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2022-05-07
英文标题:
《Community detection in temporal multilayer networks, with an application
  to correlation networks》
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作者:
Marya Bazzi, Mason A. Porter, Stacy Williams, Mark McDonald, Daniel J.
  Fenn, and Sam D. Howison
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最新提交年份:
2017
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英文摘要:
  Networks are a convenient way to represent complex systems of interacting entities. Many networks contain \"communities\" of nodes that are more densely connected to each other than to nodes in the rest of the network. In this paper, we investigate the detection of communities in temporal networks represented as multilayer networks. As a focal example, we study time-dependent financial-asset correlation networks. We first argue that the use of the \"modularity\" quality function---which is defined by comparing edge weights in an observed network to expected edge weights in a \"null network\"---is application-dependent. We differentiate between \"null networks\" and \"null models\" in our discussion of modularity maximization, and we highlight that the same null network can correspond to different null models. We then investigate a multilayer modularity-maximization problem to identify communities in temporal networks. Our multilayer analysis only depends on the form of the maximization problem and not on the specific quality function that one chooses. We introduce a diagnostic to measure \\emph{persistence} of community structure in a multilayer network partition. We prove several results that describe how the multilayer maximization problem measures a trade-off between static community structure within layers and larger values of persistence across layers. We also discuss some computational issues that the popular \"Louvain\" heuristic faces with temporal multilayer networks and suggest ways to mitigate them.
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中文摘要:
网络是一种表示相互作用实体的复杂系统的便捷方式。许多网络包含节点的“社区”,这些节点之间的连接比其他网络中的节点更紧密。在本文中,我们研究了在表示为多层网络的时态网络中的社区检测。作为一个重点例子,我们研究了时间相关的金融资产关联网络。首先,我们认为“模块化”质量函数的使用取决于应用程序,该函数是通过比较观察到的网络中的边缘权重与“空网络”中的预期边缘权重来定义的。在模块化最大化的讨论中,我们区分了“零网络”和“零模型”,并强调同一个零网络可以对应不同的零模型。然后,我们研究了一个多层模块化最大化问题,以确定时态网络中的社区。我们的多层分析只取决于最大化问题的形式,而不取决于所选择的具体质量函数。我们将{emph}的多层网络划分引入到诊断}。我们证明了几个结果,这些结果描述了多层最大化问题如何衡量层内静态社区结构和层间更大持久性值之间的权衡。我们还讨论了流行的“Louvain”启发式算法在时间多层网络中面临的一些计算问题,并提出了缓解这些问题的方法。
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分类信息:

一级分类:Physics        物理学
二级分类:Physics and Society        物理学与社会
分类描述:Structure, dynamics and collective behavior of societies and groups (human or otherwise). Quantitative analysis of social networks and other complex networks. Physics and engineering of infrastructure and systems of broad societal impact (e.g., energy grids, transportation networks).
社会和团体(人类或其他)的结构、动态和集体行为。社会网络和其他复杂网络的定量分析。具有广泛社会影响的基础设施和系统(如能源网、运输网络)的物理和工程。
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一级分类:Computer Science        计算机科学
二级分类:Social and Information Networks        社会和信息网络
分类描述:Covers the design, analysis, and modeling of social and information networks, including their applications for on-line information access, communication, and interaction, and their roles as datasets in the exploration of questions in these and other domains, including connections to the social and biological sciences. Analysis and modeling of such networks includes topics in ACM Subject classes F.2, G.2, G.3, H.2, and I.2; applications in computing include topics in H.3, H.4, and H.5; and applications at the interface of computing and other disciplines include topics in J.1--J.7. Papers on computer communication systems and network protocols (e.g. TCP/IP) are generally a closer fit to the Networking and Internet Architecture (cs.NI) category.
