Análise estrutural de redes complexas modulares por meio de caminhadas auto-excludentes

Autor: Bagnato, Guilherme de Guzzi
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2018
Předmět:
Druh dokumentu: Tese de Doutorado
Popis: O avanço das pesquisas em redes complexas proporcionou desenvolvimentos significativos para a compreensão de sistemas complexos. Uma rede complexa é modelada matematicamente por meio de um grafo, onde cada vértice representa uma unidade dinâmica e suas interações são simbolizadas por um conjunto de arestas. Para se determinar propriedades estruturais desse sistema, caminhadas aleatórias tem-se mostrado muito úteis pois dependem apenas de informações locais (vértices vizinhos). Entre elas, destaca-se o passeio auto-excludente (SAW) que possui a restrição de não visitar um vértice que já foi alcançado, ou seja, apresenta memória do caminho percorrido. Por este motivo o SAW tem apresentado melhores resultados do que caminhantes sem restrição, na exploração da rede. Entretanto, por não se tratar de um processo Markoviano ele apresenta grande complexidade analítica, tornando indispensável o uso de simulações computacionais para melhor compreensão de sua dinâmica em diferentes topologias. Mesmo com as dificuldades analíticas, o SAW se tornou uma ferramenta promissora na identificação de estruturas de comunidades. Apesar de sua importância, detecção de comunidades permanece um problema em aberto devido à alta complexidade computacional associada ao problema de optimização, além da falta de uma definição formal do significado de comunidade. Neste trabalho, propomos um método de detecção de comunidades baseado em SAW para extrair uma estrutura de comunidades da rede otimizando o parâmetro modularidade. Combinamos características extraídas desta dinâmica com a análise de componentes principais para posteriormente classificar os vértices em grupos por meio da clusterização hierárquica aglomerativa. Para avaliar a performance deste novo algoritmo, comparamos os resultados com outras quatro técnicas populares: Girvan-Newman, Fastgreedy, Walktrap e Infomap, aplicados em dois tipos de redes sintéticas e nove redes reais diversificadas e bem conhecidas. Para os benchmarks, esta nova técnica produziu resultados satisfatórios em diferentes combinações de parâmetros, como tamanho de rede, distribuição de grau e número de comunidades. Já para as redes reais, obtivemos valores de modularidade superior aos métodos tradicionais, indicando uma distribuição de grupos mais adequada à realidade. Feito isso, generalizamos o algoritmo para redes ponderadas e digrafos, além de incorporar metadados à estrutura topológica a fim de melhorar a classificação em grupos.
The progress in complex networks research has provided significant understanding of complex systems. A complex network is mathematically modeled by a graph, where each vertex represents a dynamic unit and its interactions are symbolized by groups of edges. To determine the system structural properties, random walks have shown to be a useful tool since they depend only on local information (neighboring vertices). Among them, the selfavoiding walk (SAW) stands out for not visiting vertices that have already been reached, meaning it can record the path that has been travelled. For this reason, SAW has shown better results when compared to non-restricted walkers network exploration methods. However, as SAW is not a Markovian process, it has a great analytical complexity and needs computational simulations to improve its dynamics in different topologies. Even with the analytical complexity, SAW has become a promising tool to identify the community structure. Despite its significance, detecting communities remains an unsolved problem due to its high computational complexity associated to optimization issues and the lack of a formal definition of communities. In this work, we propose a method to identify communities based on SAW to extract community structure of a network through optimization of the modularity score. Combining technical features of this dynamic with principal components analyses, we classify the vertices in groups by using hierarchical agglomerative clustering. To evaluate the performance of this new algorithm, we compare the results with four other popular techniques: Girvan-Newman, Fastgreedy, Walktrap and Infomap, applying the algorithm in two types of synthetic networks and nine different and well known real ones. For the benchmarks, this new technique shows satisfactory results for different combination of parameters as network size, degree distribution and number of communities. As for real networks, our data shows better modularity values when compared to traditional methods, indicating a group distribution most suitable to reality. Furthermore, the algorithm was adapted for general weighted networks and digraphs in addition to metadata incorporated to topological structure, in order to improve the results of groups classifications.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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