東北大学大学院情報科学研究科応用情報科学専攻田中和之 (Kazuyuki Tanaka)...

Physical Fluctuomatics (Tohoku University) 1

物理フラクチュオマティクス論Physical Fluctuomatics

第 14回複雑ネットワーク14th Complex networks and physical fluctuations

東北大学大学院情報科学研究科応用情報科学専攻田中和之 (Kazuyuki Tanaka)[email protected]

http://www.smapip.is.tohoku.ac.jp/~kazu/

＊本スライドの図面の一部は大久保潤氏（京都大学）によりご提供いただき本人の許可を得て掲載しております．


今回の講義の参考文献

大久保潤 , 田中和之 : 統計力学の基礎 --- 複雑ネットワークとの関連にもとづいて ---, 特集 / ネットワーク科学の数理 , 数理科学 , Vol.44, No.8 ( 通巻 518 号 ), pp.24-29, August 2006.Jun Ohkubo, Muneki Yasuda and Kazuyuki Tanaka: Preferential Urn Model and Nongrowing Complex Networks, Physical Review E, Vol.72, No.6, Article No.065104(R), December 2005.増田直紀 , 今野紀雄 : 複雑ネットワークの科学，産業図書 , 2005.


今回の話題

複雑ネットワークの科学マルコフ過程とネットワーク生成モデルスケールフリーネットワーク


確率的情報処理 (Probabilistic Information Processing) の中での複雑ネットワーク科学

通信理論・像情報処理・確率推論

ICT 技術の要請に耐えうる統計科学

コトの物理学としての定着

ポイントはやはり「たくさんが関連」

確率的情報処理のこれからの数理的基盤

統計科学

統計的学習理論

情報統計力学

データマイニング

複雑ネットワーク科学

今回のテーマ


ネットワークと情報処理

たくさんが関連して構成されるシステム

基本構成要素ノード (Node)

基本構成要素間の関連リンク (Link)

ネットワーク (Network)すぐ思いつく現実的なネットワークの例

インターネットWorld Wide Web都市間の交通網（高速道路，航空路線）

ネットワークの構造に共通する性質

1. すべてのノード間がつながれている訳ではない（非完全グラフ）．

2. ノード間のリンクの存在にはランダム性がある（ランダム性）．

3. 少数ではあるがたくさんのノードとリンクでつながれているノードが存在する（ハブノードの存在）．


ネットワーク生成メカニズムと情報処理

1. すべてのノード間がつながれている訳ではない（非完全グラフ）．

2. ノード間のリンクの存在にはランダム性がある（ランダム性）．

3. 少数ではあるがたくさんのノードとリンクでつながれているノードが存在する（ハブノードの存在）．

世の中で自然発生的に構成されたネットワーク上のシステムは何故，うまく機能するのか ?

どのような数理モデルに基づいてネットワークが生成されていると解釈することが妥当なのか ?生成したネットワーク上で与えられた計算モデルにおいてどのような計算ルール（アルゴリズム）が効率的に機能するのか ?

解明のための戦略


ネットワークにおけるハブの役割

例：仙台からベネチアまで飛行機で移動したいとしたら

仙台東京成田ミラノベネチア

札幌

新潟ジェノバ

フィレンツェ

もしすぐ近くの空港としか航空便がなければ何回乗り継ぎをしなければならなくなるだろう．

もしすべての空港間で航空便が運行していたら何台飛行機が必要だろう．

ハブの役割を果たす空港は多い必要はないが，ある程度の数は必要．

ハブの役割にも種類がある（日本のハブ空港，アジアのハブ空港，世界のハブ空港）．

空港のネットワークに階層構造が生まれる．

さまざまのネットワークにおける共通の数理の存在

ハブ空港のおかげで世界的距離が短くなる（スモールワールド）．

空港間・航空会社間の競争の原理から生み出され，最適化されている．


複雑ネットワーク生成におけるランダムネス

たくさんが関連して構成されるシステム全体の構造はとても複雑だが個別のノード間のリンクはある一

定の単純な規則に従って構成される．

必ず規則に従うのか ? すべてのノードのリンクが規則に従って張られているならネットワークには規則性があるはず．実際のネットワークは完全に規則性をもって構成されているとは言い難い．むしろランダムネスを伴うと考える方が自然．

複雑ネットワークはその生成過程でどのような規則性とどのようなランダムネスを伴うとき現実の効率的ネットワークと同様の統計的性質をもつのか ?

