網(wǎng)絡(luò)科學(xué)

前言

　　“我們被困在無法逃避的相互關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中，任何事情，如果直接地影響了一個(gè)人，就會(huì)間接地影響到所有人。”　　——馬丁·路德·金　　目前，網(wǎng)絡(luò)科學(xué)在不斷汲取各學(xué)科最新成果的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入發(fā)展、完善，其理論研究方法成為廣泛的交叉科學(xué)的一種強(qiáng)有力的思想方法。2009年7月24日出版的《科學(xué)》雜志刊登專題——“復(fù)雜系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)”（Complex Systems and Networks），充分地表明網(wǎng)絡(luò)科學(xué)進(jìn)一步向眾多學(xué)科滲透并向應(yīng)用發(fā)展。從網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的角度來看，無論是自然界還是人類社會(huì)，網(wǎng)絡(luò)都無處不在，從而深刻而廣泛地影響著人們的日常生活和科學(xué)技術(shù)等各種活動(dòng)。因此，利用網(wǎng)絡(luò)科學(xué)，可以探討自然界和人類社會(huì)的各種各樣的復(fù)雜系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)正在與眾多新興科學(xué)相互交融和推動(dòng)，它提供了新的科學(xué)發(fā)展觀和方法論，使決定性與隨機(jī)性、有序性與無序性、復(fù)雜性與簡單性，達(dá)到了和諧統(tǒng)一，人類的認(rèn)識產(chǎn)生了新的飛躍，成為人們認(rèn)識客觀世界的工具。在網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的思想、理論與方法的大框架下，無論從微觀層次，還是宏觀和宇宙觀層次，人們都可以從全新的網(wǎng)絡(luò)的角度、觀點(diǎn)和方法來探討世界萬物的復(fù)雜性問題。　　為了彌補(bǔ)和豐富國內(nèi)有關(guān)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)方面的教材，同時(shí)也為了科研需要，我們組織翻譯了美國蒙特雷海軍研究生院的計(jì)算機(jī)科學(xué)教授特德·劉易斯（Ted Lewis）博士的《網(wǎng)絡(luò)科學(xué)：原理與應(yīng)用》這本書。本書由陳向陽、巨修練負(fù)責(zé)翻譯，參加翻譯的人員還包括徐清、陳曉明、徐茜、蹇貝、孫金余、費(fèi)滕、李亞玲、孫克華、於照等。機(jī)械工業(yè)出版社劉立卿編輯、王春華編輯等在審稿過程中做了大量辛苦的工作，在此特別致以衷心的感謝！本書的翻譯得到了綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及武漢工程大學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)著作出版資助項(xiàng)目的資助。　　在翻譯時(shí)，由于本書涉及的領(lǐng)域廣泛，具體包括應(yīng)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)、物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、社會(huì)學(xué)、軍事等專業(yè)，所以挑戰(zhàn)在所難免。雖然我們參閱了大量復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)譯文資料——特別是中科院方錦清對本書的評價(jià)、武漢大學(xué)陸俊安等發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)科學(xué)博文，而且花了大量的時(shí)間盡力使這本譯著完美，但由于自身水平和專業(yè)局限，譯文中仍會(huì)有錯(cuò)誤和不到之處。讀者在使用本書時(shí)若遇到問題或者有好的建議，敬請聯(lián)系我們，以期共同做好網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的學(xué)習(xí)和研究?！　∽g者　　2011年3月

內(nèi)容概要

　　網(wǎng)絡(luò)科學(xué)作為一門新興的學(xué)科越來越引入矚目。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)能幫助讀者設(shè)計(jì)更快、更有彈性的通信網(wǎng)絡(luò)；能用于調(diào)整電力網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)絡(luò)和飛行航線等基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)；可以為市場動(dòng)態(tài)建模；能幫助理解生物系統(tǒng)中的同步；能用于分析人們之間的社會(huì)互動(dòng)……
　　這是第一本全面審視新出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的論著。書中研究了各種網(wǎng)絡(luò)——規(guī)則網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)、小世界網(wǎng)絡(luò)、影響網(wǎng)絡(luò)、無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)等，并將網(wǎng)絡(luò)過程和行為應(yīng)用于涌現(xiàn)、傳染病、同步和風(fēng)險(xiǎn)方面。本書的獨(dú)特之處在于將跨計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析、經(jīng)濟(jì)學(xué)和市場營銷等多學(xué)科的專業(yè)概念整合了起來。
　　《網(wǎng)絡(luò)科學(xué):原理與應(yīng)用》為網(wǎng)絡(luò)科學(xué)領(lǐng)域提供了全新的理解和闡釋，是研究人員、專業(yè)人員以及工程、計(jì)算、生物領(lǐng)域的技術(shù)人員不可缺少的參考資料，也可以作為相關(guān)領(lǐng)域研究的高年級和研究生教材。

