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1 社会における様々なネットワーク 岡山情報通信技術研究会岡山大学大学院自然科学研究科高橋規一 5 年 月 8 日 インターネット World Wide Web ツイッター 電力線網 航空路線網 神経回路網 知人関係 ( 人と人のネットワーク ) アメリカの電力線網 United Airlines の路線図

2 ネットワークはつながり方が重要 インターネット 遠隔地のコンピュータに一瞬でアクセス コンピュータウィルスの拡がり 電力線網 安定な電力供給 大停電の発生 知人関係のネットワーク うわさ ( 口コミ ) や伝染病の拡がり 航空機の路線 羽田 成田の国際ハブ空港化 脳内の神経回路網 人間の記憶メカニズム 複雑ネットワーク科学とは 現実社会にある様々なネットワークに共通の性質 ( つながり方 ) とその生成メカニズムを明らかにしたい 様々な現象の発生メカニズムの理解 AIDSやSARSはどのようにして拡がったのか? ヒット商品を生み出す効率的な宣伝方法は? 安全または効率的なネットワークの設計 コンピュータウィルスに強いネットワークを構築するには? 5 6 グラフ理論の起源 ケーニヒスベルグの問題 ブレーゲル川に架けられた 7 つの橋を一度ずつ通る経路は存在するか? 736 年に Leonhard Euler がグラフを用いて解決 グラフの数学的表現 グラフ : 頂点集合 : 辺集合 例,,3,4,,,,,4,,3,,3,,4, 3,4 以下では単純無向グラフだけを考える 単純 : 自己ループや多重辺がない 無向 : すべての辺は向きをもたない

3 グラフの数学的表現 ( 続き ) Erdős Rényi のランダムグラフ つの頂点, を結ぶ辺が存在するとき と は隣接している ( 頂点, は辺, に接続している ) 次数 : 頂点 に接続している辺の本数 道 : 辺の列,,,,,, ( ただし,,, はすべて異なる ) 辺の本数を道の長さ 頂点間距離, : 頂点 から への最短路 ( 道 ) の長さ ( 道がなければ ) 頂点 から 5 への最短路,5 3 頂点の組のそれぞれに対して, 確率で辺を張る という規則で生成されるグラフ (Erdős& Rényi 959) 9 Paul Erdős (93 996) ハンガリー出身の数学者 数論, 組み合わせ論, グラフ理論 生涯に5 篇あまりの論文を発表 ( そのうち57 篇が共著 ) 日 9 時間数学の問題に没頭 アンフェタミンを常用 伝記 放浪の天才数学者エルデシュ ErdősNumber(Erdős 自身は, 共著者は, 共著者の共著者は ) My Erdős Number is 4!. P. Diaconis and P. Erdős, On the distribution of the greatest common divisor, Technical Report, Stanford University, S. Boyd, P. Diaconis and L. Xiao, Fastest mixing Markov chain on a graph, SIAM Review, vol.46, no.4, pp , S. Boyd and L.O. Chua, Uniqueness of a basic nonlinear structure, IEEE Transactions on Circuits and Systems, vol.3, no.9, pp , N. Takahashi and L.O. Chua, On the complete stability of nonsymmetric cellular neural networks, IEEE Transactions on Circuits and Systems I, vol.45, no.7, pp , 998. Erdős Diaconis Boyd 3 Chua 4 Takahashi ポール エルデシュ

4 社会学者 Milgram の実験 (967 年 ) 6 通の手紙 出発地点 ネブラスカ州オマハ カンザス州ウィチタ 受取人 マサチューセッツ州シャロンに住む神学部大学院生の妻 ボストンに住む株式仲買人 出発地点と目標地点 ネブラスカ州オマハ カンザス州ウィチタ マサチューセッツ州シャロン マサチューセッツ州ボストン 何人を経由して受取人に手紙が届くか? 年当時のアメリカ合衆国の人口 : 億人 4 スモールワールド 平均頂点間距離 Milgram の実験の結果 定義 : 頂点からなるグラフの平均頂点間距離 6 通中 4 通が目標人物に到達 4 通の平均発送回数は5.5 /,, 世界中のどの 人も間に 5 人を介せばつながる! 例 : 3 スモールワールド ( 小さな世界 ) 6 次の隔たり 最短路長頂点対 (,),(,3),(,3),(,4),(3,4),(4,5) (,4),(,5),(3,5) 3 (,5)

