A Lei de ZIPF ou Regra 80/20 da Internet

As Leis de Potência, LP, (Power Laws, em inglês), Leis de Pareto ou Leis de Zipf são distribuições estatísticas, com inúmeras aplicações práticas, em sistemas naturais e artificiais. Alguns exemplos são a variação dos rendimentos pessoais ou de empresas, a ocorrência de palavras em textos, as repetições de sons ou conjuntos de sons em composições musicais, o número de vítimas em guerras ou outros cataclismos, a magnitude de tremores de terra, o número de vendas de livros ou CD’s na internet, o número de sítios mais acedidos na Internet, entre muitos outros. Vilfredo Pareto (1897-1906) afirma, no manual de economia política “Cours d’Economie Politique”, que grande parte da economia mundial segue uma determinada distribuição, em que 20% da população reúne 80% da riqueza total do país, estando, assim uma pequena fração da sociedade a controlar a maior fatia do dinheiro. Isto resume o comportamento de uma variável que segue uma distribuição de Pareto (ou Lei de Potência). Neste trabalho pretende-se estudar em pormenor a aplicação das leis de potência a fenómenos da internet, como sendo o número de sítios mais visitados, o número de links existentes em determinado sítio, a distribuição de nós numa rede da internet, o número livros vendidos e as vendas em leilões online. Os resultados obtidos permitem-nos concluir que todos os dados estudados são bem aproximados, numa escala logarítmica, por uma reta com declive negativo, seguindo, assim, uma distribuição de Pareto. O desenvolvimento e crescimento da Web, tem proporcionado um aumento do número dos utilizadores, conteúdos e dos sítios. Grande parte dos exemplos presentes neste trabalho serão alvo de novos estudos e de novas conclusões. O fato da internet ter um papel preponderante nas sociedades modernas, faz com que esteja em constante evolução e cada vez mais seja possível apresentar fenómenos na internet associados Lei de Potência.

Leis de potência em sistemas naturais e artificiais

A Lei de Potência é uma particularidade de um sistema não linear, revelando um sistema complexo próximo da auto-organização. Algumas características de sistemas naturais e artificiais, tais como dimensão populacional das cidades, valor dos rendimentos pessoais, frequência de ocorrência de palavras em textos e magnitude de sismos, seguem distribuições do tipo Lei de Potência. Estas distribuições indicam que pequenas ocorrências são muito comuns e grandes ocorrências são raras, podendo porém verificar-se com razoável probabilidade. A finalidade deste trabalho visa a identificação de fenómenos associados às Leis de Potência. Mostra-se o comportamento típico destes fenómenos, com os dados retirados dos vários casos de estudo e com a ajuda de uma meta-análise. As Leis de Potência em sistemas naturais e artificiais apresentam uma proximidade a um padrão, quando os valores são normalizados (frequências relativas) para dar origem a um meta-gráfico.

A review of power laws in real life phenomena

Power law distributions, also known as heavy tail distributions, model distinct real life phenomena in the areas of biology, demography, computer science, economics, information theory, language, and astronomy, amongst others. In this paper, it is presented a review of the literature having in mind applications and possible explanations for the use of power laws in real phenomena. We also unravel some controversies around power laws.

Leis de Pareto para Guerras e Actos de Terrorismo

Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores - Área de Especialização de Sistemas e Planeamento Industrial

Leis de potência em economia e finanças

Nesta dissertação aborda-se a aplicação de Leis de Potência (LPs), também designadas de Leis de Pareto ou Leis de Zipf, a dados económicos. As LPs são distribuições estatísticas amplamente usadas na compreensão de sistemas naturais e artificiais. O aparecimento das LPs deve-se a Vilfredo Pareto que, no século XIX, publicou o manual de economia política,“Cours d’Economie Politique”. Nesse manual refere que grande parte da economia mundial segue uma LP, em que 20% da população reúne 80% da riqueza do país. Esta propriedade carateriza uma variável que segue uma distribuição de Pareto (ou LP). Desde então, as LPs foram aplicadas a outros fenómenos, nomeadamente a ocorrência de palavras em textos, os sobrenomes das pessoas, a variação dos rendimentos pessoais ou de empresas, o número de vítimas de inundações ou tremores de terra, os acessos a sítios da internet, etc. Neste trabalho, é estudado um conjunto de dados relativos às fortunas particulares ou coletivas de pessoas ou organizações. Mais concretamente são analisados dados recolhidos sobre as fortunas das mulheres mais ricas do mundo, dos homens mais ricos no ramo da tecnologia, das famílias mais ricas, das 20 mulheres mais ricas da América, dos 400 homens mais ricos da América, dos homens mais ricos do mundo, dos estabelecimentos mais ricos do mundo, das empresas mais ricas do mundo e dos países mais ricos do mundo, bem como o valor de algumas empresas no mercado de ações. Os resultados obtidos revelam uma boa aproximação de parte desses dados a uma LP simples e uma boa aproximação pelos restantes dados a uma LP dupla. Observa-se, assim, diferenciação na forma de crescimento das fortunas nos diferentes casos estudados. Como trabalho futuro, procurar-se-á analisar estes e outros dados, utilizando outras distribuições estatísticas, como a exponencial ou a lognormal, que possuem comportamentos semelhantes à LP, com o intuito de serem comparados os resultados. Um outro aspeto interessante será o de encontrar a explicação analítica para as vantagens da aproximação de dados económicos por uma LP simples vs por uma LP dupla.

