Dynamics and collective phenomena of social systems

This thesis focuses on the study of social systems through methods of theoretical physics, in particular proceedings of statistical physics and complex systems, as well as mathematical tools like game theory and complex networks. There already ex- ists predictive and analysis methods to address these problems in sociology, but the contribution of physics provides new perspectives and complementary and powerful tools. This approach is particularly useful in problems involving stochastic aspects and nonlinear dynamics. The contribution of physics to social systems provides not only prediction procedures, but new insights, especially in the study of emergent properties that arise from holistic approaches. We study social systems by introducing different agent-based models (ABM). When possible, the models are analyzed using mathematical methods of physics, in order to achieve analytical solutions. In addition to a theoretical approach, experi- mental treatment is performed via computer simulations both through Monte Carlo methods and deterministic or mixed procedures. This working method has proved very fruitful for the study of several open problems. The book is structured as follows. This introduction presents the mathematical formalisms used in the investigations, which are structured in two parts: in part I we deal with the emergence of cooperation, while in part II we analyze cultural dynamics under the perspective of tolerance

The joint influence of competition and mutualism on the biodiversity of mutualistic ecosystems

Relations among species in ecosystems can be represented by complex networks where both negative (competition) and positive (mutualism) interactions are concurrently present. Recently, it has been shown that many ecosystems can be cast into mutualistic networks, and that nestedness reduces effective inter-species competition, thus facilitating mutually beneficial interactions and increasing the number of coexisting species or the biodiversity. However, current approaches neglect the structure of inter-species competition by adopting a mean-field perspective that does not deal with competitive interactions properly. Here, we introduce a framework based on the concept of multilayer networks, which naturally accounts for both mutualism and competition. Hence, we abandon the mean field hypothesis and show, through a dynamical population model and numerical simulations, that there is an intricate relation between competition and mutualism. Specifically, we show that when all interactions are taken into account, mutualism does not have the same consequences on the evolution of specialist and generalist species. This leads to a non-trivial profile of biodiversity in the parameter space of competition and mutualism. Our findings emphasize how the simultaneous consideration of positive and negative interactions can contribute to our understanding of the delicate trade-offs between topology and biodiversity in ecosystems and call for a reconsideration of previous findings in theoretical ecology, as they may affect the structural and dynamical stability of mutualistic systems.Comment: 11 pages. Submitted for publicatio

Effect of memory, intolerance, and second-order reputation on cooperation

The understanding of cooperative behavior in social systems has been the subject of intense research over the past few decades. In this regard, the theoretical models used to explain cooperation in human societies have been complemented with a growing interest in experimental studies to validate the proposed mechanisms. In this work, we rely on previous experimental findings to build a theoretical model based on two cooperation driving mechanisms: second-order reputation and memory. Specifically, taking the donation game as a starting point, the agents are distributed among three strategies, namely, unconditional cooperators, unconditional defectors, and discriminators, where the latter follow a second-order assessment rule: shunning, stern judging, image scoring, or simple standing. A discriminator will cooperate if the evaluation of the recipient''s last actions contained in his memory is above a threshold of (in)tolerance. In addition to the dynamics inherent to the game, another imitation dynamics, involving much longer times (generations), is introduced. The model is approached through a mean-field approximation that predicts the macroscopic behavior observed in Monte Carlo simulations. We found that, while in most second-order assessment rules, intolerance hinders cooperation, it has the opposite (positive) effect under the simple standing rule. Furthermore, we show that, when considering memory, the stern judging rule shows the lowest values of cooperation, while stricter rules show higher cooperation levels

Cognitive hierarchy theory and two-person games

The outcome of many social and economic interactions, such as stock-market transactions, is strongly determined by the predictions that agents make about the behavior of other individuals. Cognitive hierarchy theory provides a framework to model the consequences of forecasting accuracy that has proven to fit data from certain types of game theory experiments, such as Keynesian beauty contests and entry games. Here, we focus on symmetric two-player-two-action games and establish an algorithm to find the players’ strategies according to the cognitive hierarchy approach. We show that the snowdrift game exhibits a pattern of behavior whose complexity grows as the cognitive levels of players increases. In addition to finding the solutions up to the third cognitive level, we demonstrate, in this theoretical frame, two new properties of snowdrift games: (i) any snowdrift game can be characterized by only a parameter, its class; (ii) they are anti-symmetric with respect to the diagonal of the pay-off’s space. Finally, we propose a model based on an evolutionary dynamics that captures the main features of the cognitive hierarchy theory

The role of the organization structure in the diffusion of innovations

Diffusion and adoption of innovations is a topic of increasing interest in economics, market research, and sociology. In this paper we investigate, through an agent based model, the dynamics of adoption of innovative proposals in different kinds of structures. We show that community structure plays an important role on the innovation diffusion, so that proposals are more likely to be accepted in homogeneous organizations. In addition, we show that the learning process of innovative technologies enhances their diffusion, thus resulting in an important ingredient when heterogeneous networks are considered. We also show that social pressure blocks the adoption process whatever the structure of the organization. These results may help to understand how different factors influence the diffusion and acceptance of innovative proposals in different communities and organizations

