复杂网络研究简介
复杂网络研究
复杂网络研究复杂网络指的是由大量节点和连接构成的网络，其中节点和连接之间的关系可能非常复杂。
复杂网络研究主要是研究网络的结构和性质，以及网络的功能和行为。
下面将介绍复杂网络研究的基本内容。
一、复杂网络的结构和性质研究复杂网络的结构主要包括节点之间的连接方式和连接的强度。
研究者通过统计网络中节点的度分布、聚集系数、平均路径长度等指标来描述和研究网络的结构。
例如，度分布指的是某个特定度的节点在网络中的数量，通过分析度分布可以揭示网络中节点的联系方式。
此外，复杂网络还有一些特殊的结构特性，如小世界和无标度网络。
小世界网络指的是网络中任意两个节点之间的距离很短，通过少数几步就可以相互连通。
无标度网络指的是网络中存在少数节点连接数非常高，而大多数节点连接数较低。
这些特殊的结构特性对于网络的传播和稳定性有重要影响，因此研究复杂网络结构和性质对于了解网络行为具有重要意义。
二、复杂网络的功能和行为研究复杂网络的功能和行为研究主要是研究网络中节点的相互作用和传播过程。
研究者通过研究网络中的动力学过程，如信息传播、意见形成、疾病传播等，来揭示网络的行为和功能。
网络中节点的相互作用是指节点之间通过连接传递信息和影响行为的过程。
例如，在社交网络中，人们通过连接与朋友、同事等进行信息交流和社交活动。
节点之间的相互作用对于信息传播和影响有重要影响，因此研究网络中节点之间的相互作用对于了解网络行为具有重要意义。
网络中信息的传播过程也是复杂网络研究的一个重要方向。
研究者通过模拟和分析网络中信息的传播过程，例如疾病传播模型、意见传播模型等，来揭示网络中信息传播的规律和机制。
这对于预测和控制网络中信息的传播具有重要意义，例如在疫情预测和社交媒体传播中的应用。
总之，复杂网络研究主要关注网络的结构和性质，以及网络的功能和行为。
通过研究网络的结构和性质，可以了解网络的联系方式和特殊结构；通过研究网络的功能和行为，可以了解网络中节点的相互作用和信息传播过程。
网络科学中的复杂网络研究
网络科学中的复杂网络研究随着互联网技术的不断发展，人们的生活方式和工作方式也在发生着巨大的变化。
同时，人们对于互联网的极度依赖也使得网络科学变得越来越重要。
网络科学是一门研究网络结构、行为和演化的学科，其中复杂网络研究是网络科学中的重要方向之一。
本文将探讨网络科学中的复杂网络研究。
一、复杂网络的定义复杂网络是指由大量节点（node）和连接（link）构成的一种网络结构。
在复杂网络中，节点可以代表不同的事物，如人、公司、物品等，而连接则代表节点之间的关系，如交互、联系、传递等。
复杂网络的结构往往是非常复杂的，节点和连接数量很大，而且连接关系存在着很多的变化和不确定性。
二、复杂网络的特征复杂网络具有许多独特的特征，其中比较重要的特征包括：1.小世界性：复杂网络的节点之间往往会形成一些短路径，这些短路径将整个网络连接在了一起。
这种现象称为小世界性。
小世界性意味着网络的信息传递能力很强。
2.无标度性：复杂网络中的节点往往分布不均匀，只有少数节点连接了大量的其他节点，而大多数节点只连接了少量的节点。
这种现象称为无标度性。
无标度性意味着网络的节点之间存在着重要的枢纽节点。
3.聚集性：复杂网络中的节点往往呈现出聚集集中的现象，这些节点之间存在着很多的三角形连接关系。
这种现象称为聚集性。
聚集性意味着网络的节点之间存在着很多的社区结构。
三、复杂网络的研究方法复杂网络的研究方法主要包括两类，一类是基于统计物理学的方法，另一类是基于图论的方法。
基于统计物理学的方法通常用于描述网络中的相变现象，如网络的阈值、相等温转变等。
而基于图论的方法通常用于描述网络中节点之间的联系和关系，如节点之间的距离、聚集系数等。
四、复杂网络的应用复杂网络的应用非常广泛，其中比较重要的应用包括：1.社交网络分析：通过对社交网络进行复杂网络分析，可以深入了解社交网络中的节点之间的关系、信息传播和社区结构等。
2.互联网搜索引擎：搜索引擎可以通过对互联网进行复杂网络分析，提高搜索的效果和精度。
复杂网络科学的研究进展及应用