Stochastic models and graph theory for Zipf's law

In questo elaborato ci siamo occupati della legge di Zipf sia da un punto di vista applicativo che teorico. Tale legge empirica afferma che il rango in frequenza (RF) delle parole di un testo seguono una legge a potenza con esponente -1. Per quanto riguarda l'approccio teorico abbiamo trattato due classi di modelli in grado di ricreare leggi a potenza nella loro distribuzione di probabilità. In particolare, abbiamo considerato delle generalizzazioni delle urne di Polya e i processi SSR (Sample Space Reducing). Di questi ultimi abbiamo dato una formalizzazione in termini di catene di Markov. Infine abbiamo proposto un modello di dinamica delle popolazioni capace di unificare e riprodurre i risultati dei tre SSR presenti in letteratura. Successivamente siamo passati all'analisi quantitativa dell'andamento del RF sulle parole di un corpus di testi. Infatti in questo caso si osserva che la RF non segue una pura legge a potenza ma ha un duplice andamento che può essere rappresentato da una legge a potenza che cambia esponente. Abbiamo cercato di capire se fosse possibile legare l'analisi dell'andamento del RF con le proprietà topologiche di un grafo. In particolare, a partire da un corpus di testi abbiamo costruito una rete di adiacenza dove ogni parola era collegata tramite un link alla parola successiva. Svolgendo un'analisi topologica della struttura del grafo abbiamo trovato alcuni risultati che sembrano confermare l'ipotesi che la sua struttura sia legata al cambiamento di pendenza della RF. Questo risultato può portare ad alcuni sviluppi nell'ambito dello studio del linguaggio e della mente umana. Inoltre, siccome la struttura del grafo presenterebbe alcune componenti che raggruppano parole in base al loro significato, un approfondimento di questo studio potrebbe condurre ad alcuni sviluppi nell'ambito della comprensione automatica del testo (text mining).

A Review on the Characterization of Signals and Systems by Power Law Distributions

Power laws, also known as Pareto-like laws or Zipf-like laws, are commonly used to explain a variety of real world distinct phenomena, often described merely by the produced signals. In this paper, we study twelve cases, namely worldwide technological accidents, the annual revenue of America׳s largest private companies, the number of inhabitants in America׳s largest cities, the magnitude of earthquakes with minimum moment magnitude equal to 4, the total burned area in forest fires occurred in Portugal, the net worth of the richer people in America, the frequency of occurrence of words in the novel Ulysses, by James Joyce, the total number of deaths in worldwide terrorist attacks, the number of linking root domains of the top internet domains, the number of linking root domains of the top internet pages, the total number of human victims of tornadoes occurred in the U.S., and the number of inhabitants in the 60 most populated countries. The results demonstrate the emergence of statistical characteristics, very close to a power law behavior. Furthermore, the parametric characterization reveals complex relationships present at higher level of description.

Power-law distributions for the citation index of scientific publications and scientists

The number of citations of a scientific publication or of an individual scientist has become an important factor of quality assessment in science. We report a study of the statistical distribution of the citation index of both scientific publications and scientists. We give numerical evidence that Tsallis (power law) statistics explains the entire distribution over eight orders of magnitude (10-4 to 10(4)). Also, we draw Zipf plots in order to analyze the statistical distribution of the citation index of Brazilian and international physicists and chemists. The relatively small group of Brazilian scientists seems more adequate to explain the dynamics of the citation index. In this case, we find that the distribution of the citation index can also be explained by a gradually truncated power law with similar parameters. We finally discuss possible mechanisms behind the citation index of scientists and scientific publications.

Reti di partecipazione fra società di capitale in Italia: presenza di topologie caratterizzate da distribuzioni power law

Quando la probabilità di misurare un particolare valore di una certa quantità varia inversamente come potenza di tale valore, il quantitativo è detto come seguente una power-law, conosciuta anche come legge di Zipf o distribuzione di Pareto. Obiettivo di questa tesi sarà principalmente quello di verificare se il campione esteso di imprese segue la power-law (e se sì, in che limiti). A tale fine si configureranno i dati in un formato di rete monomodale, della quale si studieranno alcune macro-proprietà di struttura a livllo complessivo e con riferimento alle componenti (i singoli subnet distinti) di maggior dimensione. Successivamente si compiranno alcuni approfondimenti sulla struttura fine di alcuni subnet, essenzialmente rivolti ad evidenziare la potenza di unapproccio network-based, anche al fine di rivelare rilevanti proprietà nascoste del sistema economico soggiacente, sempre, ovviamente, nei limiti della modellizzazione adottata. In sintesi, ciò che questo lavoro intende ottenere è lo sviluppo di un approccio alternativo al trattamento dei big data a componente relazionale intrinseca (in questo caso le partecipazioni di capitale), verso la loro conversione in "big knowledge": da un insieme di dati cognitivamente inaccessibili, attraverso la strutturazione dell'informazione in modalità di rete, giungere ad una conoscenza sufficientemente chiara e giustificata.

