dissertação

Scaling laws and applications in urban phenomena

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ODS 8: Trabalho decente e crescimento econômico
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Dados abertos

Resumo

As cidades são sistemas complexos nos quais interações sociais, econômicas e espaciais geram padrões robustos, como as leis de escala urbana, que relacionam variáveis ao tamanho populacional por meio de leis de potência; neste trabalho, investigam-se os mecanismos geométricos e interacionais subjacentes a essas leis por meio da combinação de modelagem teórica e análise empírica aplicada a diversas cidades ao redor do mundo. Propõe-se um modelo baseado na probabilidade de interação entre indivíduos, condicionado pela estrutura fractal da infraestrutura urbana e pela distribuição espacial da população, permitindo derivar leis de escala para variáveis socioeconômicas agregadas, como o PIB. No âmbito empírico, estimam-se dimensões fractais da infraestrutura e da população por meio do método Sandbox, complementadas por filtros baseados na Lei de Zipf e em Frentes de Pareto para garantir maior robustez estatística; em seguida, utiliza-se Análise de Componentes Principais (PCA) para identificar padrões dominantes nas relações entre população, área urbana e volume construído. A partir desses resultados, os países são classificados em diferentes regimes de crescimento urbano, caracterizados por distintas combinações de expansão horizontal e vertical, revelando relações com indicadores como PIB per capita e IDH. De modo geral, os achados indicam que a geometria urbana e as interações sociais desempenham papel central na determinação das leis de escala, contribuindo para uma compreensão mais integrada da organização espacial e do desenvolvimento das cidades.

Abstract

Cities are complex systems in which social, economic, and spatial interactions generate robust macroscopic patterns, such as urban scaling laws, which relate variables to population size through power laws; in this work, the underlying geometric and interaction-based mechanisms of these laws are investigated by combining theoretical modeling with empirical analysis applied to a wide set of cities worldwide. A model is proposed based on the probability of interaction between individuals, conditioned by the fractal structure of urban infrastructure and the spatial distribution of the population, allowing the derivation of scaling laws for aggregated socioeconomic variables such as Gross Domestic Product (GDP). Empirically, the fractal dimensions of infrastructure and population are estimated using the Sandbox method, complemented by filters based on Zipf’s law and Pareto fronts to ensure greater statistical robustness; subsequently, Principal Component Analysis (PCA) is employed to identify dominant patterns in the relationships between population, urban area, and built volume. Based on these results, countries are classified into different urban growth regimes, characterized by distinct combinations of horizontal and vertical expansion, revealing relationships with indicators such as GDP per capita and the Human Development Index (HDI). Overall, the findings indicate that urban geometry and social interactions play a central role in determining scaling laws, contributing to a more integrated understanding of the spatial organization and development of cities.

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Área de concentração

Física

Linha de pesquisa

Física Estatística

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MINEIRO, Hudson Vinicios Tavares. Scaling laws and applications in urban phenomena. 2026. 93 p. Dissertação (Mestrado em Física) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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