Население Земли как растущая иерархическая сеть

Если считать, что каждое следующее звено начинается с нового цикла, что представляется наиболее логичным, то время роста сети в приложении этой математики к процессу эволюции может быть выражено только целым числом циклов. В таком случае определение цикла как операции самокопирования сети, при которой единожды копируются все клаттеры, имеющиеся в наличии в момент входа в цикл, должно быть расширено. А именно: некоторые такие операции, завершающие звено (или находящиеся внутри него[11]), могут быть неполными или избыточными и тем не менее такие операции должны считаться циклами.

Возвратимся теперь к нашему примеру, сколько все-таки следует взять циклов: 28 или 29?

Здесь возможны четыре варианта. 1) По минимуму: отдаем остаток 4 носителя 28-му циклу (т. е. копируем с последнего клаттера 28-го цикла дополнительно еще какие-то четыре носителя), или распределяем его по каким-то предыдущим, при этом получаем 28 циклов, на некоторых из которых будет скопировано более девяти носителей; т. е. носители некоторых клаттеров (возможно[12]) будут скопированы дважды. 2) По максимуму: добавляем еще один 29-й цикл и переносим в него весь остаток, при этом некоторые носители оказываются в последнем цикле звена нескопированными. 3) Этот вариант среднее между первым и вторым: если остаток меньше или равен половине квадрата размера сети (32/2 = 4,5) выбирается первый вариант, в противном случае – второй[13].

Возможен также вариант с перехлестом», при котором звено копирования замыкается не в момент завершения цикла, а где-то у него внутри. После прокладки дополнительной связи следующее звено начинается с завершения предыдущего цикла т. е.  с копирования нескопированных носителей заключительного цикла предыдущего звена (плюс один носитель с дополнительной связи)[14][15][16].

При подсчете числа циклов роста сети до совершенной (и числа циклов роста ее до каждого гармонического размера) все рассмотренные сценарии финализации звена дают практически одинаковый результат. Для определенности выбираем второй вариант, получаем 29 циклов. Собираем второй клаттер, устанавливаем в сеть, прокладываем связи.

Рис. 3. Собран второй клаттер.

Далее, на каждом клаттере копируем по 4 носителя; за цикл их набирается 16. Третий клаттер собираем за 16 циклов, т. к. 16·16 = 256. Длина звена 16·4 = 64 клаттера.

Рис. 4. Собран третий клаттер.

Пять носителей на клаттер, 25 – с цикла; всего потребуется 11 циклов по второму сценарию и т. д.

На 13-ом по счету звене копирования сети и при L = 15 для сборки нового клаттера потребуется два цикла, поскольку первый цикл будет пустым: 15·15 = 225 < 256. С 14-го звена начинается второй этап роста сети. Теперь клаттер можно собрать не выходя за пределы одного цикла: 16·16 = 256.

Второй этап роста сети (1 < Z ≤ 16)

Рис. 5. Собрано 16 клаттеров.

Рис. 6. Звено копирования фрагмента сети 256 по первому варианту.

Прирост клаттеров за цикл с этого момента при постоянстве времени цикла идет уже по другой, как мы покажем далее, гораздо более быстрой гиперболе. Т. е. процесс роста сети претерпевает качественный скачок. Допустим, что сеть выросла до размера 71, т. е. содержит 71 клаттер. Для фрагмента сети, изображенного на рисунке, имеем следующее: после копирования четырех клаттеров (Z = 4) получаем (70 + 1)·4 = 284 носителя. Здесь, так же как на первом этапе роста, возможны первые три варианта финализации звена: по минимуму, по максимуму и средний между первым и вторым. Длина звена равна четырем (по первому варианту).