涵盖社会和信息网络的设计、分析和建模,包括它们在联机信息访问、通信和交互方面的应用,以及它们作为数据集在这些领域和其他领域的问题探索中的作用,包括与社会和生物科学的联系。这类网络的分析和建模包括ACM学科类F.2、G.2、G.3、H.2和I.2的主题;计算应用包括H.3、H.4和H.5中的主题;计算和其他学科接口的应用程序包括J.1-J.7中的主题。关于计算机通信系统和网络协议(例如TCP/IP)的论文通常更适合网络和因特网体系结构(CS.NI)类别。
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一级分类:Physics        物理学
二级分类:Adaptation and Self-Organizing Systems        自适应和自组织系统
分类描述:Adaptation, self-organizing systems, statistical physics, fluctuating systems, stochastic processes, interacting particle systems, machine learning
自适应,自组织系统,统计物理,波动系统,随机过程,相互作用粒子系统,机器学习
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一级分类:Quantitative Finance        数量金融学
二级分类:Statistical Finance        统计金融
分类描述:Statistical, econometric and econophysics analyses with applications to financial markets and economic data
统计、计量经济学和经济物理学分析及其在金融市场和经济数据中的应用
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2022-5-7 07:16:39
时间多层网络中的群体检测及其在相关网络中的应用*玛丽娅·巴齐+、梅森·A·波特、斯泰西·威廉姆斯§、马克·麦克唐纳§、丹尼尔·J·芬§、山姆·D·豪森¨摘要。网络是一种表示相互作用实体的复杂系统的便捷方式。许多网络包含节点的“社区”,这些节点之间的连接比网络其余部分中的节点更紧密。在本文中,我们研究了以多层网络表示的时间网络中的社区检测。作为一个重点例子,我们研究了与时间相关的金融资产关联网络。我们首先认为,“模块化”质量函数的使用取决于应用,该函数是通过比较观察到的网络中的边缘权重与“零网络”中的预期边缘权重定义的。在模块化最大化的讨论中,我们区分了“零网络”和“零模型”,并强调了相同的零网络可以对应不同的零模型。然后,我们研究了一个多层模块化最大化问题,以确定时态网络中的社区。我们的多层分析只取决于最大化问题的形式,而不取决于选择的特定质量函数。我们引入了一种诊断方法来度量多层网络分区中社区结构的持久性。我们证明了几个结果,这些结果描述了多层最大化问题如何衡量层内静态社区结构和跨层持久性更大值之间的权衡。我们还讨论了时态多层网络中流行的“Louvain”启发式算法面临的一些计算问题,并提出了缓解这些问题的方法。关键词。社区结构、多层网络、时态网络、模块化最大化、财务关联网络。AMS科目分类。62H30、91C20、94C15、90C351。介绍
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2022-5-7 07:16:43
在最简单的形式中,网络只是一个图:它由一组表示实体的节点和一组表示这些实体之间交互的成对节点之间的边组成。我们可以考虑加权图(其中每条边都有一个相关的边权重,可以量化利益的相互作用)或未加权图(带二元边权重的加权图)。网络为跨多个学科的复杂系统提供了有用的表示[54]。常见的类型包括社交网络(通过网络和/或在线互动产生)、信息网络(如万维网网页之间的超链接)、基础设施网络(如城市之间的交通路线)和生物网络(如细胞或蛋白质之间的代谢互动、食物网等)。给定一个系统的网络表示,应用粗粒化技术来研究介于“微尺度”(例如节点和成对交互)和“宏观尺度”(例如总边缘)之间的特征是有用的*这项工作得到了欧洲委员会资助的EPSRC(BK/10/41)、HSBCBank和FET前瞻性项目PLEXMATH(FP7-ICT-2011-8;317614)颁发的案例学生奖的支持。+牛津工业和应用数学中心,数学研究所,牛津OX26GG,英国(bazzi@maths.ox.ac.uk)——牛津工业和应用数学中心,数学研究所,牛津2 6GG,英国;以及英国牛津大学牛津分校卡布丁复杂性中心(porterm@maths.ox.ac.uk)§全球研究,汇丰银行,伦敦E14 5HQ,英国。英国牛津OX26GG数学研究所牛津工业和应用数学中心;以及英国牛津大学牛津曼定量金融研究所(howison@maths.ox.ac.uk).重量和度数分布[55,61]。