複雑ネットワーク（ランダムネットワーク，スモールワールドネットワーク等）


複雑ネットワークにおける統計的性質

スモールワールド性

平均最短経路長 l: ノード間を結ぶ最短経路の長さ（最短経路長）のすべてのノード対についての平均

平均次数

N

ikk iN

kP1

,

1

次数 ki ：ノード i につながっているリンクの本数

N ：ノードの総数

1

0

N

k

kkPk

k

l

スケールフリー性

kln

kPln

スモールワールド性はもつがスケールフリー性をもたない複雑ネットワーク

スモールワールド性とスケールフリー性を併せ持つ複雑ネットワーク

平均次数とともに平均最短経路長が急速に減少する．

両対数プロットで直線にのる．

共通の数理関数系は生成モデルによる

ハブのあるなしの違い


複雑ネットワークと確率モデル

スモールワールド性はもつがスケールフリー性をもたない複雑ネットワーク

スモールワールド性とスケールフリー性を併せ持つ複雑ネットワーク

ハブのあるなしの違い

スモールワールド性とスケールフリー性はどのようなネットワーク生成モデルで出現するか ?

確率モデルからの複雑ネットワークの理論的解明

ハブの生まれる原因は何か ?

どのような競争の原理がポイントか ?

数値実験ではだめ !!解析計算がはずせない !!


スモールワールドネットワークの生成の簡単な例

最短で９本のリンクを通って到達最短で４本

のリンクを通って到達

ランダムにリンクを選んで一端を別のノードにつなぎ変える操作を繰り返す．

初期状態すべてのノードの次数は 4

ノードにつながっているリンクの本数をそのノードの次数という．


スモールワールドネットワークの生成と次数分布

k 本のリンクを持つノードの個数についてのヒストグラムk4 k4 k4 k4


この操作を繰り返すと k はどのような分布に従うのだろうか ?

すべてのノードが次数 4

次数が 3 と5 のノードが 1個ずつ出現

次数が 3 と5 のノードが 2個ずつとなる．

次数が 6 のノードが出現．

初期状態

ノード毎につながっているリンクの本数をそのノードの次数という．


10-4

10-3

10-2

10-1 1

l(p)/l(0)

平均最短経路長

p

1

0

0.2

0.4

0.6

0.8 C(p)/C(0)

スモールワールドネットワークの生成

k 本のリンクを持つノードの個数についてのヒストグラム


つなぎ変えられたリンクの割合

1

k0 5 10 15 20

0

1p=0.8

P(k

)

0 5 10 15 200

p=0

P(k

)

p=0.8

p=0

Poisson分布へ近づく

1

初期状態

80% のリンクがつなぎ変えられた時


ランダムネットワークの生成

1. N 個のノードを用意する．2. 2 個のノードを確率 p でランダムに選択し，リンクで結ぶ．

4

1

200

1

0

N

k

kkPk

N

kp

N

N=6

0 5 10 15 200

0.5

P(k)Poisson分布へ近づく

k


ランダムネットワークの次数分布の解析

1

0

1N

k

kkPk

N

kp

1

1

11

1

11

1

kNk

kNk

N

k

N

k

k

Npp

k

NkP

1

1

0

1

1

0

11

1

11

1

1

N

N

k

k

kNk

N

k

k

xN

k

xN

k

N

k

k

N

xkPxG

0 !