После установки собранного клаттера в сеть число связей возрастает на единицу, и в процессе эволюции сети происходит качественный скачок. Поскольку длительность звена, в отличие от длительности цикла, в приложении этой модели к явлению роста населения Земли, не является постоянной, процесс ее уменьшения может идти с небольшими отклонениями. В таком случае для второго этапа должен быть рассмотрен еще один, четвертый вариант сценария финализации звена, а именно: с перехлестом, когда следующее звено начинается с копирования нескопированных носителей последнего клаттера предыдущего звена.

Рис. 7. Звено копирования фрагмента сети 256 с перехлестом.

Выбираем один из рассмотренных четырех вариантов финализации звена, собираем новый клаттер, устанавливаем в сеть, увеличиваем число связей на единицу (71). Алгоритм роста на втором этапе необходимо дополнить правилом финализации цикла, сходным с правилом финализации звена[17]:

1. Копируются клаттеры, которые имеются в сети, по одному из рассмотренных вариантов финализации звена. Как только новый клаттер из оставшихся на копирование в завершающем звене цикла по сумме позиций собрать не удается – цикл завершается. При этом остаются нескопированные клаттеры из тех, что стояли в очередь на копирование при входе в цикл.

2. Все то же самое, но как только новый клаттер из остатка собрать не получается, сеть копирует оставшиеся нескопированными клаттеры, заходит на следующий виток[18] и финализирует цикл. При этом некоторые клаттеры в данном цикле оказываются скопированными дважды.

3. Этот вариант среднее между первым и вторым. Копируются клаттеры, устанавливаются в сеть, число связей растет. Если новый клаттер, из оставшихся на копирование в последнем звене цикла собрать невозможно, но общее число неоткопированных позиций превосходит половину веса клаттера, то сеть заходит на новый виток. В противном случае – нет. Цикл на втором этапе может состоять из одного или двух витков.

4. Возможен также сценарий, при котором цикл самокопирования сети завершается в тот момент, когда из оставшихся на копирования клаттеров новый собрать невозможно, а следующий цикл начинается с нескопированных носителей этих клаттеров. Здесь, так же как в первом варианте финализации цикла, остаются нескопированные клаттеры из тех, что стояли в очередь на копирование при входе в цикл[21].

Все рассмотренные сценарии финализации звена на первом и втором этапе роста и цикла на втором дают для полного числа циклов (и числа циклов роста сети до ее гармонического размера) практически одинаковые результаты.

Рассмотрим в качестве примера рост сети 256 на втором этапе по четвертому сценарию финализации звена (с перехлестом) и по третьему сценарию финализации цикла. Пусть сеть 256, размер которой составляет 20 клаттеров, входит в цикл. Копирование идет с 13 клаттеров, составляющих одно звено: 13·20 = 260 > 256 (20-й клаттер скопирован не полностью, с него начнется следующее звено); собираем дочерний клаттер, устанавливаем в сеть, прокладываем связи; остается 7 нескопированных клаттеров (плюс нескопированные носители 20-го клаттера).

Т. к. 4+1+7·21 = 152 > 128 – копируем эти 7 клаттеров, заходим на второй виток, собираем и устанавливаем в сеть еще один клаттер. На этом цикл завершается. На втором витке в процесс копирования будут вовлечены клаттеры, уже скопированные в данном цикле. В следующем цикле клаттеры, скопированные в предыдущем цикле дважды, копируются так же, как клаттеры скопированные единожды.

Третий этап (Z = 1)

Формально модель третьего этапа проста: создается копия совершенной финальной сети, прокладываются связи, запускается рост сети четвертого ранга. Попробуем тем не менее безо всякого ущерба для этого формализма создать наглядный образ (ни на что, впрочем, не претендующий) завершающего этапа роста сети и операции ее репликации.

Когда сеть 256 достигает совершенства ее размер (число клаттеров в сети) становится равным весу клаттера Р (числу носителей в клаттере). Рассмотренный здесь алгоритм роста не может больше работать, т. к. все носители каждого клаттера, связанные с его магистральным узлом[22], оказываются задействованными на поддержание внутрисетевых связей. Число связей клаттера совершенной сети не может быть увеличено, поэтому она и не может расти дальше.

