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在能量耗散较大的系统中( [math]\gamma>1[/math] ),能量损失增加削弱了高通量节点的影响,使网络更分散;当 [math]\gamma<1[/math] 时,大节点输出更多能量、影响力增强,系统则更集中。
 
在能量耗散较大的系统中( [math]\gamma>1[/math] ),能量损失增加削弱了高通量节点的影响,使网络更分散;当 [math]\gamma<1[/math] 时,大节点输出更多能量、影响力增强,系统则更集中。
 
== 国家的规模法则==
 
== 国家的规模法则==
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在国家尺度上,[[张江]]等人利用 ''Mathematica CountryData'' 数据库,对273个国家或地区的104个变量展开了系统性的规模法则研究<ref name=":11">{{cite journal|last=Zhang|first=Jiang|title=Allometric scaling of countries|journal=Physica A|time=2010|page=4887–4896|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378437110006072}}</ref>,也可参考:[[异速生长律]]词条。首先,该研究将所有变量划分成了两类:1、广延型的变量;2、强度型变量。在物理中,所谓的广延型变量是诸如能量、质量、熵等具有子系统可加性的变量。在国家中,一些宏观总量,如人口、GDP、面积、出口、进口等都属于广延型变量。而平均的人均GDP,人口的生育率、死亡率等类似于物理中的温度、压强被称为强度量。
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社会经济复杂系统中普遍地存在着规模法则,除了上面已有阐述的城市与企业,规模法则还适用于一种更大的社会经济复杂系统,这就是国家。
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对于广延性的变量,张江分别研究了它们和三种不同的国家尺度变量(分别是地理尺度,即国土面积、人口尺度,即总人口和经济尺度即GDP)做异速生长律分析,即用数据检验它们与不同国家尺度变量(面积、人口和GDP)的幂律关系:
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2010年,[[张江]]等人利用 ''Mathematica CountryData'' 数据库,对273个国家或地区的104个变量展开了系统性的规模法则研究<ref name=":11">{{cite journal|last=Zhang|first=Jiang|title=Allometric scaling of countries|journal=Physica A|time=2010|page=4887–4896|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378437110006072}}</ref>,将规模法则(也被叫做异速生长律Allometric Scaling)拓展到了国家上。也可参考:[[异速生长律]]词条。
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===广延量与强度量===
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首先,该研究将所有变量划分成了两类:
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# 广延型的变量;
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# 强度型变量。
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在物理中,所谓的广延型变量是诸如能量、质量、熵等具有子系统可加性的变量。在国家中,一些宏观总量,如人口、GDP、面积、出口、进口等都属于广延型变量。而平均的人均GDP,人口的生育率、死亡率等类似于物理中的温度、压强被称为强度量。
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对于广延性的变量,张江分别研究了它们和三种不同的国家尺度变量(分别是地理尺度,即国土面积、人口尺度,即总人口和经济尺度即GDP)做规模法则分析,即用数据检验它们与不同国家尺度变量[math]X[/math](面积、人口和GDP)的幂律关系:
    
