Science

Znanost

The Ewing effect

 

Ewingov efekt

 

The Nash equilibrium

 

Nashova ravnoteža

 

The Braess's paradox

 

Braessov paradoks

 

How can we maximise the reliability?

 

Kako možemo postići maksimalnu pouzdanost?

 

Simulating the network

 

Simuliranje mreže

 

Similar patterns in natural networks

 

Slični uzorci u prirodnim mrežama

 

Fixing the network

 

Popravak mreže

 

Understanding biological networks

 

Razumijevanje bioloških mreža

 

The Ewing effect

It is the second game of the 1999 US NBA play-offs - the New York Knicks versus the Indiana Pacers. The eighth-seeded Knicks are holding their own against the number 2 seeds when their best player, Patrick Ewing, tears his Achilles tendon. All seems lost with the Pacers heavily favoured for the rest of the series. Yet against all odds, the Knicks go on to win the series 4-2 and qualify for the finals. The Knicks's success against the Pacers was so unexpected that the story behind it has since become a legend, even gaining its own name. The so-called "Ewing effect" has been evoked by pundits to explain sporting victories in which an underdog inexplicably triumphs.

The question is why. Surely science has little to say about such tales. After all, it's only to be expected that occasionally the underdogs should win, through simple luck...  Search for more... 

It is the second game of the 1999 US NBA play-offs - the New York Knicks versus the Indiana Pacers. The eighth-seeded Knicks are holding their own against the number 2 seeds when their best player, Patrick Ewing, tears his Achilles tendon. All seems lost with the Pacers heavily favoured for the rest of the series. Yet against all odds, the Knicks go on to win the series 4-2 and qualify for the finals. The Knicks's success against the Pacers was so unexpected that the story behind it has since become a legend, even gaining its own name. The so-called "Ewing effect" has been evoked by pundits to explain sporting victories in which an underdog inexplicably triumphs.

The question is why. Surely science has little to say about such tales. After all, it's only to be expected that occasionally the underdogs should win, through simple luck. Or perhaps there are psychological factors that strengthen the resolve of teammates who have lost a colleague or that weaken the determination of the opposition, who expect to triumph easily? According to the emerging science of networks, there are good reasons why some systems perform better in seemingly disadvantageous conditions. It's just a natural property of certain kinds of networks, albeit a paradoxical one. Could this explain why teams suddenly missing their best players somehow do better?

It's an intriguing idea and one that could have broad implications. Since our world is increasingly tied together with complex networks, physicists are using the same network-style approach to make all kinds of similarly counter-intuitive predictions about other systems. Their studies show that everything from road, power and wireless networks to food webs and the metabolic systems behind disease demonstrate similar properties. Theorists say that if we're careful, it may be possible to exploit these properties to reduce traffic jams, prevent power outages and even fight disease in new ways.  » Search for more... 

Ewingov efekt

Druga je utakmica u američkom NBA doigravanju 1999. godine - New York Knicksi protiv Indiana Pacersa. Osmoplasirani Knicksi se dobro drže protiv svog drugoplasiranog protivnika a zatim njihovom najboljem igraču, Patricku Ewingu, puca Ahilova tetiva. Čini se da je sve izgubljeno, jer su Pacersi favoriti za ostatak serije. Pa ipak, unatoč svim nedaćama, Knicksi uspijevaju osvojiti seriju rezultatom 4-2 i plasirati se u finale. Uspjeh Knicksa protiv Pacersa bio je toliko neočekivan da je priča o njemu od tada postala legenda, a čak je dobila i ime. Na takozvani "Ewingov efekt" podsjećaju stručnjaci kada objašnjavaju sportske pobjede u kojima slabiji protivnik neobjašnjivo pobjeđuje.

Pitanje je zašto. Znanost zasigurno nema mnogo toga za reći o takvim pričama. Uostalom, za očekivati je da slabiji protivnik povremeno pobijedi, jednostavno zbog sreće...  Potraži više... 

Druga je utakmica u američkom NBA doigravanju 1999. godine - New York Knicksi protiv Indiana Pacersa. Osmoplasirani Knicksi se dobro drže protiv svog drugoplasiranog protivnika a zatim njihovom najboljem igraču, Patricku Ewingu, puca Ahilova tetiva. Čini se da je sve izgubljeno, jer su Pacersi favoriti za ostatak serije. Pa ipak, unatoč svim nedaćama, Knicksi uspijevaju osvojiti seriju rezultatom 4-2 i plasirati se u finale. Uspjeh Knicksa protiv Pacersa bio je toliko neočekivan da je priča o njemu od tada postala legenda, a čak je dobila i ime. Na takozvani "Ewingov efekt" podsjećaju stručnjaci kada objašnjavaju sportske pobjede u kojima slabiji protivnik neobjašnjivo pobjeđuje.