Но, что такое связь? Можно создать наглядный образ связи, который следует понимать только как метафору. Будем считать, что связь от носителя каждого клаттера через магистральные узлы всех клаттеров более низкого ранга, в порядке иерархии составляющих сетеобразующий клаттер, идет к магистральному узлу этого клаттера, который соединяется через магистральный узел сети с носителями других клаттеров. При этом магистральные узлы клаттеров всех уровней и магистральный узел сети выступают в качестве «коммутаторов», обеспечивающих независимый обмен информацией между носителями.

Здесь предполагается, что каждый носитель может быть связан в данный момент времени только с каким-то одним носителем в своем или любом другом клаттере сети.

Переходим к операции репликации. В процессе роста сети третьего ранга длина звена, с которого собирается клаттер, уменьшалось от 128 до 2. На последнем цикле дочерний клаттер копировался с двух, а в его конце – практически с одного материнского.

Поэтому логично считать продолжением этого процесса операцию репликации (перехода), во время которой звено копирования минимально и равно единице, т. е. операцию, в процессе которой происходит точное копирование «клаттер в клаттер», с установкой копий носителей в новую в сеть.

Операцию репликации можно считать последней, предельной операцией копирования сети данного ранга. Чисто теоретически она может состоять из некоторого количества циклов, в процессе которых итоговая СИС и ее клоны самореплицируются до момента достижения некой стартовой конфигурации. Однако в дальнейшем всегда будем считать, что сеть, точно так же как живая клетка при делении, всегда создает только одну собственную копию.

Для обеспечения глобальной связности носителей СИС  в процессе ее репликации сначала копируется магистральный узел полученной СИС четвертого ранга – он становится магистральным узлом второго клаттера растущей ИС четвертого ранга. Затем создается еще одна копия магистрального узла полученной СИС, которая кладется в основу магистрального узла растущей СИС четвертого ранга. Между этими тремя узлами прокладываются связи ИС четвертого ранга. Затем последовательно, клаттер за клаттером, создается копия итоговой совершенной ИС.

При этом в процессе операции репликации, так же как в процессе самокопирования ИС, каждый вновь поступающий носитель после установке его в сеть оказывается связанным с каждым носителем итоговой СИС и ее растущей копией.

Такая связность носителей ИС на всех стадиях ее роста обеспечивается тем, что сначала создается копия магистрального узла клаттера итоговой СИС и соединяется с магистральным узлом ее копии. Затем последовательно, в порядке иерархии копируются магистральные узлы клаттеров меньших рангов, и только после этого копируются носители и подключаются через их посредство к магистральному узлу клаттера-копии. При таком сценарии каждый вновь поступающий носитель оказывается сразу же подключенным ко всей сети.

По завершению операции репликации запускается рост сети четвертого ранга. При выборе алгоритма финализации звена на первом и втором этапе роста, и цикла на втором – важно, чтобы он обеспечивал прохождение всех гармонических стадий роста сети в момент завершения цикла, а не где-то у него внутри и, конечно же, этот алгоритм должен гарантировать достижение сетью в финале совершенства.  Как показывает математическое моделирование предпочтение следует отдать третьему варианту, т. к. в этом случае на втором этапе гармонические стадии роста сети достигаются в моменты завершения циклов.

Кроме того, выясняется, что при заданном алгоритме и при всех прочих сценариях финализации звена и цикла гармонические стадии оказываются в этом смысле удивительно притягательными для растущей сети. При этом число циклов, которое проходит сеть, с рангом большим трех, от одной точки своего роста до другой практически не зависит ни от выбора правила финализации звена на первом и втором этапе роста, ни от правила финализации цикла — на втором.

