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Aplicaciones de la Paradoja de Parrondo Miguel Arizmendi Fac. Ingeniería Universidad Nacional de Mar del Plata Argentina

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Aplicaciones de laParadoja de Parrondo

Miguel ArizmendiFac. IngenieríaUniversidad Nacional de Mar del PlataArgentina

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Losing in order to win

Chess sacrifice bishop

Page 3: Aplicaciones de la Paradoja de Parrondo Miguel Arizmendi Fac. Ingeniería Universidad Nacional de Mar del Plata Argentina

N/2 Wrongs Make a Right

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The Truel

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Motores Moleculares

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Parrondo’sParadoxical Games

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Biology is wet and dynamic. Molecules, subcellular organelles and cells,

inmersed in an aqueous environment, are in continous riotous motion.

H.C. Berg – Random Walks in Biology

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Games

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The small size of molecular machines means that their physics is dominatedby thermal fluctuations – macroscopic intuition is of limited use

Length scales

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Energy Scales

Thermal Energy

For proteins in water this energy is taken from collisions with water molecules

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Life at Low Reynolds Number

Reynold’s number: Re = vL/

v speed of the object – L characteristic length -

ρ liquid density and η viscosity

Example: fish vs. bacterium

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•fish of density approximately that of water ( = 1 gm/cc), length of 10 cm (L), moving at a velocity of 100 cm/sec (v) in

water ( = 0.01 g/cm sec), we calculate Re to be about 105.

•bacterium of the same density, length of 1 micron (L = 10-4 cm), moving at a velocity of 10-3 cm/sec through water,

we calculate Re to be 10-5.

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What about Proteins?

• fish we calculate Re to be about 105.

• bacterium we calculate Re to be 10-5.

• protein: size ~ 6 nm, speed 8m/s in water

Re ~ 0.05

Overdamped

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Quenched disorder effects on deterministic inertia ratchets

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Games

•Processes like this with no memory are called Markov Processes

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Random Walks and Diffusion

For short times and distances, diffusion is very fastK+ ion in water goes 1 micron in 0.25 ms, 0.1 mm in 0.25 sFor long time and distances, diffusion is very slow,K+ ion goes 1m in 8 years.

Page 18: Aplicaciones de la Paradoja de Parrondo Miguel Arizmendi Fac. Ingeniería Universidad Nacional de Mar del Plata Argentina

Why bother moving?Rickettsia (tifus)

~ 100 years for mitochondrion synthesized in spinal chord to get to foot synapse. .

Active Transport is necessary: molecular motors

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Two basic features are needed for the existence of directed transport :

The system must be out of its equilibrium state

Breaking of thermal equilibrium: Accomplished either through stochastic or periodic forcing : F(t)

Breaking of spatial inversion symmetry

Ratchet potential : it consists of a periodic and asymmetric potential

Molecular Motor Model

Page 20: Aplicaciones de la Paradoja de Parrondo Miguel Arizmendi Fac. Ingeniería Universidad Nacional de Mar del Plata Argentina

Thermodynamics Second Law?Thermodynamics Second Law?

Molecular Motor Model

Can a Net Current J be obtained from Noise?

Thermal Ratchet Model

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Feynman Lectures: Ratchet and Pawl

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Maxwell’s Demon

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i=1 i=2

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Page 25: Aplicaciones de la Paradoja de Parrondo Miguel Arizmendi Fac. Ingeniería Universidad Nacional de Mar del Plata Argentina

Flashing Ratchet Current

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Page 27: Aplicaciones de la Paradoja de Parrondo Miguel Arizmendi Fac. Ingeniería Universidad Nacional de Mar del Plata Argentina

- MA, JR Sanchez and F. Family: - MA, JR Sanchez and F. Family: PLAPLA 249,281 (’98)249,281 (’98) Physica A327Physica A327, 111 (2003), 111 (2003)

Flashing Ratchet Current / Entropy

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Thermal Ratchet:Not a very good molecular motor

model

• Force against viscous loads ~ 2kT/l ~ 1pN << 4-5pN (measured value)

•Diffuses in the right direction half of the time 2 molecules ATP hydrolized in average/step.• 1 step/ATP hydrolized for kinesin

(J. Howard, Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton, Sinauer, 2001)

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Highly diffusive, several ATP molecules hydrolyzed/step

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What about Games?