复杂网络科学的研究进展及应用随着科学技术的发展，人类对于复杂网络科学的研究也越来越深入，并在各种领域得到了广泛的应用。
本文将简要介绍复杂网络科学的概念，研究方法和应用领域。
一、什么是复杂网络科学复杂网络科学是研究网络结构、功能和演化规律的学科，它涵盖了很多方面，包括物理学、计算机科学、数学、生物学、社会学等多个学科。
它所研究的网络包括社交网络、物质传输网络、生物网络等多种类型。
复杂网络的特点是节点之间存在复杂的联系，网络结构存在复杂的拓扑结构和模式。
复杂网络具有刻画网络结构、预测网络演化、控制网络活动等方面应用价值。
同时，复杂网络也是智能科学、生命科学、计算科学等多个学科的重要基础和工具。
二、复杂网络的研究方法复杂网络科学的研究方法主要有两种：统计描述和建模仿真。
统计描述是指通过统计手段对网络的拓扑结构和特征进行描述和分析。
例如，度分布、聚类系数、介数中心性等指标可以有效地反映网络的特征和规律。
建模仿真是指通过建立模型对网络的演化过程和行为进行分析和预测。
例如，随机网络模型、小世界网络模型、无标度网络模型等可以模拟各种复杂网络，并对其动态演化进行探究。
三、复杂网络的应用领域复杂网络科学在各种领域都有广泛的应用。
以下是几个典型的应用领域：1.社交网络社交网络是目前复杂网络应用最为广泛的领域之一。
社交网络的研究和应用，主要包括如何对网络中个体的行为和关系进行建模和分析，以及如何利用这些模型来进行推荐、广告投放、舆情监控等。
例如，Facebook、Twitter等社交媒体平台利用用户在平台上的活动行为和关系，实现了精准推荐和广告投放。
同时，社交网络在疫情和自然灾害等重大事件中，也发挥了巨大的作用。
2.生物网络生物网络是指生命体内的各种关系网络。
生物网络的研究和应用，主要包括对基因表达、蛋白质相互作用、代谢途径等方面的分析和建模。
例如，对基因表达网络的研究，可以为肿瘤等疾病的诊断和治疗提供一定的参考。
同时，生物网络建模还可以为人工生命、分子计算等领域提供灵感和指导。
网络科学中的复杂网络理论
网络科学中的复杂网络理论网络科学是一门涵盖计算机科学、数学、物理学等多个学科的交叉学科，其研究的对象是网络，包括社交网络、物流网络、电力网络、金融网络等。
在网络科学的研究中，复杂网络理论是一个重要的分支，它能够帮助我们理解网络的特性和行为。
本文将从复杂网络的概念、网络拓扑结构、网络动力学、网络优化等方面介绍复杂网络理论。
一、复杂网络的概念复杂网络是由许多节点和边组成的网络，节点和边之间的关系可以是同性的或异性的，也可以是有向的或无向的。
复杂网络中的节点可以是人、公司、电力系统中的发电站等，边可以表示这些节点之间的联系，如社交网络中的朋友关系、电力系统中的输电线路等。
由于网络中的节点和边是多种多样的，所以复杂网络具有超过简单网络的复杂性和多样性。
复杂网络理论研究的是网络的结构和行为，通过分析网络节点和边之间的关系，可以揭示网络中的规律和特性。
复杂网络理论已被应用于许多领域，如社交网络分析、流行病模型、交通优化、生物信息学等。
二、网络拓扑结构网络的拓扑结构是指节点和边之间关系的模式，包括邻接矩阵、度分布、聚类系数、路径长度等几个方面。
1. 邻接矩阵邻接矩阵是一个方阵，其中的行和列分别对应网络的节点，矩阵中的元素为1表示对应节点之间有一条边，为0则表示没有边相连。
邻接矩阵是表示网络拓扑结构最简单的方式，但对于大规模网络，其密集的矩阵往往需要大量的存储空间，使得计算和分析变得困难。
2. 度分布节点的度是指该节点连接的边数。
度分布是一个度数与节点数量或概率的关系图，可以揭示网络节点之间关系的多样性。
常见的度分布包括泊松分布、幂律分布等。
幂律分布是指在一个网络中存在很少的高度连接的节点，多数节点的度数较低，这称为“无标度网络”。
无标度网络中的少数节点有着重要的作用，称为“超级节点”，它们是网络中的枢纽或关键节点。
3. 聚类系数聚类系数是指一个节点的邻居之间相互之间已经连接的比例。
聚类系数越高表示该节点的邻居之间越紧密。
复杂网络的性质及研究进展
复杂网络的性质及研究进展随着互联网技术的进步，现代社会中出现了大量复杂网络。