Pitanje je zašto. Znanost zasigurno nema mnogo toga za reći o takvim pričama. Uostalom, za očekivati je da slabiji protivnik povremeno pobijedi, jednostavno zbog sreće. Ili možda postoje i psihološki faktori koji jačaju odlučnost suigrača koji su izgubili kolegu ili koji slabe odlučnost protivnika koji očekuju laku pobjedu? Prema znanosti o mrežama koja je u nastajanju, postoje dobri razlozi zašto neki sustavi bolje funkcioniraju u naizgled nepovoljnijem uvjetima. To je samo prirodno svojstvo određenih vrsta mreža, iako je paradoksalno. Bi li to moglo objasniti zašto ekipe koje iznenada ostanu bez svojih najboljih igrača na neki način poboljšaju igru?

To je intrigantna ideja koja bi mogla imati velik utjecaj. Budući da je naš svijet sve više povezan složenim mrežama, fizičari koriste isti pristup u stilu mreža kako bi dali razne vrste predviđanja o drugim sustavima koji su u suprotnosti s intuicijom. Njihova istraživanja pokazuju da sve, od cestovnih, električnih i bežičnih mreža do prehrambenih lanaca i metaboličkih sustava nakon bolesti pokazuju slična svojstva. Teoretičari kažu da bismo, ako budemo oprezni, mogli biti u mogućnosti iskoristiti ta svojstva za smanjenje prometnih gužvi, prevenciju nestašica struje, pa čak i nove načine borbe protiv bolesti.  » Potraži više... 

The Nash equilibrium

The key to understanding this weirdness comes from the work of Dietrich Braess, a mathematician at Ruhr University in Bochum, Germany. In the late 1960s, he developed a fascination for traffic modelling, and it was while working on ways to find the optimal solution for traffic flow through a network of roads that he made a surprising discovery: adding an extra street to a simple network can actually increase overall travel times. It left him puzzled. "I wanted to understand what was going on", he says.


Imagine two roads connecting A and B. The longer route is a highway and always takes 10 minutes, regardless of how many cars it carries. The shorter route is narrow and becomes congested as traffic increases. This route takes 1 minute for one car, 2 minutes for two cars, 3 minutes for three cars, and so on. What is the best route if there are 10 cars? If all drivers choose the shorter, narrow route, travel time is 10 minutes for everyone...  Search for more... 

Nashova ravnoteža

Ključ za razumijevanje ove neobične pojave dolazi iz rada Dietricha Braessa, matematičara sa Sveučilišta Ruhr u Bochumu, Njemačka. Tijekom kasnih 1960-ih godina on je bio fasciniran modeliranjem prometa, te je do iznenađujućeg otkrića došao upravo tijekom rada na načinima za pronalazak optimalnog rješenja za tok prometa cestovnom mrežom: dodavanje dodatne ulice u jednostavnu mrežu u stvari može i povećati ukupno vrijeme putovanja. To ga je ostavilo u nedoumici. "Htio sam shvatiti što se događa", kaže on.

Zamislite dvije ceste koje povezuju točku A i točku B. Duži put je autocesta kojom putovanje uvijek traje 10 minuta, bez obzira na to koliko automobila njome prolazi. Kraći put je uzak i postaje zagušen kako se povećava promet. Ovim putem putovanje traje 1 minutu za jedan automobil, 2 minute za dva automobila, 3 minute za tri automobila i tako dalje. Koji je najbolji put ako je u pitanju 10 automobila? Ako svi vozači odaberu kraći, uski put, putovanje traje 10 minuta za sve...  Potraži više... 

The Braess's paradox

Imagine that there is only a single route between A and B: the highway. If 20 cars travel this route, their journey time is 10 minutes. Now add the second route which everybody can see is shorter - one car can make the journey in 1 minute, two cars in 2 minutes, and so on. If everybody takes this shortcut, the average journey time doubles to 20 minutes. So adding a shortcut has dramatically increased the travel time for everyone. That's the paradox.


This kind of effect has been seen in the real world. In 1990, New York City's transport commissioner decided to close 42nd Street, one of the city's busiest roads, for a day. Everyone expected chaos, but instead traffic flowed far better than usual. Traffic planners and researchers have found evidence of Braess's paradox applying to road networks in many other cities. One study identified six roads in Boston, twelve in Manhattan and seven in central London that could reduce average journey times if closed.