1explim

k

k

kk

N

xk

ke

xkxG

kk

Nke

k

kxG

xkP

!

lim

4

200

k

N

0 5 10 15 200

0.5

P(k) Poisson分布へ近づく

k

2項分布

母関数



ランダムネットワークの平均経路長の解析


fixed:

11

0

N

k

kkPk

N

kp

L

L

L

kk

kk

kkkkkn

1~11

111

1111

fixed

:1ln

ln~

k

N

k

Nl

あるノードからみて距離 L にある頂点の総数 n ~ N

平均最短経路長 l ~ L

N

fixed :/,, NLLN

k

1ln

1

k

1

l


成長と優先的選択を伴うネットワーク生成モデル（ Barabasi and Albert Model ）

2

1

2

1

1)2(1 X 1)2(1 X

2)3(1 X 1)3(2 X

1)3(3 X

4

1

4

1

4

2

3)4(1 X 1)4(2 X

1)4(3 X

6

1

6

1

6

3

1)4(4 X

6

11)4(3 X

6

1

6

2

6

2

6

12)4(1 X2)4(2 X

1)4(4 X

初期状態はノード２個，リンク１本から出発

ノード１個，リンク１本を時刻 n のネットワークのノードを 1 つランダムに選んで追加．

nXnXnX

nX

n

i

21

時刻 n のネットワークの i 番目のノードに追加する確率



2)3(1 X 1)3(2 X

1)3(3 X

4

1

4

1

4

2

3)4(1 X 1)4(2 X

1)4(3 X

6

1

6

1

6

3

1)4(4 X

6

11)4(3 X

6

1

6

2

6

2

6

12)4(1 X2)4(2 X

1)4(4 X

2n

2

1

2

1

1)2(1 X 1)2(1 X

3n4n

5n

200n



200n

akkP

akkP logloglog

k 本のリンクにつながっているノードの個数に対するヒストグラム

スケールフリーネットワーク

nXnXnX

nX

n

i

21



成長するが優先的選択を伴わないネットワーク生成モデル

200n

ではない akkP

ckaekP

k 本のリンクにつながっているノードの個数に対するヒストグラム

スケールフリーネットワークではない

時刻 n のネットワークの i 番目のノードに追加する確率 1/n

対数プロットしても直線にのらない


確率過程 (離散時間 )