5 現実ネットワークの平均頂点間距離 ランダムグラフの平均頂点間距離 ネットワーク頂点数平均次数平均頂点間距離 WWW 3,549, インターネット, 論文引用関係 7, 共著関係,5, 俳優共演関係 449, 単語同時出現 478, ソフトウェア, デジタル回路 航空路線網 3, 蛋白質相互作用, 代謝 矢久保考介, 複雑ネットワークとその構造, 共立出版,3 7 p=/n p=4/n n= L L n 平均次数ネットワーク解析ソフト gephi による実験結果 8 弱い絆の強い力 Mark S. Granovetter, The strength of weak ties, The American Journal of Sociology, vol.78, no.6, pp.36 38, 973. マサチューセッツ州の 8 人のホワイトカラー労働者を無作為に選び, 現在の職を得るために力になってくれた人は誰かを調査 複雑ネットワーク科学の誕生. D. J. Watts and S. H. Strogatz, Collective dynamics of `small world networks, Nature, vol.393, pp.44 44, A. L. Barabasi and R. Albert, Emergence of scaling in random networks, Science, vol.86, pp.59 5, 999. 回答 : ちょっとした知り合い (= 弱い絆でつながる人 ) 9

6 Watts & Strogatz の当初のテーマ メトロノームの同期 コオロギはどうやって鳴き声をそろえるのか? 同期 (synchronization) YouTube Synchronisation ( I) ホタルの同期 Watts & Strogatz の疑問 コオロギはなぜ鳴き声を同期できるのか? 近くにいるコオロギの鳴き声は聞いているはず 鳴き声がすぐに同期するのは平均頂点間距離が短いからでは? そんなネットワークはどんな構造? YouTube fireflies sync ( 3 4

7 Watts Strogatz モデル. 頂点を円周上に配置し, 各頂点から右側と左側それぞ れ 個の頂点に辺を張る. 各辺を確率 でランダムに張り替える (Watts & Strogatz, Nature, 998) クラスター係数 定義 ( 頂点のクラスター係数 (Clustering Coefficient)) は頂点 を含む三角形の個数 意味 : 頂点に隣接している 頂点が隣接している割合 定義 ( グラフのクラスター係数 ) クラスター ( 塊 ) 構造と短い平均頂点間距離の同時実現? 5 6 クラスター係数の計算例 現実ネットワークのクラスター係数 ネットワーク 頂点数 平均次数 平均頂点間距離 クラスター係数 WWW 3,549, インターネット, 論文引用関係 7, 共著関係,5, 俳優共演関係 449, 単語同時出現 478, ソフトウェア, デジタル回路 航空路線網 3, 蛋白質相互作用, 代謝 矢久保考介, 複雑ネットワークとその構造, 共立出版,3 8

8 Watts Strogatz モデルの性質 ランダムグラフのクラスター係数 クラスター係数 辺の張り替え確率 が小さい間 短い平均頂点間距離 大きいクラスター係数を同時に実現 ( は辺を張る確率 ) 頂点 は 個の頂点と隣接 個の頂点のうちの 頂点, 頂点, を結ぶ辺が存在する確率は 確率 で存在 スモールワールドネットワーク ランダムグラフのクラスター係数は小さい (D.J. Watts and S.H. Strogatz, Nature, 998) 9 3 Watts の疑問 与えられた頂点数と平均次数をもつグラフの中でクラスター係数が最も高いグラフは? (D. Watts, Small World, Princeton University Press, 999) 次数分布 次数分布関数 : 頂点の次数が 完全グラフ, 正則グラフ, である確率 Watts は解の候補として結合穴居人グラフを解析 星グラフ,, 5 年たった現在でもこの問題は未解決 3 完全グラフ 3 正則グラフ星グラフ 3