In 2009, Braess's paradox caught the attention of physicist Brian Skinner at the University of Minnesota in Minneapolis, who has a passion for basketball...  Search for more... 

Braessov paradoks

Zamislite da postoji samo jedan put između točke A i točke B: autocesta. Ako 20 automobila putuje autocestom, njihovo putovanje traje 10 minuta. Sada dodajte drugi put za koji svatko može vidjeti da je kraći - jedan automobil ga može prijeći za 1 minutu, dva automobila za 2 minute i tako dalje. Ako svi krenu tim prečacem, prosječno vrijeme putovanja se udvostručuje na 20 minuta. Dakle, dodavanje prečaca je dramatično povećalo vrijeme putovanja za sve. To je paradoks.

Ovakav učinak je već viđen u stvarnom svijetu. U New Yorku je 1990. godine povjerenik za prijevoz odlučio zatvoriti 42. ulicu, jednu od najprometnijih gradskih prometnica, na jedan dan. Svatko je očekivao kaos, ali je promet umjesto toga tekao daleko bolje nego inače. Prometni planeri i znanstvenici pronašli su dokaze da Braessov paradoks vrijedi za cestovne mreže i u mnogim drugim gradovima. Jedna studija je identificirala šest cesta u Bostonu, dvanaest na Manhattanu i sedam u središtu Londona, čije bi eventualno zatvaranje moglo skratiti prosječno vrijeme putovanja,.

Braessov paradoks je 2009. godine zainteresirao fizičara Briana Skinnera sa Sveučilišta u Minnesoti u Minneapolisu, obožavatelja košarke...  Potraži više... 

How can we maximise the reliability?

Skinner used a network model to show that the Nash equilibrium is not always in the team's best interest. Instead, he found a global optimum that can produce better results even though it requires the team to sometimes pass the ball in a play that is less likely to score. "There is a clear incentive to have a balance between the seemingly best strategies and the not so good strategies", says Skinner. In 2009, he explained his ideas to a conference on sports analytics.


Afterwards several analysts from NBA teams expressed interest in his ideas. "I have had people say it has changed the way they think about game strategy", he says. Indeed, Skinner thinks there has even been a change in the way teams play. "Before, I felt like the majority of possession amounted to giving the ball to one of your best players and attempting to score", he says...  Search for more... 

Kako možemo postići maksimalnu pouzdanost?

Skinner je iskoristio model mreže kako bi pokazao da Nashova ravnoteža nije uvijek u najboljem interesu momčadi. Umjesto toga je otkrio globalni optimum koji može proizvesti bolje rezultate, iako to zahtijeva od momčadi da ponekad loptu proslijedi na način koji će manje vjerojatno rezultirati postizanjem koša. "Postoji jasan poticaj da se postigne ravnoteža između naizgled najboljih strategija i ne tako dobrih strategija", kaže Skinner. On je 2009. godine izložio svoje ideje na konferenciji o sportskoj analitici.

Nakon toga je nekoliko analitičara iz NBA momčadi izrazilo interes za njegove ideje. "Ljudi su mi govorili da je to promijenilo način na koji razmišljaju o strategiji igre", kaže on. Doista, Skinner misli da je čak došlo do promjene u načinu na koji momčadi igraju. "Prije se činilo kao da se veći dio posjeda lopte sastoji od toga da loptu date jednom od najboljih igrača i pokušate postići koš", kaže on...  Potraži više... 

Simulating the network

Working with colleagues at the Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization in Gottingen, Germany, physicist Dirk Witthaut has studied how best to stabilise the grid. In one experiment, Witthaut came up against Braess's paradox. He modelled the backbone connections in the UK power grid and found that adding an extra link in one of two positions destabilised the network, actually reducing its capacity, just as a new road or bridge can increase congestion. "This is a very general phenomenon", says Witthaut. "We have analysed very abstract, simple networks and we always find it".

With many grids operating increasingly close to their capacity, the question of where to add new connections is a key issue. According to Witthaut, a rule of thumb is that when a power line is operating close to capacity, a new line should always be added in parallel...  Search for more... 

Simuliranje mreže

Tijekom rada s kolegama na Max Planck institutu za dinamiku i samoorganizaciju u Göttingenu u Njemačkoj, fizičar Dirk Witthaut je proučavao koji je najbolji način za stabilizaciju mreže. U jednom eksperimentu se Witthaut suočio s Braessovim paradoksom. On je modelirao okosnice veza električne mreže Ujedinjenog Kraljevstva i otkrio da ubacivanje dodatne veze na jednoj ili dvije pozicije destabilizira mrežu, što u praksi smanjuje njen kapacitet, baš kao što nova cesta ili most mogu povećati prometne čepove. "To je vrlo općenita pojava", kaže Witthaut. "Analizirali smo vrlo apstraktne i jednostavne mreže i uvijek ga pronalazimo".