確率変数の集合 n は時間 ,2,1,0nX n

離散的な場合に限定

（離散）マルコフ過程 ,2,1,0nX n

nnnn XXXXXX 1101 Pr,,,Pr

01

1

01

10

11011010

PrPr

Pr,,Pr

,,,Pr,,,Pr,,,Pr

XXX

XXXX

XXXXXXXXXX

n

mmm

n

mmm

nnnn


マルコフ過程

,2,1,0nX n

01

110 PrPr,,,Pr XXXXXXn

mmmn

nn NX ,,2,1

1

1

1

1

0

0

1

1

2

2

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

111

1 1 1 10

1

111

1 1 10

11

1 1 110

PrPr

PrPrPr

PrPr

,,,PrPr

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

N

Xnnn

N

X

N

X

N

X

N

X

n

mmmnn

N

X

N

X

N

X

n

mmm

N

X

N

X

N

Xnn

XXX

XXXXX

XXX

XXXX


マルコフ過程の推移確率

マルコフ過程 ,2,1,0nX n nn NX ,,2,1

1

1 111 PrPrPr

n

n

N

Xnnnn XXXX

11

1

1

1111

1111

1111

Pr

2Pr

1Pr

Pr2Pr1Pr

2Pr22Pr12Pr

1Pr21Pr11Pr

Pr

2Pr

1Pr

nn

n

n

nnnnnnnnnn

nnnnnnn

nnnnnnn

nn

n

n

NX

X

X

NXNXXNXXNX

NXXXXXX

NXXXXXX

NX

X

X

推移確率

推移確率行列

NX

X

X

NP

P

P

t

t

t

t

Pr

2Pr

1Pr

lim2

1

定常分布



2

1

2

1

1)2(1 X 1)2(1 X

2)3(1 X 1)3(2 X

1)3(3 X

4

1

4

1

4

2

3)4(1 X 1)4(2 X

1)4(3 X

6

1

6

1

6

3

1)4(4 X

6

11)4(3 X

6

1

6

2

6

2

6

12)4(1 X2)4(2 X

1)4(4 X

初期状態はノード２個，リンク１本から出発

ノード１個，リンク１本を時刻 n のネットワークのノードを 1 つランダムに選んで追加．

nXnXnX

nX

n

i

21



マルコフ過程によるBarabasi and Albert Model の解析

2n3n

等価

Barabasi and Albert Model

Yule Process



1112

,,11,1,,1Pr

111

11111

n

ii

n

ii

n

iii

i

nnnnn

klkln

k

knXknXnXlnXlnX

112,12Pr 21 XX

初期状態

1 2

1,,,Pr

1,,,1,,1Pr

1,,1Pr

1111

1

1

1

1

2

1

2

1111111

11

1 2 3 1

nXknXknX

nXknXknXnXnX

nXnX

nnn

n

k

n

k

n

k knnnn

n

n



12,12Pr12,123,3,3Pr

3,3,3Pr

2121321

321

XXXXXXX

XXX

112,12Pr 21 XX

初期状態

2

113,23,13Pr 321 XXX

2

113,13,23Pr 321 XXX

1 2



2

113,23,13Pr 321 XXX

2

113,13,23Pr 321 XXX

13,3,3Pr13,3,34,4,4,4Pr

4,4,4,4Pr

32211

2

1

2

1322114321

4321

1 2

XkXkXXkXkXXXXX

XXXX

k k

1

13,3,314,14,4,14Pr21

132211432211

kk

kXkXkXXXkXkX

1

13,3,314,14,14,4Pr21

232211432211

kk

kXkXkXXXkXkX

1

113,3,314,24,4,4Pr

2132211432211

kk

XkXkXXXkXkX

13

23

13

3

22

11

X

kX

kX 13

13

23

3

22

11

X

kX

kX



初期状態

4

1

2

1

4

2

13,13,13,33Pr 3321

XXXX

4

1

2

1

4

12

14,14,24,24Pr 4321

XXXX

8

1

2

1

4

1

14,24,24,14Pr 4321

XXXX

8

1

2

1

4

1

14,24,14,24Pr 4321

XXXX

4

1

2

1

4

2

14,14,34,14Pr 4321

XXXX

1 2



1,,,Pr

1,,,1,1,,1Pr

1,1,,1Pr

1111

1

1

1

1

2

1

2

1111111

11

1 2 3 1

nXknXknX

nXknXknXnXnXnX

nXnXnX

nnn

n

k

n

k

n

k knnnnn

nn

n

1,,,,,Pr

Pr

11322211

1

1

1

1

2

1

2

1,

1 2 3 1

nXknXknXknXknX

knX

nnn

n

k

n

k

n

k kkki

n

i

2,1

Pr12

11Pr12

1

Pr11Pr1

1Pr11

kni

knXn

kknX

n

k

knXk

kknX

k

kknX

ii

in

i i

in

i i

i



n

iii

n

ii knX

n

kknX

n

kknX

1

1

1

Pr12

11Pr12

11Pr

2,12

,112

11,1

knkPn

nknnkP

n

nknkPn

が十分大きい時 nknPkkk

nPkk

kknkP

3~,112

!3

,1412

121,

k についてのべき分布

定性的に再現

スケールフリーネットワーク


まとめ

複雑ネットワークの生成におけるメカニズム

ランダム性優先的選択性が重要

Barabasi and Albert Model はネットワークの成長を伴うがスケールフリー性にネットワークの成長は必要か ?成長を伴わないネットワークでもスケールフリー性は出現する :J. Ohkubo, M. Yasuda and K. Tanaka: Preferential Urn Model

and Nongrowing Complex Networks, Phys. Rev. E, Vol.72, No.6, Article No.065104(R), December 2005.

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