И в заключение отметим следующее: в модели любого природного явления главное – математика (если, конечно, она там присутствует), а не ее интерпретация.  Интерпретация процесса роста населения Земли в виде растущей ИС с узлами, связями, клаттерами, носителями – лишь один из вариантов интерпретации той математики, которая здесь представлена[23].

Рост сети 256

Рассмотрим рост сети 256 на первом этапе от 2-х клаттеров до 16-ти. Приведем пример программы подсчета числа клаттеров за цикл в зависимости от номера цикла, реализованной в системе MathCAD:

Рис. 1. Алгоритм роста сети 256 от 2-х клаттеров до 16-ти.

Здесь ceil(X) – ближайшее целое, большее или равное X; ce(X) – ближайшее целое, меньшее или равное X; cel(X) – ближайшее целое, меньшее X. Функция U(C) – это число клаттеров, собранных сетью за С циклов. Например, если U(133) = 7, то за 133 цикла собрано 7 клаттеров. C(2k) – номера циклов, соответствующие гармоническим стадиям роста сети.

Всего получается 156 циклов. Из них пустых 156 − 14 = 142. Соответственно, за каждый из оставшихся 14 циклов собирается один клаттер (14 = 16 − 2). Заходить на второй виток ни разу не приходилось. Сеть проходит четыре гармонические стадии роста: в момент старта, а также на 93-м, 134-м и 156-м цикле с числом клаттеров 2, 4, 8 и 16, соответственно. Переходим ко второму этапу.

Рис. 2. Алгоритм роста сети 256 от 16-ти до 256-ти клаттеров.

На этом этапе пройдено 15 циклов. Его начало сопровождается бурным ростом числа клаттеров. Это связано с тем, что на втором этапе за цикл с нуля собирается один или большее число клаттеров. Для реализации прохода через гармонические сети необходимо было скорректировать рост, но только в четырех точках «близких» к гармоническим сетям.

Каждая коррекция представляла собой малое возмущение в один клаттер и была проведена на стадиях роста с числом клаттеров 20, 31, 65 и 127: (127 + 1)·2 = 256, (31 + 1)·8 = 256, (65-1)·4 = 256. Существует не одна такая четверка, но результат – функция U(C) – остается тем же.

Растущая сеть проходит через гармонические стадии с размером: 16, 32, 64, 128, 256 клаттеров. На последнем цикле число клаттеров удваивается: U(14) = 128, U(15) = 256. Это справедливо для сетей любого ранга. Отметим также, что результаты работы алгоритма практически полностью совпадают со значениями следующей функции:

Рис. 3. Теоретическая гипербола сети 256.

Назовем функцию U1(i) теоретической гиперболой сети 256. Этап заканчивается сборкой клаттера 65536. И, наконец, третий этап роста сети 256 – репликация. Здесь сеть собирает свою копию и прокладывает связь между ней и оригиналом. Получена стартовая конфигурация сети 65536.

Подведем итоги для сети 256: всего имеется 156 + 15 = 171 цикл (без учета репликации) и восемь гармонических стадий роста с числом клаттеров 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256. Последняя гармоническая сеть с числом клаттеров 256 является также совершенной.

Рост сети 65536

Продолжая процесс, переходим к сети 65536. Первый этап – рост от 2-х клаттеров до 256-ти.

Рис. 1. Рост сети 65536 от 2-х клаттеров до 256-ти.

Всего сеть проходит 42142 цикла. Из них пустых 42142 – 254 = 41888. В 254 циклах собиралось по одному клаттеру. На второй виток, в соответствии с алгоритмом, заходить не приходилось.

Имеется восемь гармонических стадий роста: на старте и на 23666-м, 33543-м, 38046-м, 40197-м, 41261-м, 41812-м, 42142-м циклах с числом 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и 256 клаттеров, соответственно.

Второй этап – рост от 256-ти клаттеров до 65536-ти.

Рис. 2. Рост сети 65536 от 256-ти клаттеров до 65536-ти.