作者簡介

作者：(美國)路易斯 (Ted G.Lewis) 譯者：陳向陽 巨修練 等路易斯，Ted G.Lewis博士是美國加州蒙特雷海軍研究生院的計(jì)算機(jī)科學(xué)教授。他有豐富的工作閱歷和廣泛的學(xué)術(shù)研究，作為美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)的會(huì)員，他還擔(dān)任《IEEE軟件》和《計(jì)算機(jī)》雜志的總編，并已經(jīng)編著出版了30余本著作。他曾任伊士曼柯達(dá)公司(Eastman Kodak Company)數(shù)字策略的副總裁。

書籍目錄

出版者的話
譯者序
前言
第1章網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的起源
　1.1什么是網(wǎng)絡(luò)科學(xué)
　1.2網(wǎng)絡(luò)科學(xué)簡史
　1.2.1網(wǎng)前階段 (1736—1966)
　1.2.2中期網(wǎng)絡(luò)階段(1967—1998)
　1.2.3現(xiàn)代階段（1998—）
　1.3總則
第2章圖
　2.1圖的集合論定義
　2.1.1節(jié)點(diǎn)、鏈路和映射函數(shù)
　2.1.2節(jié)點(diǎn)度和hub
　2.1.3路徑和回路
　2.1.4連通性和組件
　2.1.5直徑、半徑和中心性
　2.1.6介數(shù)和緊度
　2.2圖的矩陣代數(shù)定義
　.2.2.1連接矩陣
　2.2.2鄰接矩陣
　2.2.3拉普拉斯矩陣
　2.2.4路徑矩陣
　2.3哥尼斯堡七橋圖
　2.3.1歐拉路徑和歐拉回路
　2.3.2哥尼斯堡七橋問題的正式定義
　2.3.3歐拉解
　2.4圖的譜屬性
　2.4.1譜半徑
　2.4.2譜隙
　2.5圖的類型
　2.5.1杠鈴形、線形和環(huán)形圖
　2.5.2結(jié)構(gòu)化圖與隨機(jī)圖
　2.5.3k-規(guī)則圖
　2.5.4圖密度
　2.6拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　2.6.1度序列
　2.6.2圖的熵
　2.6.3無標(biāo)度拓?fù)?br />　2.6.4小世界拓?fù)?br />　2.7軟件中的圖實(shí)現(xiàn)
　2.7.1java節(jié)點(diǎn)和鏈路
　2.7.2java 網(wǎng)絡(luò)
　練習(xí)
第3章規(guī)則網(wǎng)絡(luò)
　3.1直徑、中心性和平均路徑長度
　3.2二叉樹網(wǎng)絡(luò)
　3.2.1二叉樹網(wǎng)絡(luò)的熵
　3.2.2二叉樹網(wǎng)絡(luò)的路徑長度
　3.2.3二叉樹網(wǎng)絡(luò)的鏈路效率
　3.3超環(huán)形網(wǎng)絡(luò)
　3.3.1超環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度
　3.3.2超環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的鏈路效率
　3.4超立方網(wǎng)絡(luò)
　3.4.1超立方網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度
　3.4.2超立方網(wǎng)絡(luò)的鏈路效率
　練習(xí)
第4章隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)
　4.1隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的生成
　4.1.1gilbert隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)
　4.1.2erdos?renyi隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)
　4.1.3錨定隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)
　4.2隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的度分布
　4.3隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的熵
　4.3.1隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)熵的建模
　4.3.2隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度
　4.3.3隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)
　4.3.4隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的鏈路效率
　4.4隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的屬性
　4.4.1隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的直徑
　4.4.2隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的半徑
　4.4.3利用java計(jì)算緊度
　4.4.4隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的緊度
　4.5隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的弱聯(lián)系
　4.6規(guī)則網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)性
　4.7分析
　練習(xí)
第5章小世界網(wǎng)絡(luò)
　5.1生成一個(gè)小世界網(wǎng)絡(luò)
　5.1.1watts?strogatz (ws)過程
　5.1.2一般的ws過程
　5.1.3小世界網(wǎng)絡(luò)的度序列