复杂网络是一类由大量节点和连接构成的复杂结构，如社交网络、互联网、物流网络等。
复杂网络中的节点可以是人、机器、城市、物品等，节点间的连接可以是关系、交易、信息传递等。
复杂网络的性质及研究进展成为当前网络科学热门话题。
一、复杂网络的性质复杂网络具有许多独特的性质。
其中最著名的是小世界现象和无尺度性。
小世界现象指的是在相对较少的步数内，两个节点间可以通过少量的中间节点相互连接。
这个现象源于节点个数巨大的复杂网络中所存在的“短路”现象。
无尺度性则指的是复杂网络中存在少数节点拥有极高的度数，这些度数相对较低的节点则占据大多数。
这个现象发生的原因是特定节点的度数与网络结构有关，而网络结构可以不断扩大，使得度数与网络尺寸成幂律分布。
另外，复杂网络还具有同配性和社团结构这些特征。
同配性指的是节点之间存在相似的连接方式。
也就是说，度数大的节点会与度数大的节点相连，而度数小的节点会与度数小的节点相连。
在社交网络中，身份地位相近的人之间也会有相似的交际方式。
社团结构则指的是节点在网络中的归属群体。
网络社团结构不仅有助于分析节点间的关系，而且有助于我们更好地理解复杂网络的拓扑性质。
二、复杂网络研究进展近年来，复杂网络的研究取得了非常显著的进展。
1. 复杂网络模型为了更好地研究复杂网络，科学家提出了一些复杂网络模型。
比较常用的模型有随机图模型、小世界模型、无尺度网络模型等。
这些模型的提出极大地推动了复杂网络的研究，使得我们能够更加深入地理解复杂网络的性质和演化规律。
2. 复杂网络在社会与生命科学中的应用复杂网络不仅被广泛应用于计算机科学领域，而且在社会网络与生命科学领域也有着广泛的应用。
例如，社交网络分析被广泛应用于研究社交关系、信息传播和个人信任等问题；基因调控网络分析被应用于研究生物调控机制和疾病发生机理等重要问题。
复杂网络为社会与生命科学领域的研究提供了一个全新的视角，使得我们能够更加全面地了解问题背后的本质。
复杂网络的动力学研究
复杂网络的动力学研究随着网络技术的日益发展，网络系统正变得愈加复杂。
网络中的节点和连接不仅数量庞大，而且还存在着各种不稳定和随机性，使得其行为表现出各种复杂特征。
复杂网络动力学研究就是对这些复杂网络系统进行研究和探索的学科。
一、复杂网络概述复杂网络是指由大量节点和连接组成的网络系统，其拓扑结构分布无序、随机，并且存在着较强的动态变化性和性能异质性。
复杂网络系统包括社交网络、交通网络和生物网络等。
在复杂网络中，每个节点代表一个实体，连接表示实体之间的关系。
复杂网络中的节点和连接数量可以是任意的，拓扑结构可以是随机的、规则的、分形的、层次的或具有自相似性的。
二、复杂网络动力学复杂网络动力学是研究复杂网络系统中的节点之间以及节点与连接之间的相互作用和大规模行为规律的学科。
在这个领域中，人们关注的是如何描述和预测网络中各个节点的运动、状态和发展趋势，以及分析网络中节点之间以及节点与连接之间的相互作用。
网络中的动力学模型通常包括节点动力学模型和连接动力学模型。
在节点动力学模型中，每个节点的状态和行为受到其邻居节点和外部输入的影响。
连接动力学模型描述了连接的动态演化和改变。
三、复杂网络动力学研究现状在复杂网络动力学研究领域中，人们尝试建立各种数学模型和理论，以分析和预测复杂网络的行为。
其中，著名的模型包括：1. 随机网络模型：基于随机化方法建立的复杂网络模型，包括随机图、随机网络等。
2. 小世界网络模型：模拟现实社交网络的经验法则建立的模型，包括沃茨-斯特罗格兹模型等。
3. 无标度网络模型：与生物网络的拓扑结构相似的复杂网络模型，包括巴拉巴西-阿尔伯特模型等。
此外，人们还研究了复杂网络系统的同步现象、群体行为、稳定性和控制策略等方面的问题。
在这些研究中，人们使用复杂网络动力学模型和数学方法，以及计算机仿真和实验研究等手段进行分析。
四、复杂网络动力学的应用复杂网络动力学已经被广泛应用于各个领域，包括社交网络、物理学、化学、生物学、交通运输和互联网等。
复杂网络简要介绍
复杂网络简要介绍复杂网络是一种用于描述复杂系统中各种元素（节点）之间相互关系和连接模式的数学和图论模型。
