 些 人 类 行 为 中,其 时 间 间 隔 分 布 存在满足反比 幂 函 数 的 胖 尾,也 就 是 说,这 些 行 为 的
这一领域已经成为国际复杂性研究的一个新兴 热点,近 年 来 仅 在 Nature,Science,PhysicsReview Letters这 些 国 际 顶 级 学 术 期 刊 上 就 出 现 10 余 篇 相 关的研究论文.该领 域 的 兴 起 也 引 起 了 国 内 研 究 者 的 注 意 .目 前 ,中 国 科 学 技 术 大 学 、上 海 理 工 大 学 、上 海交通大 学 等 都 有 相 关 工 作 在 国 内 外 学 术 期 刊 发 表 .这 些 工 作 可 以 简 述 如 下 :
Thedynamicsandstatisticalmechanicsofhumanbehaviors
WANG Bing灢Hong1,2,昄 暋暋HAN Xiao灢Pu1
(1暋Departmentof ModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei暋230026,China) (2暋ResearchCenterforComplexSystem Science,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology ,Shanghai暋200093,China)
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Baidu Nhomakorabea
行为外,时间间隔统计所显示的非泊松特性可能是在 人 类 行 为 中 普 遍 存 在 的 .V湤zquez等 将 人 类 行 为 分 为 幂 指 数 为 -1 和 -1.5 的 两 大 普 适 类[15],而 近 期 的 更 为深入的实证研究发现了更为广泛的行为特性,已经 突破了这两大 普 适 类 的 范 围[9].除 了 时 间 间 隔 分 布, 部分人类行为事件前后时间间隔的相关性也得到了 研究者的注意.研 究 发 现,这 些 人 类 行 为 相 邻 时 间 间 隔的相关性并不明显,而其他同样存在爆发性和长期 静默性 的 自 然 现 象 (如 地 震 等)常 常 存 在 正 的 相 关 性[16].这一项研 究 初 步 地 把 人 类 行 为 和 其 他 复 杂 系 统中的行为特性进行了比较,暗示可能存在统一的深 层机制.
发生过程是不能用泊松过程描述的.这一出人意料的 研究结论提示人们,人类的个体行为可能存在复杂的 动力学机制,而 随 之 而 来 的 一 个 重 要 的 问 题 是 ,这 种 非泊松特性在人类行为中是不是普遍存在的? 人们 对这一问题进行了极为广泛的研究.
通过各种不同的数据收集方法,人们的研究涉及 市场交易[3—6]、网 站 浏 览[7,8],电 影 点 播[9]、欣 赏 网 络 音乐[10]、手 机 通 讯[11]、在 游 戏 及 虚 拟 社 区 中 的 行 为[12,13]、计 算 机 指 令 的 使 用 行 为[14]等 ,包 含 了 商 业 行 为、娱乐行为、日常使用习惯等众多的人类行为,在这 些行为中,普遍 发 现 有 类 似 的 偏 离 泊 松 过 程 的 特 性. 这些现象显示出,除了受到生理周期强烈影响的部分
持 人 类 行 程 分 布 中 存 在 无 标 度 特 性 .此 外 ,在 生 物 学 观测中也发现大量的动物物种的运动具有类似的幂 律形式的行程分布 .由 [27—29] 于这种幂律 形 式 的 行 程 分布存在较高频率 的 远 程 运 动,它 无 法 通 过 经 典 的 随 机 行 走 进 行 描 述 .这 种 行 程 分 布 的 广 泛 性 ,使 得 人 们需要去思考它背 后 的 动 力 学 机 制 是 什 么.虽 然 对 于动物行为中的幂律行程分布已经提出了觅食效率 优 化 、嗅 [30,31] 觉 梯 度 机 制[32]、确 定 性 行 走 等 [33] ,但 目前对人类的这种行程分布模式产生机制的解释方 面的研究仍然非常缺乏.
在实证方面,中国科学技术大学复杂系统课题组 的周涛等人与韩国成均馆大学及瑞典皇家学院合作, 研究了电影点播中的人类行为模式及其与个体活动性 之间的关系[9,34],洪 伟 等 人 研 究 了 人 类 短 消 息 通 讯 中 的时间间隔分布[35],发现了多种无标度特性;上海理工 大学课题组 的 张 宁、李 楠 楠 和 周 涛 合 作,分 析 了 鲁 迅、 钱学森等名 人 的 邮 件 通 讯 数 据[36,37];上 海 交 通 大 学 的 胡海波等人研究了网络在线音乐的收听行为[10].在理 论模型方面,中国科学技术大学的韩筱璞等提出用可 自适应调 节 的 兴 趣 机 制 来 解 释 人 类 行 为 的 非 泊 松 特 性[38,39].此外,上海理工大学方面还发表了针对人类动 力学的综述文 章[40],上 海 理 工 大 学 的 郭 进 利 等 和 中 国 科学技术大学的周涛等人合作编写出版了专著《人类 行为动力学 模 型》[41],中 国 科 学 技 术 大 学 的 周 涛、韩 筱 璞、汪秉宏也在世界 科 学 出 版 社 出 版 的 专 著《Science Matters:HumanitiesasComplexSystems》中撰写了关 于人类动力学研究的一个专门章节[42].