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Tipo: Tese
Título: Emergência e leis de escala em sistemas complexos: uma abordagem orientada por dados
Autor(es): Ferreira, Antônio Edinaldo de Oliveira
Orientador: Oliveira, Cláudio Lucas Nunes de
Palavras-chave em português: sistemas complexos;complexidade econômica;ciência de dados;leis de potência;matéria mole
Palavras-chave em inglês: complex systems;economic complexity;data science;power laws;soft matter
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Data do documento: 2026
Citação: FERREIRA, Antônio Edinaldo de Oliveira. Emergência e leis de escala em sistemas complexos: uma abordagem orientada por dados. 2026. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2026.
Resumo: Neste trabalho, investigamos dois sistemas complexos de naturezas distintas sob uma mesma abordagem orientada por dados: (i) redes viscoelásticas imersas em fluido e (ii) o sistema urbano econômico do Ceará, estruturado por fluxos multicamadas de comércio entre 184 municípios. Emambos os casos, lidamos com muitos elementos interagentes, heterogeneidade estrutural e acoplamento multiescala, buscando inferir propriedades macroscópicas emergentes a partir de dados locais de alta dimensionalidade por meio de descritores coletivos. No estudo viscoelástico, consideramos um modelo de rede elástica com dissipação sublinear, caracterizada pelo parâmetro α ∈[0,1] na força de arrasto fa = γvα. Em redes homogêneas e rígidas, o expoente de arrasto α governa a transição entre diferentes regimes de relaxação, em uma faixa sublinear específica de α aresposta de força assume a forma de lei de potência, F(t) ∼t−β, enquanto, fora dessa faixa, passam a prevalecer respostas de relaxação de tipo exponencial. Em redes heterogêneas gaussianas, a desordem amplia a faixa de α que gera relaxações em lei de potência, ao mesmo tempo em que mantém uma faixa robusta de valores de β, sensível sobretudo ao nível médio de rigidez, mas pouco à largura da distribuição. No sistema urbano-econômico, analisamos mais de 2,5 bilhões de transações formais (NF-e, 2016–2019) e mostramos que compras, vendas e comércio interno escalam superlinearmente com a população, com expoentes distintos. O indicador econômico RCA (Revealed Comparative Advantage), utilizado para caracterizar padrões de especialização produtiva regional, segue distribuições do tipo Zipf–Mandelbrot para as três camadas de fluxos, revelando hierarquias e limites de diversificação. O Fitness municipal, uma métrica econômica que mede o grau de diversificação e complexidade produtiva das cidades com base em seus produtos de exportação, também escala superlinearmente, indicando acúmulo desproporcional de capacidades estruturais, especialmente no lado da oferta e da recirculação interna. A integração desses resultados evidencia que leis de potência, emergência coletiva, hierarquias, transições críticas e organização multiescala são padrões recorrentes tanto em materiais viscoelásticos quanto em sistemas urbanos. Mostramos que a combinação de simulações numéricas, aprendizado de máquina, análise de redes, inferência bayesiana e técnicas multivariadas consolida a Ciência de Dados como um arcabouço unificado para revelar estruturas profundas em sistemas complexos aparentemente díspares.
Abstract: In this work, we investigate two complex systems of distinct natures under a single data-driven approach: (i) viscoelastic networks immersed in a fluid and (ii) the urban–economic system of Ceará, structured by multilayer trade flows among 184 municipalities. In both cases, we deal with many interacting elements, structural heterogeneity, and multiscale coupling, seeking to infer emergent macroscopic properties from high-dimensional local data through collective descriptors. In the viscoelastic study, we consider a model of an elastic network with sublinear dissipation, characterized by the parameter α ∈ [0,1] in the drag force fa = γvα. In homogeneous and rigid networks, the drag exponent α governs the transition between different relaxation regimes: within a specific sublinear range of α, the force response takes the form of a power law, F(t) ∼ t−β, whereas outside this range, exponential-type relaxation responses become predominant. In heterogeneous Gaussian networks, disorder broadens the range of α values that give rise to power-law relaxations, while preserving a robust interval of β values, which are mainly sensitive to the mean stiffness level and only weakly dependent on the width of its distribution. In the urban–economic system, we analyze more than 2.5 billion formal transactions (electronic invoices, NF-e, 2016–2019) and show that purchases, sales, and internal trade scale superlinearly with population, with distinct exponents. The economic indicator RCA (Revealed Comparative Advantage), used to characterize patterns of regional productive specialization, follows Zipf–Mandelbrot-type distributions for the three flow layers, revealing hierarchies and diversification limits. Municipal Fitness, an economic metric that measures the degree of diversification and productive complexity of cities based on their export products, also scales superlinearly, indicating a disproportionate accumulation of structural capabilities, especially on the supply side and in internal recirculation. The integration of these results shows that power laws, collective emergence, hierarchies, critical transitions, and multiscale organization are recurrent patterns in both viscoelastic materials and urban systems. We demonstrate that the combination of numerical simulations, machine learning, network analysis, Bayesian inference, and multivariate techniques consolidates Data Science as a unified framework for unveiling deep structures in seemingly disparate complex systems.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/86072
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0009-0001-2048-5258
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/4056885000707640
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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