复杂网络的研究领域涵盖了多种学科，包括物理学、计算机科学、社会学、生物学等，它们用于分析和理解各种真实世界复杂系统，如社交网络、生物网络、大气环流系统、互联网、蛋白质相互作用网络等。
复杂网络的特征和性质通常包括以下几个方面：节点和边：复杂网络由一组节点（或顶点）和连接这些节点的边（或链接）组成。
节点代表系统中的个体、元素或实体，边表示节点之间的相互关系、连接或交互。
度分布：复杂网络中的节点通常具有不同数量的连接，这被称为节点的度。
度分布描述了网络中不同节点的度数分布模式，例如是否存在高度连接的节点（所谓的“中心节点”）。
小世界性质：复杂网络中的节点通常以较短的路径相互连接，这被称为“小世界性质”，研究表明即使在大型网络中，节点之间的通信路径也相对较短。
社区结构：复杂网络中的节点通常会自发地形成一些具有内部紧密连接的子群，被称为社区。
社区结构有助于理解网络中的模块化和集团性质。
无标度性：复杂网络的度分布通常呈现无标度性质，这意味着只有少数节点具有极高的度数，而大多数节点具有较低的度数。
自组织性：复杂网络通常表现出自组织性，即它们的全局结构和性质是由局部节点之间的局部规则和相互作用自发形成的。
鲁棒性：复杂网络通常具有一定的鲁棒性，即它们能够在一定程度上抵抗节点故障或攻击而保持功能完整性。
复杂网络的研究旨在揭示各种系统之间的共性和特殊性质，并通过网络模型和分析方法来探讨这些系统的结构、功能和演化。
这种研究对于理解真实世界中的复杂系统行为、信息传播、社交动态、生物互动等方面具有广泛的应用。
2。
复杂网络概述
大家好
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三、复杂网络的结构模型
小世界网络
大家好
27
三、复杂网络的结构模型
小世界网络
C(p) : 平均聚集系数 L(p) : 平均最短路径
大家好
28
• 算法来源
PageRank算法
通过人工进行网页 分类并整理出高质 量的网站
计算用户查询关键 词与网页内容的相 关程度来返回搜索 结果
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大家好
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作战体系节点重要性分析
机械化战争时代, 在通信手段和 指挥控制手段受限的情况下, 作 战体系, 形成了一种树状结构。
随着指挥信息系统的功能越来越
强，作战体系任何两个节点之间
均可以根据需要建立联系，逐步
形成网络化结构。
大家好
35
作战体系节点重要性分析
•作战体系结构的网络描述
依据复杂网络理论, 可以定义作战 体系由节点集合 V 和 边 集 合 E 组 成 的 图 G = (V , E) 。其中, V = {v1,v2 ,…,vn}, 代表组成作 战体系的指挥控制节点、预警侦察 节点（包括战场态势信息源节点和 目标信息源节点）、攻防交战节点 等； E ={e1,e2 ,…,em}, 代表节点之间信息传递关系。
） 目
（3 K 4(K
2） 1)
Lnc（ N1/2） Nm /122m/k2 Nk
一般情况下, 聚集系数较大, 平均最短路径较长。
最近邻耦合网络
大家好
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三、复杂网络的结构模型
随机网络
（1）初始化: 给定N个节点以及连边概 率p
（2）随机连边:
①选择一对没有边相连的不同的节点。
②生成一个随机数r
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∑d
i> j
ij
d12 = 1
d13 = 1 d 23 = 1
d14 = 2 d 24 = 1 d 34 = 2
d15 = 1 d 25 = 2 d 35 = 2 d 45 = 3
Total = 16 Average:
L = 16 / 10 = 1.6
聚类系数
• 一个网络的聚类系数 C满足:
0<C<1
规则网络
(a) 完全连接;
(b) 最近邻居连接;
(c) 星形连接
规则网络
... ...