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win lose

¿Is X(t) a multiple of 3 ?

win lose win lose

Game A Game B

No Yes

: Player’s capital at -th run

(Fair games)

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No Yes

Is X(t) a multiple of 3?

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Average gain of a single player versus time with a value of The simulations were averaged over 50000 ensembles.

300

1

The player, with probability

)1(

Plays game A

Plays game B

Random case

Periodic case The player alternates between game A and B following a given Sequence of plays.

-Amengual y Toral: -Amengual y Toral: 'Transfer of information in Parrondo's games‘'Transfer of information in Parrondo's games‘, , Fluctuation and Noise LettersFluctuation and Noise Letters 5, L63 (2005)

Page 35: Aplicaciones de la Paradoja de Parrondo Miguel Arizmendi Fac. Ingeniería Universidad Nacional de Mar del Plata Argentina

The 2-girl paradox

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Leunberger´s volatility pumping

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How Often does the Parrondo EffectAppear?

G.C. Crisan, E. Nechita, M. Talmaciu, FNL 7, C19 (2007)

Game B (Capital dependent) bpwin :

cpwin :

Capital multiple of M ?

YES

NO

Notation: B: G(M,b,c), Original Parrondo: B: G(3,1/10-ε,3/4-ε)

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How Often does the Parrondo EffectAppear?

Probability that two randomly-chosen losing games A=G(3,a,a), and B=G(3,b,c) generate the triplet (A,B,1/2A+1/2B) that completesParrondo’s Paradox : 0.0306%.Parrondo effect quite unusual!Highest probability: 0.0537% when the mixing parameter α=0.173 andM=4

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Ensemble of interacting players. They chose either game A or game B randomly, i.e., with probability .

Cooperative games

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Reversals of Chance

Ensemble of N interacting players. They choose either game A or game B randomly, i.e., with probability .

2

1winpGame A :

Game B:

winners number

w

Winning Probabilities

w > [2N/3] p1

[N/3]< w ≤[2N/3] p2

w ≤ [N/3] p3

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Reversals of Chance

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Juegos con Memoria

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Matching Models

Consumers with specific wishes – Producers Employers – Job seekers Ph.D. Students - Supervisors

N men N women

Dating Game

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Das and Kamenica IJCAI 2005, 947Two Sided Bandits and the Dating Market

N men N women

Statistical decision model of an agent trying to optimizehis decisions while improving his information at the same time.

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Can Losers do Better?

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Game A:

Random man j Best valued woman i

mod(n)1jj withmatch otherwise

man valued best notj ifotherwise

matchingP

)(

2/1)(

Woman chooses greedily best valued man

Fair game for every man

(sparkling personality)

New Rules for Dating Game

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Game B:

Random man j Best valued woman i

)(N1)mod(j withmatch otherwise

man valued best notj if otherwise

Woman chooses greedily best valued man to match with

/ p and p ,p 32 1

Fair game for every man

Previous averagesparkling personality Trend follower?

New Rules for Dating Game

winners number

w

Winning Probabilities

w > [2N/3] p1

[N/3]< w ≤[2N/3] p2

w ≤ [N/3] p3

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N=4

Results:Parrondo Effect in Total Matches

2/1

Page 49: Aplicaciones de la Paradoja de Parrondo Miguel Arizmendi Fac. Ingeniería Universidad Nacional de Mar del Plata Argentina

Results:Expected Payoff in Loser Matches

Page 50: Aplicaciones de la Paradoja de Parrondo Miguel Arizmendi Fac. Ingeniería Universidad Nacional de Mar del Plata Argentina

N=3N=3 – Mixing Probability of games A and B

2/1

No change for losers

N=3N=3 – Mixing Probability of games A and B

5/1

....ABABAB

....ABBBBA

Losers do worse!

Not losers also do worse!

Results: How Many Players?

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