Коррекция роста проведена в 21 точке. Все значения размеров сети, для которых проводилась коррекция М <− М+1, являются (или «почти» являются) делителями числа 65536, если к ним добавить единицу; например, 65536/(13106+1) = 5,000076. Вот частные, которые получаются в результате:

3, 4, 5, 8, 19, 32, 56, 67, 94, 122, 212, 214, 217, 222, 225, 229, 234, 240.

Эти коррекции одни из многих возможных, подобных им, но все они дают практически один и тот же результат, если придерживаться правила: при небольшом отклонении от гиперболической сети добавить в цикл один клаттер, т. е. держать курс на ближайшую гиперболическую сеть. Гиперболическая сеть – это сеть, размер которой равен ce(65536/N), где N > 256 – натуральное число.

Причем при увеличении М на единицу процесс устойчив и через некоторое количество циклов «садится» на гиперболу. При уменьшении М на единицу наблюдается неустойчивость, и процесс роста необратимо уходит от гармонических сетей.

Понадобилась одна коррекция в сторону уменьшения размера сети М: 328 <− 327 (65536/328 = 199.8), если ее не провести процесс срывается с гиперболы (последние три цикла 25501, 43735, 65537). Результаты работы алгоритма «почти точно» ложатся на теоретическую гиперболу сети 65536:

Рис. 3. Теоретическая гипербола сети 65536.

Гиперболический рост сети на первом и втором этапе представляет собой ускоряющийся неустойчивый процесс, требующий от управляющей системы двадцать пять коррекций. Неустойчивость роста понятна и из того факта, что уравнение Капицы, как асимптотический закон роста сети, устойчивых решений не имеет.

Составим таблицу зависимости числа клаттеров растущей сети от номера цикла для алгоритма и теоретической гиперболы. Зависимости почти не отличаются: максимальное отличие в три клаттера. В таблице выделены гармонические размеры сети.

Таблица 1. Зависимость числа клаттеров растущей сети от номера цикла для алгоритма и теоретической гиперболы.

Третий этап – операция репликации. Собираются копия сети, прокладывается связь между ней и оригиналом. Сеть 4 294 967 296 может стартовать.

Гармонические стадии роста сети 65536

Всего имеется 42142 + 255 = 42397 циклов (без учета репликации) и 16 гармонических стадий роста сети 65536. Сведем все данные в таблицы:

Таблица 2А. Подсчет номера цикла Cj и числа клаттеров Mj для гармонических сетей с размером, принадлежащем интервалу [257, 65536].

Таблица 2В. Зависимость числа клаттеров от номера цикла для гармонических размеров сети 65536.

Подсчет числа циклов роста сети любого ранга от двух клаттеров до совершенной

Для того, чтобы найти полное количество циклов, которое в процессе своей эволюции проходит сеть любого ранга, нужно сложить число этих циклов на трех этапах ее роста (считаем, что сеть любого ранга, став совершенной, создает единственную свою копию, на что уходит ровно два цикла[24], и рост сети следующего ранга всегда начинается с двух клаттеров).

На втором и третьем этапе число циклов вычисляется с полной определенностью: корень квадратный из веса клаттера минус единица плюс два. Минус единица, т. к. алгоритм восьми шагов прекращает свою работу за шаг до сингулярности. И далее два цикла на переход. Получаем корень квадратный из веса клаттера плюс единица.

Но наибольший вклад в количество циклов, пройденных сетью за все время ее роста, дает первый этап. Причем для сетей с рангом большим трех число циклов на втором этапе гораздо меньше, чем на первом и им, с небольшой потерей в точности, можно пренебречь. Следовательно, наиболее важным представляется подсчет числа циклов на первом этапе. Еще раз проведем такой подсчет, но уже для сети любого ранга.