9 現実のネットワークの次数分布 様々なネットワークの指数 次数分布関数はべき則 に従う A. L. Barabási and R.Albert, Emergence of scaling in random network, Science, vol.86, no.5439, pp.59 5, ネットワーク 頂点数 平均次数 指数 WWW 3,549,46.46./.7 インターネット 5,.7.3 長距離電話 47,, 3.6. 論文引用関係 783, 共著関係,5, 俳優共演関係 449, 単語同時出現 478, ソフトウェア, 航空路線網 3, 蛋白質相互作用, 代謝 /7.3./. 矢久保考介, 複雑ネットワークとその構造, 共立出版,3 34 ランダムグラフの次数分布 頂点の次数が である確率 Watts Strogatz モデルの次数分布 (D.J. Watts and S.H. Strogatz, Nature, 998) P(d) d 5,. の場合の次数分布 ( 二項分布 ) 35 P(d) d P(d) スモールワールドネットワークは二つの中間 d 36

10 Barabási Albert モデル ネットワークは成長と優先的選択という法則に支配 (Balabási & Albert, Science, 999) 頂点を 個ずつ追加し, それから 本の辺を張る 頂点 から頂点 に辺を張る確率 頂点と辺の追加 Barabási Albert モデルの次数分布 次数分布関数 : P(d) m=, n= 次数分布関数を特徴づけるような変数 の値がない スケールフリー性 d P(d) (Dorogovtsev, Mendes and Samukhin, ) d m=, n= Barabási Albert モデルの性質 次数分布関数 : べき則 ( 指数 3) (Dorogovtsev, Mendes and Samukhin, ) 平均頂点間距離 : 短い log log log クラスター係数 : 小さい 8 (Bollobás and Riordan, 4) log (Klemm and Eguíluz, ) Barabási Albert モデルの拡張 BA モデルはクラスター係数が非常に小さい 現実ネットワークの特徴を完全に再現していない 大きいクラスター係数をもつスケールフリーネットワークを生成する方法 P. Holme and B. J. Kim, Growing scale free networks with tunable clustering, Physical Review E, vol. 65, no., 67,. K. Klemm and V. M. Eguiluz, Highly clustered scalefree networks, Physical Review E, vol. 65, no. 3, 363,. K. Klemm and V. M. Eguiluz, Growing scale free networks with small world behavior, Physical Review E, vol. 65, no. 5, 57,. 39 4

11 各頂点の重要度を表す指標 PageRank (Google) 中心性 次数中心性 : 次数に比例して中心性 ( 重要度 ) が高い 媒介中心性 (Betweenness Centrality): グラフ内のすべての頂点対を結ぶ最短路が特定の頂点を通る割合, : 頂点 と頂点 を結ぶ最短路の個数 : 上記の最短路の中で頂点 を通るものの個数 私の研究テーマ 頂点数, 辺数, 次数等の制約の下でクラスター係数を極大にするグラフの特徴づけ Saki Koizuka and Norikazu Takahashi, Maximum clustering coefficient of graphs with given number of vertices and edges, Nonlinear Theory and Its Applications, vol., no.4, pp ,. Tatsuya Fukami and Norikazu Takahashi, New classes of clustering coefficient locally maximizing graphs, Discrete Applied Mathematics, vol.6, pp. 3, 4. 構造が変化するネットワークにおける媒介中心性の効率計算法の開発 Ulrik Brandes, "A faster algorithm for betweenness centrality," Journal of Mathematical Sociology, vol.5, no., pp.63 77,. 4 4

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