(d) Lattice
(z) Layers
随机图理论
• 随机图论 - Erdös and Rényi (1960) • ER 随机图模型统治四十余年…… 直到今天 …… • 当今大量可获取的数据＋高级计算工具，促使人们 重新考虑随机图模型及其方法
“图论之父”
看作4个节点，7条边的 图
路必须有起点和终点。 一次走完所有的桥，不重复，除起点与终点外，其余点必须有偶数 条边，所以七桥问题无解。 1875年, B 与 C 之间新建了一条桥解决了该问题！☺
Euler 对复杂网络的贡献
Euler 开启了数学图论，抽象为顶点与边的集 合 图论是网络研究的基础 网络结构是理解复杂世界的关键
电信网络
(Stephen G. Eick)
美国航空网
世界性的新闻组网络
(Naveen Jamal)
生物网络
人际关系网络
复杂网络概念
• • • • • • 结构复杂：节点数目巨大，网络结构呈现多种不同特征。 节点多样性：同一网络中可能有多种不同的节点。 连接多样性：节点之间的连接权重存在差异，且有可能存在方向性。 网络进化：表现在节点或连接的产生与消失。例如WWW，网页或链 接随时可能出现或断开，导致网络结构不断发生变化。 动力学复杂性：节点集可能属于非线性动力学系统，例如节点状态随 时间发生复杂变化。 多重复杂性融合：即以上多重复杂性相互影响，导致更为难以预料的 结果。例如，设计一个电力供应网络需要考虑此网络的进化过程，其 进化过程决定网络的拓扑结构。当两个节点之间频繁进行能量传输时， 他们之间的连接权重会随之增加，通过不断的学习与记忆逐步改善网 络性能。 复杂网络简而言之即呈现高度复杂性的网络。
Node-1 has 1 complete triangle and 3 triangular graphs, so C(1) = 1/3 Node-2 has 1 complete triangle and 3 triangular graphs, so C(2) = 1/3 Node-3 has 1 complete triangle and 1 triangular graph, so C(3) = 1 Node-4 has 0 complete triangles, so C(4) = 0 Node-5 has 0 complete triangles, so C(5) = 0
Konigsberg 七桥问题
Can one walk across the seven bridges and never across the same one twice? --- No! (Proved by Euler in 1736)
Leonhard Euler (1707-1783)
小世界网络是描述 Internet 的较好模型
3. 科研合作网
• Pál Erdös (1913-1996)
• Oliver Sacks: "A mathematical genius of the first order, Paul Erdös was totally obsessed with his subject - he thought and wrote mathematics for nineteen hours a day until the day he died. He traveled constantly, living out of a plastic bag, and had no interest in food, sex, companionship, art - all that is usually indispensable to a human life." (Paul Hoffman, 1998)
2. Internet
• 平均距离
– L = 4.0 – ER 随机图模型: L = 10 (太大) – Internet 是小世界网络
• 度分布
– 幂指数分布: P(k) ~ k^{-γ}, γ = 2.2 – Internet 是一个 scale-free 网络
• 聚类系数
– C = 0.3 – ER 随机图模型: C = 0.001 (太小)
N=20
K=4
p=0.075
BA无标度网络模型 Barabasi-Albert(B-A)模型
无尺度网络形成的两个基本机制： (1)增长。 ki (2)优先连接。 Π ( k i ) = ∑ k
j j
B-A 模型的构建