:<math>
 
:<math>
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</math>
 
</math>
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<ref name=":11" />中的结果显示,国家与城市相比,呈现出明显不同的规律。以人口和GDP为例,虽然两者之间仍符合幂律形式,但其幂指数 [math]a[/math] 接近于1,即近似线性,而并非像城市那样表现出超线性增长。这说明,国家人口增加并不会带来显著的规模经济效应,人均产出基本保持稳定。进一步,当用劳动力人口替代总人口,并以购买力平价修正GDP时,拟合的显著性提高([math]R^2[/math] 从0.59上升至0.88),而幂指数依旧接近1,进一步验证了这一结论。
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这里,[math]Y[/math]为任意的宏观变量,[math]a[/math]为幂律指数,[math]c[/math]为规模法则的系数。
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在更大范围的比较中,GDP被发现比人口更能有效衡量国家尺度。
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下面,我们选择一些典型的X与Y,陈述一些典型的结论。
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===人口与GDP===
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首先,我们可以选择[math]X[/math]代表人口作为国家规模的度量,选择国家的GDP作为[math]Y[/math]来看GDP对人口的规模法则,并可以与城市的GDP-人口的规模法则进行对比。
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<ref name=":11" />中的结果显示,国家与城市相比,呈现出明显不同的规律。以人口和GDP的规模法则为例,虽然两者之间仍符合幂律形式,但城市的幂指数是大于1的(1.15),呈现出超线性的规模法则,而国家的幂指数 [math]a[/math] 则是小于或约等于1的,即呈现为亚线性或线性的规模法则。这说明国家相比较城市在经济产出方面不但不存在规模效应递增,而且还会出现规模效应递减的现象,即国家越大人均GDP越低。
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之所以会出现这种情况,有多方面因素。首先:拟合方法的选择不合理。通常,为了拟合数据,我们大多都采用最小二乘法(Ordinary Linear Square,简称OLS)在双对数坐标下进行线性回归,这种方法会把X看作自变量,而Y看作因变量,因此暗含了X与Y有因果关系。然而,如果实际的变量X和Y不存在因果关系,而仅仅是相关关系的时候,就有可能导致幂指数的估计产生大的偏差。另一种拟合方式则是采用主轴法(Major Axis,简称MA),这种方法并不区分自变量和因变量,因而能够相对平等地对待X与Y。在国家尺度的GDP与人口的双对数坐标下的回归分析中,如果采取OLS方法,则幂指数为0.79,但如果采取MA方法,则幂指数为1.04接近于1。我们认为后者更加可信,这是因为国家的GDP与人口并不呈现明显的因果关系,而且这一结论也与后续的不同变量分析一致。
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其次,变量的选择会显著影响GDP和人口这两个变量的关系。如前所述,OLS方法的基础是假设了X是自变量,Y是因变量,也就是说要存在X到Y的因果关系,这种方法才合理。然而,国家层面上看,人口和GDP的因果关系并不显著。除了采用不同的回归方式得到结论以外,我们还可以通过选择更精炼的变量来进行回归。例如,对于人口来说,我们可以选择劳动人口,甚至就业的劳动人口。显然,后两种变量的选择会与社会总产出,即GDP具有更显著的因果关系。同样地,GDP变量也可以被替换为购买力评价GDP,从而消除物价以及汇率对GDP的影响。在进行变量的替代以后,我们会看到X与Y的因果关系就会变得越来越显著,从而得到的幂指数也会越来越准。
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[[File:201210250819_improvement.jpg|无|缩略图|为了揭示更加精准的社会总产出与社会总人口的关系,我们可以用更精准的变量替换人口与GDP的衡量,从而得到越来越显著的因果关系]]
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当用劳动力人口替代总人口,并以购买力平价修正GDP时,拟合的显著性提高([math]R^2[/math] 从0.59上升至0.88),而幂指数依旧接近1,进一步验证了GDP与人口的规模法则近似线性这一结论。这说明,在国家层面,由于人与人之间的互动并不能产生规模递增效应,从而导致人均GDP不会像城市那样随着人口规模的上升而上升。
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===以GDP为基准的规模法则===
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正是因为国家与城市存在着显著的不同,人与人之间的互动并不明显,这使得人口总规模并不能作为一个良好的规模指标,特别是衡量国家的经济发展水平的时候,选取总人口作为规模指标并不合理。于是,文章探讨了另一种规模指标,即国家的GDP。当我们将GDP作为国家经济总规模的衡量的时候,各种广延量的经济指标,包括出口总额、进口总额、投资总额等等,都呈现了非常显著的与GDP的规模法则。因此,在更大的国家尺度范围中,GDP被发现比人口更能有效衡量国家尺度。
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下表列出了与GDP程序明显幂律关系的各个经济广延量指标。
    
{| class="wikitable"
 
{| class="wikitable"
 
|+ 以GDP为国家规模的衡量,各个变量的规模法则
 
|+ 以GDP为国家规模的衡量,各个变量的规模法则
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! 属性 !! OLS方法估计的幂指数 !! r² !! MA方法估计的幂指数 !! 样本数
+
! 属性 !! MA方法估计的幂指数 !! R² !! OLS方法估计的幂指数 !! 样本数
 
|-
 
|-
 
| 购买力平价GDP(GDPAtParity) || 1.02 ± 0.03 || 0.96 || 0.99 || 230
 
| 购买力平价GDP(GDPAtParity) || 1.02 ± 0.03 || 0.96 || 0.99 || 230
第1,637行: 第1,666行:  
| 国民收入(NationalIncome) || 0.99 ± 0.01 || 1.00 || 0.99 || 208
 
