绪论
网络由点和边构成,点表示系统中的元素,边表示元素之间的相互作用。复杂网络描述现实世界中各式各样的系统。近年来复杂网络成为研究热点,呈现广阔的前景,涉及生命科学,工程技术,经济管理等多个领域
1、复杂网络的研究背景
我们生活在复杂网络中,例如,在社会系统中,人与人之间的相互关系构成了朋友圈;在科学领域,学术论文的引用关系可以描述为引文网络;在生态系统中,食物链网能量化物种之间的相互作用;在现实社会中,电力网络、航空网等基础设施网络发挥着举足轻重的作用,万维网和国际互联网的影响也是不可估量,而我们体内蛋自质之间的相互反应组成了蛋白质相互作用网络,直接关系到人体的新陈代谢是否正常。
计算机的数据采集和计算能力等性能的提高使研究者可以涉猎庞大、复杂的系统。科学家致力于探索复杂网络的动力学行为、演化机制和结构功能。人们引入几个度量标准来刻画网络的统计属性:平均路径一长度( Average path length)来度量网络的连通性;集群系数(Clustering coefficient)反映网络的群聚特性;度相关性(Degrcccoefficient}用来衡量网络日,节点之间的连接关系;适应度(fitness)可以表征网络’卜节点固有的竞争能力等。
大量的实证研究2, 8,18, 19发现,大多数实际网络具有如下几个共同特征
(1)复杂性:网络的规模庞大,结构复杂。
(2)随机性:网络的演化过程不可避免地带有随机性,节点之间是否连接不是完全确定的。
(3)动态性:网络是开发的系统,通过增加新节点和新边,实现网络的增长。
(4)小世界效应:虽然网络规模很大,但是任意两个节点之间存在短路径,而且网络的平均路径长度随着网络的节点数增加呈对数增长,并且有明显的群聚倾向。
(5)无标度效应:大多数实际网络具有幂律度分布,存在极少数中枢点具,且节点之间度相关。
(6)鲁棒性:随机去除占大多数比例但拥有少数连接边的一些节点,不会对网络的拓扑结构产生重大的影响。
最初研究复杂网络是为了了解疾病在网络上的传播机制。经过漫长的认识、摸索,直至小世界网络和无标度网络的提出,复杂网络的研究进入一个崭新的阶段。复杂网络具有重要实际意义,例如,如何阻止计算机病毒在万维网上传播,如何防止黑客攻击互联网,如何设计有较强抗干扰能力的航空网、电力网等基础设施网络,如何有效利用有限的疫苗防治S}1RS, HIN1等传染病。未来的研究还将面临建立系统的方法论、寻找有限的数学工具,缺乏网络结构普遍的组织原则等诸多难题。
2、随机游动的研究背景
随机游动的研究历史悠久,最早见于赌博问题。通常用随机游动来描述赌徒在赌博过程中财富的变化,举个例子,设一个拥有财富为k的甲赌徒和一个拥有无限财富的乙赌徒进行赌博,甲赌徒每局赢一个单位财富的概率为,输的概率为1一pk,以x。表示经过n局后甲赌徒的财富,随机过程X。表示一个随机游动。
随机游动不仅可以描述赌博模型,而且可以刻画扩散粒子运动过程。1827年,英国植物学家布朗观察到液体中的小颗粒不停地进行无规则运动 1905年,爱因斯坦假设观察到的粒子受周围分子不停地碰撞,由物理定律导出这个现象的数学描述布朗运动是一个对称随机游动。
第1章 引言........ 9-17
1.1 网络的统计特征........ 9-10
1.2 度分布的计算........ 10-13
1.3 复杂网络的研究........ 13-17
第2章 具有四边形的人际........ 17-21
2.1 演化模型........ 17
2.2 解析分析........ 17-21
第3章 具有双向选择........ 21-25
3.1 演化模型........ 21
3.2 解析分析........ 21-25
第4章 医生与药物........ 25-31
4.1 演化模型........ 25-26
4.2 理论分析........ 26-31
第5章 结论与展望........ 31-33
结论与展望
在简单规则下,自然界可以呈现复杂结构,而在复杂背景下,自然界可以遵循简单定律。实际网络的演化过程并非完全随机,如何探索复杂系统的演化机制和动力学行为实证研究表明,许多实际网络具有高集群、短路径和幂律分布特征。人们建立各种网络的演化模型来模拟实际网络,虽然模型或多或少都有一点差距,但是推动了复杂网络的研究。
本文主要将随机游动应用于无标度网络的建模,提出三个有实际意义的网络演化模型,并加以理论分析。
参考文献
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