Heterogeneity in social complex systems [Eterogeneità in sistemi complessi sociali]

This thesis investigates the concept of heterogeneity in two complex systems: the Finnish stock market and the European air transportation system. In both studies we used the Herfindahl-Hirschman index (HHI) as a measure of concentration. Working on the dataset provided by Euroclear Finland, i.e., the Finnish clearing house, we computed the stock portfolios of investors owning stocks listed in the OMX Helsinki all-share index from 2001 to 2024. We used the HHI as a measure of concentration of the portfolios to explore the way each investor chooses to include different stocks and allocate their weight in its portfolio. This approach quantifies the evolution of the heterogeneity of the system. We studied three macro categories such as Finnish households, Finnish institutional investors and foreign investors and how they changed their investment behavior over about 24 years. Focusing on the households, huge in number with respect to all the other market participants, we observe that their distribution of wealth invested in stocks results highly unequal, with ~1% of the investors owning ~50% of the total wealth of stocks. Over time, the average investor is becoming more aware of its choices in terms of money allocation. Looking at the mean concentration of portfolios, it goes down in time, and the HHI distribution grows its dispersion over time. This consideration implies that the number of strategies explored by household investors turns out to be a bit more heterogeneous in recent years. Comparing the average household with the entire category as a whole, we showed that the observed heterogeneity converges into a more balanced portfolio. This result sheds light on two aspects: firstly, the considerable difference in behavior between the average household and the household category as a whole reveals the presence of a certain degree of heterogeneity within the category itself; secondly, the aggregation of concentrated idiosyncratic investors allocates its resources in a less concentrated aggregated portfolio. Moreover, a more detailed analysis showed the same results when the analysis is performed only for men or women investors. When this separate analysis is performed we find that women investors are more concentrated in their portfolios choices than men investors. We also worked on the socio-technical system of network of flights. This network is built by considering the routes for the top 50 airlines in number of flights. We analyzed the daily networks obtained using airports as nodes and flights as links. Airline companies can be classified based on their business model in two main categories: full-service and low-cost airlines. The features characterizing them are present in their operational network, in particular the discriminant is the predominant presence of one or more airports acting as hubs in the case of full-service airlines. In fact, low-cost airlines tends to have a more distributed structure of the network of flights. We also used an adapted version of the HHI to describe the concentration of the degree of nodes of flight networks. Plotting the HHI value for daily networks for several airlines classifies them with respect to their main hubs structure and shows the presence of heterogenous choices of airlines. The analysis of motifs, i.e., subgraphs the network is composed of, allowed to build an unsupervised method for the classification of airlines based on hierarchical clustering. These results show how the underlying structure and features of the airlines networks mirror their business model and, consequently, their classification. The two works give new insights from a complex systems perspective to two different social systems. Studying heterogeneity allows to advance in the understanding of peculiar behaviors, allowing also to categorize the agents in the systems with a more reliable classification.

Questa tesi indaga il concetto di eterogeneità in due sistemi complessi: il mercato azionario finlandese e il sistema di trasporto aereo europeo. In entrambi gli studi abbiamo utilizzato l'Herfindahl-Hirschman index (HHI) come misura di concentrazione. Utilizzando i dati forniti da Euroclear Finland, la società di clearing finlandese, abbiamo calcolato i portafogli azionari degli investitori che possiedono titoli quotati nell'indice OMX Helsinki all-share dal 2001 al 2024. Abbiamo utilizzato l'HHI come misura della concentrazione dei portafogli per esplorare il modo in cui ogni investitore sceglie di includere diversi titoli e di allocarne il peso nel proprio portafoglio. Questo approccio quantifica l'evoluzione dell'eterogeneità del sistema. Abbiamo studiato tre macro categorie, quali gli investitori retail finlandesi, gli investitori istituzionali finlandesi e gli investitori esteri, e il modo in cui hanno modificato il loro comportamento di investimento nell'arco di circa 24 anni. Concentrandoci sugli investitori retail, numerosissimi rispetto a tutte le altre categorie di investitori, osserviamo che la distribuzione della loro ricchezza investita in azioni risulta altamente disomogenea, con circa l'1% degli investitori che possiede il 50% della ricchezza totale investita in azioni. Nel corso del tempo, l'investitore medio sta diventando più consapevole delle proprie scelte in termini di allocazione del denaro. Osservando la concentrazione media dei portafogli, questa diminuisce nel tempo, mentre la distribuzione dell’HHI aumenta la sua dispersione. Questa considerazione implica che il numero di strategie esplorate dagli investitori retail risulta essere un po' più eterogeneo negli ultimi anni. Confrontando l’investitore retail medio con l'intera categoria, abbiamo dimostrato che l'eterogeneità osservata converge verso un portafoglio più equilibrato. Questo risultato fa luce su due aspetti: in primo luogo, la notevole differenza di comportamento tra l’investitore retail medio e la categoria nel suo complesso, rivela la presenza di un certo grado di eterogeneità all'interno della categoria stessa; in secondo luogo, l'aggregazione di investitori idiosincraticamente concentrati alloca le proprie risorse in un portafoglio aggregato meno concentrato. Inoltre, un'analisi più dettagliata ha mostrato gli stessi risultati quando l'analisi viene effettuata solo per gli investitori uomini o donne. Quando si esegue questa analisi separata, si scopre che le donne investitrici sono più concentrate nelle loro scelte di portafoglio rispetto agli uomini. Abbiamo anche lavorato sul sistema socio-tecnico della rete dei voli. Questa rete è stata costruita considerando le rotte delle prime 50 compagnie aeree per numero di voli. Abbiamo analizzato le reti giornaliere ottenute utilizzando gli aeroporti come nodi e i voli come collegamenti. Le compagnie aeree possono essere classificate in base al loro modello di business in due categorie principali: compagnie aeree full-service e low-cost. Gli elementi che le caratterizzano sono presenti nella loro rete operativa, in particolare la discriminante è la presenza predominante di uno o più aeroporti che fungono da hub nel caso delle compagnie aeree full-service. Infatti, le compagnie aeree low-cost tendono ad avere una struttura più distribuita della rete di voli. Abbiamo anche utilizzato una versione adattata dell'HHI per descrivere la concentrazione del grado dei nodi delle reti dei voli. Il grafico del valore dell’HHI per le reti giornaliere di diverse compagnie aeree le classifica rispetto alla struttura dei loro hub principali e mostra la presenza di scelte eterogenee delle compagnie aeree. L'analisi dei motif, cioè dei sottografi di cui è composta la rete, ha permesso di costruire un metodo non supervisionato per la classificazione delle compagnie aeree basato sul clustering gerarchico. Questi risultati mostrano come la struttura e le caratteristiche delle reti delle compagnie aeree rispecchino il loro modello di business e, di conseguenza, la loro classificazione. I due lavori forniscono nuovi approfondimenti, dal punto di vista dei sistemi complessi, su due diversi sistemi sociali. Lo studio dell'eterogeneità permette di progredire nella comprensione di comportamenti peculiari, consentendo anche di classificare gli agenti che costituiscono i sistemi in maniera più affidabile.