| 国民收入(NationalIncome) || 0.99 ± 0.01 || 1.00 || 0.99 || 208
 
|-
 
|-
−
| 农业增加值(AgriculturalValueAdded) || 0.96 ± 0.08 || 0.73 || 0.83 || 207
+
| 农业附加值(AgriculturalValueAdded) || 0.96 ± 0.08 || 0.73 || 0.83 || 207
 
|-
 
|-
−
| 建筑业增加值(ConstructionValueAdded) || 0.99 ± 0.03 || 0.96 || 0.97 || 208
+
| 建筑业附加值(ConstructionValueAdded) || 0.99 ± 0.03 || 0.96 || 0.97 || 208
 
|-
 
|-
 
| 固定投资(FixedInvestment) || 0.98 ± 0.02 || 0.97 || 0.97 || 207
 
| 固定投资(FixedInvestment) || 0.98 ± 0.02 || 0.97 || 0.97 || 207
第1,647行: 第1,676行:  
| 居民消费(HouseholdConsumption) || 0.98 ± 0.02 || 0.98 || 0.97 || 206
 
| 居民消费(HouseholdConsumption) || 0.98 ± 0.02 || 0.98 || 0.97 || 206
 
|-
 
|-
−
| 工业增加值(IndustrialValueAdded) || 1.18 ± 0.03 || 0.96 || 1.15 || 208
+
| 工业附加值(IndustrialValueAdded) || 1.18 ± 0.03 || 0.96 || 1.15 || 208
 
|-
 
|-
 
| 存货变动(InventoryChange) || 1.26 ± 0.13 || 0.67 || 0.99 || 193
 
| 存货变动(InventoryChange) || 1.26 ± 0.13 || 0.67 || 0.99 || 193
 
|-
 
|-
−
| 制造业增加值(ManufacturingValueAdded) || 1.22 ± 0.03 || 0.95 || 1.19 || 208
+
| 制造业附加值(ManufacturingValueAdded) || 1.22 ± 0.03 || 0.95 || 1.19 || 208
 
|-
 
|-
−
| 其他行业增加值(MiscellaneousValueAdded) || 1.22 ± 0.03 || 0.96 || 1.03 || 208
+
| 其他行业附加值(MiscellaneousValueAdded) || 1.22 ± 0.03 || 0.96 || 1.03 || 208
 
|-
 
|-
 
| 总消费(TotalConsumption) || 0.97 ± 0.02 || 0.98 || 0.96 || 207
 
| 总消费(TotalConsumption) || 0.97 ± 0.02 || 0.98 || 0.96 || 207
 
|-
 
|-
−
| 贸易增加值(TradeValueAdded) || 1.00 ± 0.02 || 0.97 || 0.98 || 207
+
| 贸易附加值(TradeValueAdded) || 1.00 ± 0.02 || 0.97 || 0.98 || 207
 
|-
 
|-
−
| 交通运输增加值(TransportationValueAdded) || 1.02 ± 0.03 || 0.97 || 0.97 || 207
+
| 交通运输附加值(TransportationValueAdded) || 1.02 ± 0.03 || 0.97 || 0.97 || 207
 