　5.2小世界網(wǎng)絡(luò)屬性
　5.2.1熵與重聯(lián)概率
　5.2.2熵與密度
　5.2.3小世界網(wǎng)絡(luò)的路徑長度
　5.2.4小世界網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)
　5.2.5小世界中的緊度
　5.3相變
　5.3.1路徑長度和相變
　5.3.2材料中的相變
　5.4小世界網(wǎng)絡(luò)中的導(dǎo)航
　5.5小世界網(wǎng)絡(luò)中的弱聯(lián)系
　5.6分析
　練習(xí)
第6章無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)
　6.1生成一個(gè)無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)
　6.1.1barabasi?albert(ba)網(wǎng)絡(luò)
　6.1.2生成ba網(wǎng)絡(luò)
　6.1.3無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)冪律分布
　6.2無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的屬性
　6.2.1ba網(wǎng)絡(luò)熵
　6.2.2hub度與密度對應(yīng)關(guān)系
　6.2.3ba網(wǎng)絡(luò)平均路徑長度
　6.2.4ba網(wǎng)絡(luò)緊度
　6.2.5無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)
　6.3無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)中的導(dǎo)航
　6.3.1最大度導(dǎo)航與密度對應(yīng)關(guān)系
　6.3.2最大度導(dǎo)航與hub度的對應(yīng)關(guān)系
　6.3.3在無標(biāo)度pointville網(wǎng)絡(luò)中的弱聯(lián)系
　6.4分析
　6.4.1熵
　6.4.2路徑長度和通信
　6.4.3聚類系數(shù)
　6.4.4hub度
　練習(xí)
第7章涌現(xiàn)
　7.1什么是網(wǎng)絡(luò)涌現(xiàn)
　7.1.1開環(huán)涌現(xiàn)
　7.1.2反饋循環(huán)涌現(xiàn)
　7.2科學(xué)中的涌現(xiàn)
　7.2.1社會(huì)科學(xué)中的涌現(xiàn)
　7.2.2物理科學(xué)中的涌現(xiàn)
　7.2.3生物中的涌現(xiàn)
　7.3遺傳進(jìn)化
　7.3.1hub涌現(xiàn)
　7.3.2聚類涌現(xiàn)
　7.4設(shè)計(jì)者網(wǎng)絡(luò)
　7.4.1度序列涌現(xiàn)
　7.4.2生成給定的度序列的網(wǎng)絡(luò)
　7.5排列網(wǎng)絡(luò)涌現(xiàn)
　7.5.1排列微規(guī)則
　7.5.2排列和聚類系數(shù)
　7.6涌現(xiàn)的一個(gè)應(yīng)用
　7.6.1隨機(jī)排列的鏈路優(yōu)化
　7.6.2確定性排列的優(yōu)化
　7.6.3最小長度涌現(xiàn)模型
　7.6.4二維布局
　練習(xí)
第8章傳染病
　8.1傳染病模型
　8.1.1kermack?mckendrick模型
　8.1.2傳染病閾值
　8.1.3易感-感染-消亡（sir）模型
　8.1.4結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)峰值感染密度
　8.1.5易感-感染-易感(sis)傳染病
　8.2網(wǎng)絡(luò)中持續(xù)穩(wěn)定的傳染病
　8.2.1隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳染病閾值
　8.2.2一般網(wǎng)絡(luò)中的傳染病閾值
　8.2.3一般網(wǎng)絡(luò)中的固定點(diǎn)感染密度
　8.3網(wǎng)絡(luò)傳染病仿真軟件
　8.4對策
　8.4.1對策的算法
　8.4.2接種策略對策
　8.4.3java抗原仿真
　練習(xí)
第9章同步
　9.1同步或不同步
　9.1.1混沌映射
　9.1.2網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性
　9.2蟋蟀社會(huì)網(wǎng)絡(luò)
　9.2.1蟋蟀社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的同步性質(zhì)
　9.2.2更加通用的模型：atay網(wǎng)絡(luò)
　9.2.3atay網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性
　9.3基爾霍夫網(wǎng)絡(luò)
　9.3.1基爾霍夫網(wǎng)絡(luò)模型
　9.3.2基爾霍夫網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性
　9.4pointville電網(wǎng)
　練習(xí)
第10章影響網(wǎng)絡(luò)
　10.1對buzz的剖析
　10.1.1buzz網(wǎng)絡(luò)
　10.1.2buzz網(wǎng)絡(luò)仿真器
　10.1.3buzz網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性
　10.2社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的有用性
　10.2.1兩方談判
　10.2.2i?nets狀態(tài)方程
　10.2.3i?nets的穩(wěn)定性
　10.2.4i?nets的共識
　10.2.5計(jì)算影響的java方法
　10.3 i?nets中的沖突
　10.3.1沖突度
　10.3.2計(jì)算沖突度的java方法
　10.4命令層次結(jié)構(gòu)
　10.5i?nets中的有用性涌現(xiàn)
　10.5.1加權(quán)涌現(xiàn)
