复杂网络入门基础

1 欧拉七桥问题

         在哥尼斯堡的一个公园里,有七座桥将普雷格尔河中两个岛及岛与河岸连接起来。问是否可能从这四块陆地中任一块出发,恰好通过每座桥一次,再回到起点?

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欧拉把它转化成一个几何问题,即一笔画问题。他不仅解决了此问题,且给出了连通图可以一笔画的重要条件是:奇点的数目不是0 个就是2 个(连到一点的数目如是奇数条,就称为奇点,如果是偶数条就称为偶点,要想一笔画成,必须中间点均是偶点,也就是有来路必有另一条去路,奇点只可能在两端,因此任何图能一笔画成,奇点要么没有要么在两端).

 2 ER随机图

         匈牙利数学家Erdos和Renyi建立的随机图理论(random graph theory)开创了复杂网路理论的系统性研究。在ER随机图中,任意两个节点之间有一条边相连接的概率都为p。因此,一个包含N个节点得ER随机图中边的总数是一个期望值p[N(N-1)/2]的随机变量。由此可以推得,产生一个含有N个节点和M条边的ER随机图的概率为 。几乎每一个ER随机图都具有某种性质Q,如果当 时产生具有这种性质Q的ER随机图的概率为1。这说明ER随机图的许多重要性质都是突然涌现的;也就是说,对于任一给定的概率p,要么几乎每一个图都具有某个性质Q(比如,连通性),要么几乎每一个图都不具有该性质。

3 小世界模型

         将每个人作为节点,将人与人之间的人际关系(朋友,合作,相识等)作为连结,就建立起一个社会人际网络。有时你会发现,在这样一个社会网络中,某些你觉得与你隔得很“遥远”的人,其实与你“很近”:你很喜欢的一位知名作家的弟弟,其实是你旧时同班同学的男友;你跳槽到的新企业的总裁的侄子,会定期找你一个医生朋友就医;甚至和一个偶遇的陌生人聊天时,你发现你们都参加过某教授的讲座,都认识某餐厅的老板娘等等。你会感叹:“这个世界真小。”对于世界上任意两个人,通过这样第三者、第四者的间接关系来建立联系的话,平均需要多少人呢?

二十世纪60年代,美国哈佛大学社会心理学家斯坦利·米尔格伦(Stanley Milgram)做了一个连锁信实验。他将一些信件交给自愿的参加者,要求他们通过自己的熟人将信传到信封上指明的收信人手里,他发现,294封信件中有64封最终送到了目标人物手中。而在成功传递的信件中,平均只需要5次转发,就能够到达目标。也就是说,在社会网络中,任意两个人之间的“距离”是6。这就是所谓的“六度分隔”理论。

4 网络的图表示

         一个具体网络可以抽象为一个由点集V和边集E组成的图G=(V,E);节点数记为N=|V|,边数记为M=|E|。E中每条边都有V中的一对点与之对应。如果任意点对(i,j)和(j,i)对应同一条边,则该网络成为无向网络(undirected network);否则,称为有向网络(directed network).

5 平均路径长度(特征路径长度characteristic path length)

         网络中任意两个节点i和j之间的距离定义为连接这两个节点的最短路径上的边数。

         网络的直径(diameter):网络中任意两个节点之间的距离的最大值。

网络的平均路径长度L定义为任意两个节点之间的距离的平均值,即其中N为网络节点个数.这个公式不包含节点到自身的距离。

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6 聚类系数

         网络的聚类特性:在你的朋友关系网络中,你的两个朋友可能彼此也是朋友。

         假设一个网络中的一个节点i有条Ki边将它和其它节点相连,这个Ki节点就成为节点i的邻居。显然,Ki个节点间最多有  Ki*(ki-1)/2条边。在Ki个节点之间实际存在的边数Ei和总的可能的边数 Ki*(ki-1)/2之比就定义为节点i的聚类系数Ci.


其中与节点i相连的三元组是指包括i在内的三个节点,并且至少存在从节点i到其它两个节点的两条边。

         整个网络的聚类系数C就是所有节点i的聚类系数的平均值。

         C=0;说明所有的节点都是孤立节点。

         C=1;说明网络是全局耦合的,即任意两个节点都相连。





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