|-
 
|-
 
| 出口额(ExportValue) || 1.09 ± 0.05 || 0.90 || 1.03 || 208
 
| 出口额(ExportValue) || 1.09 ± 0.05 || 0.90 || 1.03 || 208
第1,694行: 第1,723行:  
|}
 
|}
   −
该研究表明,从石油、电力消耗到进出口总额,再到交通通信基础设施(如公路总长度、电话线数量、互联网用户数),几乎所有这些宏观变量都与GDP呈现高度显著的幂律关系([math]R^2>0.6[/math])<ref name=":11" />。其中,进出口额与GDP的关系可类比为国家经济系统的“代谢过程”,类似生物代谢中的[[克莱伯定律]];而碳排放则表现出与GDP的超线性关系(幂指数为1.2),这意味着随着经济增长,碳排放会加速增加,反映出一种难以通过个体行为逆转的系统性规律。
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从该表中,我们不难看出,从石油、电力消耗到进出口总额,再到交通通信基础设施(如公路总长度、电话线数量、互联网用户数),几乎所有这些宏观变量都与GDP呈现高度显著的幂律关系([math]R^2>0.6[/math])<ref name=":11" />。
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在该表中,有些指标的幂指数明显大于1,包括政府债务、工业附加值、制造业附加值、存货变动、碳排放、移动电话用户数、互联网用户数、外汇储备、出口总额等等,这些都呈现了超线性规模法则,这说明随着GDP的增长,这些指标的增长会更快;有些指标明显小于1,包括总消费、进口额、石油消费、公路长度等,这呈现了亚线性规模法则,说明它们会比GDP更慢地增长。还有一些则非常接近于1,包括购买力评价GDP、政府收入、政府支出、劳动力、国民收入等等,它们与GDP同速增长。
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其中,比较有趣的事,进口额与GDP的规模法则。它们的关系可类比为国家经济系统的“代谢过程”,类似生物代谢中的[[克莱伯定律]];而碳排放则表现出与GDP的超线性关系(幂指数为1.2),这意味着随着经济增长,碳排放会加速增加,反映出一种难以通过个体行为逆转的系统性规律。由此可以看出,国家层面的规模法则不仅在形式上区别于城市(缺乏超线性的规模经济效应),更在规律上展现出与GDP紧密相关的系统性特征。
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 +
===强度量对人均GDP的依赖===
    
此外,对强度量的分析揭示了社会发展与人类代谢之间的深层联系。随着人均GDP的提高,国家的总和生育率呈幂律下降,而平均寿命则随之上升。这种规律与生物体代谢的限制机制一致,暗示人类社会在宏观尺度上仍受到代谢生态学的约束。
 
此外,对强度量的分析揭示了社会发展与人类代谢之间的深层联系。随着人均GDP的提高,国家的总和生育率呈幂律下降,而平均寿命则随之上升。这种规律与生物体代谢的限制机制一致,暗示人类社会在宏观尺度上仍受到代谢生态学的约束。
   −
 
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该文章也研究了各种强度变量相对于人均GDP的幂律关系。虽然人均GDP不能看作是国家的规模度量,但是它却可以看作是国家社会经济体系的一种强度量的标尺,因而,不同的变量便呈现了与人均GDP的幂律关系,如下表所列:
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研究了强度变量相对于人均GDP的幂律关系。
      
{| class="wikitable"
 
{| class="wikitable"
 
|+ 强度变量与人均GDP之间的幂律关系
 
|+ 强度变量与人均GDP之间的幂律关系
−
! 变量(Property) !! OLS回归幂指数 !! r² !! MA回归幂指数 !! 样本数
+
! 变量(Property) !! MA回归幂指数 !! R² !! OLS回归幂指数 !! 样本数
 
|-
 
|-
 
| 识字率比例(LiteracyFraction) || 0.11 ± 0.02 || 0.40 || 0.11 || 204
 
| 识字率比例(LiteracyFraction) || 0.11 ± 0.02 || 0.40 || 0.11 || 204
 
|-
 
|-
−
| 出生率比例(BirthRateFraction) || −0.24 ± 0.03 || 0.58 || −0.23 || 208
+
| 出生率比例(BirthRateFraction) || -0.24 ± 0.03 || 0.58 || −0.23 || 208
 
|-
 
|-
 
| 预期寿命(LifeExpectancy) || 0.08 ± 0.01 || 0.48 || 0.08 || 207
 
| 预期寿命(LifeExpectancy) || 0.08 ± 0.01 || 0.48 || 0.08 || 207
第1,718行: 第1,752行:  
|}
 
|}
   −
由此可以看出,国家层面的规模法则不仅在形式上区别于城市(缺乏超线性的规模经济效应),更在规律上展现出与GDP紧密相关的系统性特征。
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可以看到,这些变量的幂指数可以被分成两类,识字率、预期寿命与中位数年龄的幂指数为正,这说明随着国家变得更加富有(人均GDP提高),则人们受教育水平会提升,而预期寿命会增长;另一类包括出生率、总和生育率、婴儿死亡率等,它们的幂指数为负数,说明人均GDP提高的时候,新生儿的出生率降低,死亡率升高。这在某种程度上反映了作为一个独立个体(以经济生活为主要目的)的人,和作为一种生物学的个体(以生命的繁衍为目的)二者之间存在着一定的竞争关系。当人们的生活水平逐渐提高,人们会选择更多地提升自己的个体社会人的生活质量,而非提高作为生物人的个体繁衍率。
    
== 复杂网络 ==
 
== 复杂网络 ==