Does the Pareto Distribution of Hurricane Damage Inherit its Fat Tail from a Zipf Distribution of Assets at Hazard?

Tropical Cyclones are a continuing threat to life and property. Willoughby (2012) found that a Pareto (power-law) cumulative distribution fitted to the most damaging 10% of US hurricane seasons fit their impacts well. Here, we find that damage follows a Pareto distribution because the assets at hazard follow a Zipf distribution, which can be thought of as a Pareto distribution with exponent 1. The Z-CAT model is an idealized hurricane catastrophe model that represents a coastline where populated places with Zipf- distributed assets are randomly scattered and damaged by virtual hurricanes with sizes and intensities generated through a Monte-Carlo process. Results produce realistic Pareto exponents. The ability of the Z-CAT model to simulate different climate scenarios allowed testing of sensitivities to Maximum Potential Intensity, landfall rates and building structure vulnerability. The Z-CAT model results demonstrate that a statistical significant difference in damage is found when only changes in the parameters create a doubling of damage.

Visual demonstration of the ionic strength effect in the classroom: the Debye-Hückel limiting law

The effects of ionic strength on ions in aqueous solutions are quite relevant, especially for biochemical systems, in which proteins and amino acids are involved. The teaching of this topic and more specifically, the Debye-Hückel limiting law, is central in chemistry undergraduate courses. In this work, we present a description of an experimental procedure based on the color change of aqueous solutions of bromocresol green (BCG), driven by addition of electrolyte. The contribution of charge product (z+|z-|) to the Debye-Hückel limiting law is demonstrated when the effects of NaCl and Na2SO4 on the color of BCG solutions are compared.

Power-law creep behavior of a semiflexible chain

Rheological properties of adherent cells are essential for their physiological functions, and microrheological measurements on living cells have shown that their viscoelastic responses follow a weak power law over a wide range of time scales. This power law is also influenced by mechanical prestress borne by the cytoskeleton, suggesting that cytoskeletal prestress determines the cell's viscoelasticity, but the biophysical origins of this behavior are largely unknown. We have recently developed a stochastic two-dimensional model of an elastically joined chain that links the power-law rheology to the prestress. Here we use a similar approach to study the creep response of a prestressed three-dimensional elastically jointed chain as a viscoelastic model of semiflexible polymers that comprise the prestressed cytoskeletal lattice. Using a Monte Carlo based algorithm, we show that numerical simulations of the chain's creep behavior closely correspond to the behavior observed experimentally in living cells. The power-law creep behavior results from a finite-speed propagation of free energy from the chain's end points toward the center of the chain in response to an externally applied stretching force. The property that links the power law to the prestress is the chain's stiffening with increasing prestress, which originates from entropic and enthalpic contributions. These results indicate that the essential features of cellular rheology can be explained by the viscoelastic behaviors of individual semiflexible polymers of the cytoskeleton.

Precise determination of quantum critical points by the violation of the entropic area law

Finite-size scaling analysis turns out to be a powerful tool to calculate the phase diagram as well as the critical properties of two-dimensional classical statistical mechanics models and quantum Hamiltonians in one dimension. The most used method to locate quantum critical points is the so-called crossing method, where the estimates are obtained by comparing the mass gaps of two distinct lattice sizes. The success of this method is due to its simplicity and the ability to provide accurate results even considering relatively small lattice sizes. In this paper, we introduce an estimator that locates quantum critical points by exploring the known distinct behavior of the entanglement entropy in critical and noncritical systems. As a benchmark test, we use this new estimator to locate the critical point of the quantum Ising chain and the critical line of the spin-1 Blume-Capel quantum chain. The tricritical point of this last model is also obtained. Comparison with the standard crossing method is also presented. The method we propose is simple to implement in practice, particularly in density matrix renormalization group calculations, and provides us, like the crossing method, amazingly accurate results for quite small lattice sizes. Our applications show that the proposed method has several advantages, as compared with the standard crossing method, and we believe it will become popular in future numerical studies.

Darcy`s law and the differential equation of motion

This note addresses the relation between the differential equation of motion and Darcy`s law. It is shown that, in different flow conditions, three versions of Darcy`s law can be rigorously derived from the equation of motion.

Scaling of structures subject to impact loads when using a power law constitutive equation

It is well known that structures subjected to dynamic loads do not follow the usual similarity laws when the material is strain rate sensitive. As a consequence, it is not possible to use a scaled model to predict the prototype behaviour. In the present study, this problem is overcome by changing the impact velocity so that the model behaves exactly as the prototype. This exact solution is generated thanks to the use of an exponential constitutive law to infer the dynamic flow stress. Furthermore, it is shown that the adopted procedure does not rely on any previous knowledge of the structure response. Three analytical models are used to analyze the performance of the technique. It is shown that perfect similarity is achieved, regardless of the magnitude of the scaling factor. For the class of material used, the solution outlined has long been sought, inasmuch as it allows perfect similarity for strain rate sensitive structures subject to impact loads. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.