Strategic and Selfless Interactions: a study of human behaviour

Los seres humanos son animales únicos, cooperando en una escala sin par en cualquier otra especie. Construimos sociedades compuestas de individuos no emparentados, y resultados empíricos nos han demostrado que las personas tienen preferencias sociales y pueden estar dispuestas a tomar acciones costosas que beneficien a otros. Por otro lado, los seres humanos también compiten entre ellos mismos, lo que en ocasiones conlleva consecuencias negativas como la sobreutilización de recursos naturales. Sin embargo, la competición entre agentes económicos subyace el funcionamiento adecuado de los mercados, y su destabilización -- tal como en una distribución desbalanceada de poder de mercado -- puede ser dañina a la eficiencia comercial. Por consiguiente, analizar cómo las personas cooperan y compiten es de importancia primordial para el entendimiento del comportamiento humano, especialmente al considerar los desafíos inminentes que amenazan el bienestar futuro de nuestras sociedades.En esta tesis, se presentan trabajos analizando el comportamiento de las personas en dilemas sociales -- situaciones en las cuales decisiones egoístas discrepan del optimo social -- y en otros escenarios estratégicos. Utilizando el framework de la teoría de juegos, sus interacciones tienen lugar en juegos abstrayendo estas situaciones. Específicamente, realizamos experimentos conductuales en los cuales las personas participaron en juegos adaptados de recursos comunes, de bienes públicos y otros juegos hechos a medida. Además, con la intención de comprender la existencia de la cooperación en humanos, proponemos un enfoque teórico para modelar su evolución a través de una dinámica de selección de heurísticas.Empezamos presentando los fundamentos teóricos y empíricos en los que se basa esta tesis, a saber, la teoría de juegos, la economía experimental, la ciencia de redes y la evolución de la cooperación. Posteriormente, ilustramos los aspectos prácticos de la realización de experimentos mediante implementaciones de software.Para comprender el comportamiento de las personas en problemas de acción colectiva -- como la mitigación del cambio climático, que requiere un nivel global de coordinación y cooperación -- realizamos juegos de bienes públicos y recursos comunes entre participantes chinos y españoles. Los resultados obtenidos proporcionan algunas ideas sobre las variaciones y universalidades de las respuestas de las personas en estos escenarios.En esta línea, durante los últimos años, las personas e instituciones están cada vez más preocupadas por los temas sociales y ambientales. Sin embargo, las contribuciones en estos escenarios requieren un nivel sustancial de altruismo por parte de los agentes que tienen que tomar decisiones costosas. Realizamos dos experimentos para comprender los factores que impulsan dichas decisiones en dos situaciones de relevancia contemporánea: las donaciones benéficas y las inversiones socialmente responsables. Sus resultados indican que el encuadre y otras características sociodemográficas están asociadas significativamente con decisiones prosociales y altruistas.Además, también hemos analizado el comportamiento de las personas en un escenario competitivo y complejo en el cual los sujetos participaron como intermediarios en experimentos de formación de precios. Lo hacemos a través de un experimento que implementa en redes complejas una generalización del juego de negociación. Nuestros hallazgos indican efectos significativos de la topología de la red tanto en resultados experimentales como también en modelos teóricos basados en el comportamiento observado.Por último, exponemos un trabajo teórico que intenta comprender el surgimiento de la cooperación a través de un enfoque novedoso para estudiar la evolución de estrategias en poblaciones estructuradas. Esto se logra modelando las decisiones de los agentes como resultados de heurísticas, siendo estas heurísticas seleccionadas mediante un proceso inspirado en los algoritmos evolutivos. Nuestros análisis muestran que, cuando estos agentes tienen memoria de sus interacciones anteriores, las estrategias cooperativas prosperarán. Sin embargo, esas estrategias funcionarán de acuerdo con diferentes heurísticas según la información que tomen en consideración.<br /

Analysis of microencapsulated phase change material slurries and phase change material emulsions as heat transfer fluid and thermal storage material