Здесь, как мы уже отмечали ранее, нас подстерегает неоднозначность[32]. Действительно, в приложении этой математики к процессу роста населения Земли время эволюции Сети человека на всех этапах ее роста должно исчисляться целым числом циклов. Поскольку на первом этапе копирование происходит звеньями, проблема возникает с последним циклом звена, если вес клаттера не делится нацело на квадрат размера сети. Рассмотрим, к примеру, рост сети четвертого ранга от трех клаттеров до четырех. Для сборки четвертого клаттера потребуется 65536/32 = 7281 целых, плюс 7/9 цикла. Т. к. 7:3 = 2·3+1, четвертый клаттер будет собран после копирования первой позиции последнего из стоящих в очередь на копирование клаттера 7282-го цикла.

Т. к. звено замыкается здесь не в в момент завершения цикла, а у него внутри, то непонятно как округлять частное от деления веса клаттера на число носителей, которое копируется за цикл: с избытком, с недостатком или вообще не округлять? Возможны четыре варианта финализации звена на первом этапе:

1) Отдаем остаток последнему полному циклу или распределяем его по каким-то из предыдущих, при этом на некоторых из них будет скопировано число носителей больше планового (звено состоит из 7281 цикла в нашем примере).

2) Добавляем еще один цикл и переносим в него остаток (7 – в нашем примере) плюс некоторое число позиций, которые не будем копировать в текущем цикле (2 – в нашем примере); при этом носителей на последнем цикле будет скопировано меньше планового (звено состоит из 7282 циклов в нашем примере).

3) Этот вариант среднее между первым и вторым: если остаток меньше или равен половине квадрата размера сети идем по первому варианту, в противном случае – по второму (7281 или 7282 цикла в звене в нашем примере; т. к.  7 > 32/2, берем 7282).

4) Есть еще один сценарий финализации звена, а именно: с перехлестом (без округления), когда следующее звено начинается внутри последнего цикла предыдущего звена с копирования его нескопированных носителей. Последний цикл текущего звена будет завершен здесь в начале следующего звена. В нашем примере сразу после копировании первой позиции последнего клаттера 7282-го цикла собираем четвертый клаттер и подключаем его к остальным. Начинаем следующее звено с копирования трех (2+1) позиций третьего клаттера и только тогда завершаем 7282-й цикл. Новоиспеченный четвертый клаттер в 7282-м цикле не копируем, а сразу начинаем новый цикл. Заметим, что последний цикл звена в этом случае не является (в любом из вариантов) формально циклом по определению, поскольку число скопированных позиций здесь либо больше, либо меньше квадрата размера сети.

Третий и четвертый вариант рассматривать не будем, т. к. результаты вычислений здесь практически не отличаются от результатов по первому и второму. На рис. 1 представлены формулы для подсчета полного числа циклов роста сети любого ранга по первому и второму варианту работы с остатком, а также приближенная формула. Отрицательная добавка к сумме в виде логарифма от корня при подсчете по второму варианту учитывает то, что при делении Кn на степень двойки результат получается целым, без остатка, но лишняя единица (цикл) все равно добавляется.

Рис. 1. Подсчет числа циклов роста сети ранга «n» от двух клаттеров до совершенной плюс два цикла (характерного времени) на переход.

Составим таблицу зависимости количества циклов роста сети от ее ранга (n = 0, 1…7).

Таблица 1. Число циклов роста ИС от двух клаттеров ранга «n» до двух клаттеров ранга «n+1» по первому и второму варианту, а также по приближенной формуле.

Число циклов каждого следующего этапа можно оценить, если число циклов предыдущего возвести в квадрат и результат умножить на 1,55. Для сетей с рангом n > 5 результаты подсчета по трем вариантам c точностью до семи значащих цифр – не отличаются. При подсчете полного числа циклов роста сетей четвертого и пятого ранга, которые рассматриваются в этой книге, выбираем второй вариант работы с остатком. (Если выбрать первый – на результат это практически не повлияет.)