ki Π (ki ) = ∑ k
j
j
(1) 增长：在初始时刻，假定系统中已有m0个点，在 以后的每一个时间步长中，我们新增一个度为m的点 (m<=m0)，这m条边连向网络中已经存在的m个不同的点。 (2)优先连接：当我们在原来网络中选择一些点被新 增加的边连结时，这些点被连结的概率与这些点自身的 度的大小成正比。比如度为Ki的点i 被新增点连结的概 4 4 率为： 2 2 2 2
p , a new node is added into the network
(ii) 增加新连接 (偏好性): The new node has m ( m ≤ m0 ) new links to the already
existing nodes in the network with probability
小世界网络
特征:
(Similar to ER Random Graphs)
» 齐次性: 每个节点有大约相同 的连接数 » 节点不增加
Scale-Free 网络
(isi-Albert, Science, 1999)
由初始给定的一个具 m0个节点的网络开始
最短路径
• 节点 n 与 m的 距离 d(n,m) = 连接他们的最短路径的长度 • 直径 D = max{d(n,m)} • 平均距离 L = 所有 d(n,m)的平均数 • 大部分复杂网络有小的平均距离 L 小世界特征
例子:
一个具5个节点5个连接的网络:
.
L=
1 1 N ( N − 1) 2
• Kevin Bacon游戏
– – – – Kevin Bacon美国著名演员 任意一个演员与Bacon一起演过电影则其Bacon数为1. 平均Bacon数为2.944. 周星驰的Bacon数是3.
• Erdös数
Granovetter弱连接的强度
• 人们在寻找工作时，关系紧密的朋友(强连 接)反倒没有那些关系一般甚至只是偶尔见 面的朋友(弱连接)更能发挥作用 • 《Strength of Weak Ties》发表在《美国社 会学》，有史以来最有影响的社会学论文 之一
•
复杂网络研究简史
• • • • • • 1736 Euler 七桥问题 1959 Erdos, Renyi 随机图理论 1967 Milgram 小世界实验 1973 Granovetter 弱连接的强度 1998 Watts, Strogatz 小世界模型 1999 Barabasi, Albert 无标度网络
复杂网络研究简介
童超 tongchao@ 北航计算机学院
内容
• • • • • 复杂网络概念 复杂网络研究简史 复杂网络结构统计特性 网络拓扑模型构建 复杂网络应用
Internet
(K. C. Claffy)
万维网World Wide Web（WWW）
(William R. Cheswick)
ki + 1 ∏ ( ki ) = ∑ (k j + 1)
j
Scale-Free 网络
特征:
» 连通性: 幂指数分布 » 非齐次性: 很少的节点有很多连 接，很多节点只有很 少的连接 » 节点数增加
(Hawoong Jeong)
复杂网络结构统计特性
• 最短路径长度 • 聚类系数 • 度与度分布
(Stephen G. Eick)
近年来的重大发现
• 小世界效应 (Watts and Strogatz,
Nature, 1998)《Collective Dynamics of ‘Small-World’ Networks》
Scale-Free 特征 (Barabási and Albert,
Science, 1999)《Emergence of Scaling in Random Networks》
– Our Erdös Number is ？: • Erdös had a (scale-free) small-world network of mathematical research collaboration
网络拓扑模型构建
• • • • WS小世界模型 BA无标度网络模型 适应度模型 局域世界演化模型构造
• 完全随机网络: P(k) ~ Poisson 分布
无标度网络度分布
• 大部分网络: P(k) ~ k^{-γ} (幂指数率) – scale-free 特征
P(k) ~k-3
几个简单例子
•
World Wide Web Internet Scientific Collaboration Network