La presente tesis doctoral trata el análisis de suspensiones y emulsiones de materiales de cambio de fase para su uso como fluido caloportador y material de almacenamiento térmico. El interés de la tesis nace de la actual conyuntura energética. Dentro de la línea de búsqueda de un modelo energético sostenible, el almacenamiento térmico de energía contribuye a la utilización eficiente de la energía. Las aplicaciones del almacenamiento térmico de energía mediante cambio de fase sólido-líquido se encuentran en fase de expansión y es durante los últimos años cuando está tomando más relevancia el uso de estos materiales de cambio de fase suspendidos en agua. Por el momento existen todavía puntos críticos a tratar que permitan su integración de forma más extensa. Con este trabajo se ha pretendido avanzar en la resolución de estas dificultades, y analizar su comportamiento térmico y viabilidad técnica frente a sistemas de almacenamiento en sensible con agua, o frente a los sistemas de almacenamiento donde el material de cambio de fase hasta el momento era macroencapsulado. Esta tesis doctoral parte de un exhaustivo estado del arte acerca de estos nuevos fluidos, prestando especial atención a sus propiedades termofísicas y reológicas y al fenómeno de transferencia de calor. Dentro de esta revisión bibliográfica se han determinado cuáles son las magnitudes objetivo a la hora de seleccionar una suspensión o emulsión de materiales de cambio de fase para su uso como fluido caloportador y material de almacenamiento térmico. Además de estas magnitudes objetivo se han determinado cuáles son sus factores de influencia y cómo se da esta influencia. Se ha realizado una profunda búsqueda de suspensiones y emulsiones de materiales de cambio de fase, en el mercado comercial, universidades y centros de investigación, llegando a recopilar un total de doce muestras en el laboratorio. Aquellas que no han evidenciado ningún tipo de incompatibilidad con su recipiente contenedor ni ningún proceso de desestabilización física durante los primeros días de almacenamiento en el laboratorio han sido analizadas. En primer lugar se han obtenido sus curvas Entalpía-Temperatura, analizando qué muestras son las que presentan una mayor capacidad de almacenamiento térmico, y analizando posibles fenómenos de histéresis y subenfriamiento. En base a estos primeros análisis han resultado candidatas dos muestras, con diversas fracciones másicas del material de cambio de fase en suspensión para su uso como fluido caloportador y material de almacenamiento térmico. De estas muestras candidatas se han obtenido las curvas de Conductividad térmica-Temperatura, a partir de las medidas de densidad, calor específico y difusividad térmica. En el caso de las medidas de difusividad térmica se ha planteado una metodología de medida para la obtención de valores fiables y reproducibles en la caracterización de suspensiones y emulsiones de materiales de cambio de fase con un equipo Láser Flash. Para completar esta caracterización, se han determinado sus propiedades reológicas, obteniendo las curvas de Viscosidad-Velocidad de Cizalla y determinando su modelo de comportamiento. Dentro de este trabajo de carácter reológico, realizado con un reómetro de esfuerzo controlado, se ha planteado una primera metodología para la determinación de la viscosidad del octadecano como material de cambio de fase, en estado líquido y durante su transición de estado. Esta propuesta de metodología permite la determinación de la viscosidad de otros materiales de cambio de fase. Estos valores se pueden utilizar en los modelos numéricos para simular la convección natural en los sistemas con el material de cambio de fase macroencapsulado. De forma complementaria a esta caracterización experimental, se ha analizado la estabilidad y compatibilidad tanto de sistemas tradicionales de almacenamiento de energía térmica donde el material de cambio de fase está macroencapsulado, como de sistemas donde el material de cambio de fase se encuentra en forma de suspensión o emulsión. Se ha analizado la estabilidad física de suspensiones de materiales de cambio de fase microencapsulado, en cuanto a posibles problemas de estratificación o cremado y en cuanto a la posible ruptura de sus microcápsulas cuando éstas son sometidas a ciclos termo-mecánicos. Se ha completado este análisis de estabilidad con el análisis de posibles fenómenos de contaminación microbiana. En términos de compatibilidad, se ha evaluado la compatibilidad de diversos materiales de cambio de fase de baja temperatura con cápsulas esféricas de plástico. Además se han analizado los posibles fenómenos de corrosión de aleaciones metálicas típicas de instalaciones térmicas, cuando entran en contacto con estas suspensiones de materiales de cambio de fase. En vista del análisis bibliográfico, quedó patente la controversia en los resultados experimentales y numéricos de los diversos autores acerca del fenómeno de transferencia de calor en estos nuevos fluidos. Es por este motivo que se ha diseñado, puesto en marcha y validado una instalación experimental, la cual permite el estudio del fenómeno de transferencia de calor y de la mecánica de fluidos en suspensiones y emulsiones de materiales de cambio de fase. Es en esta instalación experimental donde se ha analizado la idoneidad de las suspensiones de materiales de cambio de fase candidatas para su uso como fluido caloportador. La tesis doctoral finaliza con un análisis de aplicaciones. Se ha comparado el funcionamiento de un depósito de almacenamiento de energía térmica con suspensiones de materiales de cambio de fase, frente a un depósito con cápsulas esféricas de materiales de cambio de fase, y frente a un depósito de almacenamiento térmico en sensible con agua. Esta comparación se ha realizado en base a términos de potencia, densidad energética y pérdida de carga

Polarization inhibits the phase transition of Axelrod''s model

We study the effect of polarization in Axelrod''s model of cultural dissemination. This is done through the introduction of a cultural feature that takes only two values, while the other features can present a larger number of possible traits. Our numerical results and mean-field approximations show that polarization reduces the characteristic phase transition of the original model to a finite-size effect, since at the thermodynamic limit only the ordered phase is present. Furthermore, for finite system sizes, the stationary state depends on the percolation threshold of the network where the model is implemented: a polarized phase is obtained for percolation thresholds below 1/2, and a fragmented multicultural one otherwise. © 2021 American Physical Society