　10.5.2加權(quán)涌現(xiàn)的java方法
　10.5.3加權(quán)涌現(xiàn)的穩(wěn)定性
　10.5.4鏈路涌現(xiàn)
　練習(xí)
第11章脆弱性
　11.1網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)
　11.1.1將節(jié)點(diǎn)作為目標(biāo)
　11.1.2將鏈路作為目標(biāo)
　11.2關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析
　11.2.1杠鈴模型
　11.2.2網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)最小化
　11.2.3指數(shù)成本模型
　11.2.4攻擊者-防御者模型
　11.2.5java軍備競賽方法
　11.3博弈論的考慮
　11.4一般的攻擊者-防御者網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)問題
　11.5關(guān)鍵鏈路分析
　11.5.1鏈路彈性
　11.5.2鏈路彈性模型
　11.5.3流彈性
　11.5.4流啟發(fā)式的java方法
　11.5.5網(wǎng)絡(luò)流資源分配
　11.5.6結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)中的最大流量
　11.6基爾霍夫網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性彈性
　練習(xí)
第12章netgain網(wǎng)絡(luò)
　12.1經(jīng)典擴(kuò)散方程
　12.1.1市場擴(kuò)散方程
　12.1.2簡單netgain網(wǎng)絡(luò)
　12.2多產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)
　12.3netgain網(wǎng)絡(luò)涌現(xiàn)的java方法
　12.4新興市場網(wǎng)絡(luò)
　12.4.1新生市場的涌現(xiàn)
　12.4.2新興市場固定點(diǎn)
　12.5創(chuàng)造性破壞網(wǎng)絡(luò)
　12.5.1創(chuàng)造性破壞的涌現(xiàn)
　12.5.2平方根律固定點(diǎn)
　12.6企業(yè)并購網(wǎng)絡(luò)
　12.6.1合并節(jié)點(diǎn)的java方法
　12.6.2合并加速創(chuàng)造性破壞
　練習(xí)
第13章生物學(xué)
　13.1靜態(tài)模型
　13.1.1無標(biāo)度屬性
　13.1.2小世界效應(yīng)
　13.2動(dòng)態(tài)分析
　13.2.1線性連續(xù)網(wǎng)絡(luò)
　13.2.2布爾網(wǎng)絡(luò)
　13.3蛋白質(zhì)表達(dá)網(wǎng)絡(luò)
　13.4質(zhì)量動(dòng)力學(xué)建模
　13.4.1質(zhì)量動(dòng)力學(xué)狀態(tài)方程
　13.4.2有界的質(zhì)量動(dòng)力學(xué)網(wǎng)絡(luò)
　練習(xí)
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：影響擴(kuò)散——不管它是產(chǎn)品營銷、疾病傳播還是群組內(nèi)達(dá)成一致性，它都是一種信號傳播。信號沿著鏈路傳播，并且以某種方式影響節(jié)點(diǎn)。例如，節(jié)點(diǎn)的值可能是鄰接節(jié)點(diǎn)的平均值。在一個(gè)基爾霍夫（Kirchhoff）網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)值等于輸入總和值與輸出總和值之差。不管為節(jié)點(diǎn)分配值的本地微觀規(guī)則如何，信號流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念看上去是流行病學(xué)、同步、影響和組內(nèi)達(dá)成一致性的共同機(jī)制。更嚴(yán)格地講，網(wǎng)絡(luò)可被看成是一種耦合系統(tǒng)。系統(tǒng)是由節(jié)點(diǎn)（所取值稱為狀態(tài)）和鏈路（建立輸入和輸出到節(jié)點(diǎn)）構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)是所有其節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的聯(lián)合。信號（值）沿著鏈路傳播，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且更改節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。如果我們畫出狀態(tài)隨時(shí)間的變化圖。我們可能會(huì)觀察到振蕩、抑制或收斂到某一狀態(tài)（即所謂的固定點(diǎn)），并且永遠(yuǎn)地停留在那里。在什么條件下網(wǎng)絡(luò)振蕩或收斂呢？這是一個(gè)一般性的問題，我們將會(huì)在第10和12章中解答。我們將證明傳染病的傳播、生物系統(tǒng)的同步、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的達(dá)成一致性、新產(chǎn)品的擴(kuò)散都是網(wǎng)絡(luò)同步的不同形式。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)值到達(dá)某一固定點(diǎn)時(shí)，即一旦到達(dá)某值就會(huì)停止變化，那么網(wǎng)絡(luò)被說成是同步。我們解答了這一問題：“為了網(wǎng)絡(luò)同步，充分和必要的屬性或條件是什么？”答案推導(dǎo)出了網(wǎng)絡(luò)中穩(wěn)定性的一般理論。

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