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2022-5-7 07:16:46
因此,我们研究“中尺度”特征,如核心-外围结构和(特别是)群落结构。不严格地说,网络中的社区(或集群)是一组相互“更紧密”连接的节点,而不是网络其余部分的节点[25,61]。当然,准确定义“密集连接”对于社区检测来说是必要的。从一开始就必须认识到,这一定义是主观的,尤其可能取决于相关应用。相应地,可能需要定制社区检测方法。我们将自己限制为硬分区,其中每个节点都被分配给一个社区,我们使用术语“分区”来表示“硬分区”。考虑“软分区”也很重要,但这超出了本文的范围,因为社区可以重叠[25,37,58,61]。社区结构分析在广泛的应用中非常有用;[25,27,55,61]中描述了其中许多。在社交网络中,社区可以揭示具有共同兴趣、居住地或其他相似性的人群[56,73]。在生物系统中,群落可以揭示负责合成或调节重要化学产品的官能团[32,45]。在本文中,我们以金融资产关联网络为例[8,15]。尽管市场、金融产品和地理位置多种多样,但金融资产在资产类别内部和类别之间都可能表现出强烈的时间相关性。市场从业者(例如,投资组合多元化)主要关心的是估计这些相关性的强度,并确定高度相关的资产集[48,74]。大多数检测社区的方法都是为静态网络设计的。
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2022-5-7 07:16:49
然而,在许多应用程序中,实体和/或实体之间的交互会在一段时间内演化。在此类应用中,可以使用时态网络的形式,其中节点和/或其边缘权重随时间变化[34,35]。这对许多应用程序都很重要,包括人与人之间的交流[75]、一对多信息传播(如Twitter网络[29]和Facebook网络[77])、细胞生物学[35]、神经科学[7]、生态学[35]、金融[22–24,57]等等。在依赖时间的网络中,有两种主要的方法被用来检测社区。第一种方法是通过将不同时间点的演化网络快照聚合为单个网络来构建静态网络(例如,通过在所有时间点上获取每条边的平均或总边权重,如果节点集随时间变化,这可能会有问题,这也会对实体之间的交互动力学做出限制性假设[33])。然后可以使用标准的网络技术。
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2022-5-7 07:16:52
第二种方法需要在不同时间对网络时序序列的每个元素使用静态社区检测技术,或在不同时间间隔(可以重叠或不重叠)上对网络聚合时序序列(如上计算)的每个元素使用静态社区检测技术,然后跟踪序列中的社区[3、22、23、36、47、58]。第三种方法是在一个更大的网络中嵌入一个按时间顺序排列的网络序列[19,60](相关的想法也可以在其他上下文中找到[49,70])。节点的“度”是连接到它的边的数量;度是未加权网络的“强度”(2.1)的特例。我们需要区分这种聚合和移动窗口上一组时间序列的平均值,以构建相关矩阵,然后将其解释为时间演化网络的固定时间快照。尽管这两种情况都涉及在一个时间窗口上进行平均,但前者需要对网络进行平均,而后者需要对时间序列集合(每个节点一个)进行平均,而没有直接可观测的边权重。序列的每个元素都是一个网络层,不同时间点的节点由层间边缘连接。这种方法在[49]中介绍,结果网络是一种多层网络[11,39]。该方法与前一种方法的主要区别在于,非零层间边缘的存在导致了一层中确定的社区与其他层中的连接模式之间的依赖性。到目前为止,大多数使用时间网络多层表示的计算都假设层间连接是“对角的”(即,它们只存在于同一节点的副本之间)和“顺序的”(即,它们只存在于连续层之间)[39]。
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