Budući da mnoge mreže rade sve bliže granici svojeg kapaciteta, ključno je pitanje gdje se mogu dodavati nove veze. Kako kaže Witthaut, kada je dalekovod blizu kapaciteta, pravilo je da se novi dalekovod uvijek dodaje paralelno...  Potraži više... 

Similar patterns in natural networks

In the meantime, phenomena reminiscent of Braess's paradox are emerging in many other networks. In 2013, Israeli scientists reported this behaviour in wireless grids. Their models show that adding new technology to transmitters - giving them the ability to adjust the power of transmissions or cancel interference, say - can reduce the average capacity of the network to carry information. Some key questions remain: do other wireless technologies exhibit this behaviour, and if so, how might we spot them in advance?


Scientists have even found similar patterns in natural networks such as food webs...  Search for more... 

Slični uzorci u prirodnim mrežama

U međuvremenu, pojave koje podsjećaju na Braessov paradoks pojavljuju se u mnogim drugim mrežama. Izraelski znanstvenici su 2013. godine izvijestili o takvom ponašanju u bežičnim mrežama. Njihovi modeli pokazuju da dodavanje nove tehnologije u odašiljače - koja im, na primjer, omogućava regulaciju snage prijenosa ili poništavanje smetnji - može toj mreži smanjiti prosječnu sposobnost prijenosa informacija. Neka ključna pitanja ostaju: iskazuju li i druge bežične tehnologije takvo ponašanje, a ako je to slučaj, kako bismo ih mogli unaprijed prepoznati?

Znanstvenici su čak pronašli slične obrasce u prirodnim mrežama, poput prehrambenog lanca...  Potraži više... 

Fixing the network

An interesting question is how to stop the spread of extinctions. Motter has a provocative answer. By simulating a food network involving 33 species in Chesapeake Bay on the US east coast, he has shown that it is possible to halt the spread of extinctions by cutting out other parts of the network, just as a firebreak can halt a forest fire. In certain circumstances, he argues, the early removal of a species that would otherwise eventually go extinct anyway can prevent all secondary extinctions and improve the entire system's viability. That's an analogue of Braess's paradox, says Motter. This kind of thinking could have a profound influence in other areas.

Many aspects of biological functions are being increasingly recognised as network phenomena. The human body is made of vascular networks, neural networks, gene regulatory networks and so on...  Search for more... 

Popravak mreže

Zanimljivo je pitanje kako bismo mogli zaustaviti širenje izumiranja. Motter ima provokativan odgovor. Simulirajući hranidbeni lanac koji uključuje 33 vrsta u zaljevu Chesapeake na američkoj istočnoj obali, on je pokazao da je moguće zaustaviti širenje izumiranja odvajanjem drugih dijelova mreže, baš kao što izbijanje dodatnog požara može zaustaviti šumski požar. U određenim okolnostima, tvrdi on, rano uklanjanje vrsta koje bi inače na kraju svejedno izumrle može spriječiti sva sekundarna izumiranja i poboljšati održivost cijelog sustava. To je analogno Braessovom paradoksu, kaže Motter. Ovakav način razmišljanja može imati dubok utjecaj na druga područja.

Mnogi aspekti bioloških funkcija sve se više prepoznaju kao pojave u mrežama. Ljudsko tijelo se sastoji od vaskularnih mreža, neuronskih mreža, genetskih regulatornih mreža i tako dalje...  Potraži više... 

Understanding biological networks

Metabolic diseases are only the beginning. Motter says that other conditions that involve networks could also be targeted in this way, such as certain types of cancer. Witthaut agrees that this kind of paradoxical thinking could have important applications. "Motter's work is impressive", he says. This approach is controversial but is gaining importance, partly because of the increasing number of examples in the body that we are finding.

Motter points to neural networks where Braess-paradox-like phenomena are also at work...  Search for more... 

Razumijevanje bioloških mreža

Metaboličke bolesti su samo početak. Motter kaže da je na ovaj način također moguće ciljati i druga stanja koja uključuju mreže, poput određenih vrsta raka. Witthaut se slaže da je bi ovaj tip paradoksalnog razmišljanja mogao imati važne primjene. "Motterov rad je impresivan", kaže on. Ovaj pristup je kontroverzan ali postaje sve važniji, dijelom i zbog sve većeg broja primjera unutar tijela koje pronalazimo.

Motter ukazuje na neuronske mreže gdje također djeluju pojave nalik na Braessov paradoks...  Potraži više...