網(wǎng)絡科學

前言

　　“我們被困在無法逃避的相互關系網(wǎng)絡中，任何事情，如果直接地影響了一個人，就會間接地影響到所有人。”　　——馬丁·路德·金　　目前，網(wǎng)絡科學在不斷汲取各學科最新成果的基礎上繼續(xù)深入發(fā)展、完善，其理論研究方法成為廣泛的交叉科學的一種強有力的思想方法。2009年7月24日出版的《科學》雜志刊登專題——“復雜系統(tǒng)與網(wǎng)絡”（Complex Systems and Networks），充分地表明網(wǎng)絡科學進一步向眾多學科滲透并向應用發(fā)展。從網(wǎng)絡科學的角度來看，無論是自然界還是人類社會，網(wǎng)絡都無處不在，從而深刻而廣泛地影響著人們的日常生活和科學技術等各種活動。因此，利用網(wǎng)絡科學，可以探討自然界和人類社會的各種各樣的復雜系統(tǒng)。網(wǎng)絡科學正在與眾多新興科學相互交融和推動，它提供了新的科學發(fā)展觀和方法論，使決定性與隨機性、有序性與無序性、復雜性與簡單性，達到了和諧統(tǒng)一，人類的認識產(chǎn)生了新的飛躍，成為人們認識客觀世界的工具。在網(wǎng)絡科學的思想、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)絡的角度、觀點和方法來探討世界萬物的復雜性問題?！　榱藦浹a和豐富國內有關網(wǎng)絡科學方面的教材，同時也為了科研需要，我們組織翻譯了美國蒙特雷海軍研究生院的計算機科學教授特德·劉易斯（Ted Lewis）博士的《網(wǎng)絡科學：原理與應用》這本書。本書由陳向陽、巨修練負責翻譯，參加翻譯的人員還包括徐清、陳曉明、徐茜、蹇貝、孫金余、費滕、李亞玲、孫克華、於照等。機械工業(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實驗室及武漢工程大學優(yōu)秀學術著作出版資助項目的資助。　　在翻譯時，由于本書涉及的領域廣泛，具體包括應用數(shù)學、計算機科學、生物學、物理、化學、醫(yī)學、社會學、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雜網(wǎng)絡的相關譯文資料——特別是中科院方錦清對本書的評價、武漢大學陸俊安等發(fā)布的網(wǎng)絡科學博文，而且花了大量的時間盡力使這本譯著完美，但由于自身水平和專業(yè)局限，譯文中仍會有錯誤和不到之處。讀者在使用本書時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)絡科學的學習和研究?！　∽g者　　2011年3月

內容概要

　　網(wǎng)絡科學作為一門新興的學科越來越引入矚目。網(wǎng)絡科學能幫助讀者設計更快、更有彈性的通信網(wǎng)絡；能用于調整電力網(wǎng)絡、電信網(wǎng)絡和飛行航線等基礎設施系統(tǒng)；可以為市場動態(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互動……
　　這是第一本全面審視新出現(xiàn)的網(wǎng)絡科學的論著。書中研究了各種網(wǎng)絡——規(guī)則網(wǎng)絡、隨機網(wǎng)絡、小世界網(wǎng)絡、影響網(wǎng)絡、無標度網(wǎng)絡和社會網(wǎng)絡等，并將網(wǎng)絡過程和行為應用于涌現(xiàn)、傳染病、同步和風險方面。本書的獨特之處在于將跨計算機科學、生物學、物理學、社會網(wǎng)絡分析、經(jīng)濟學和市場營銷等多學科的專業(yè)概念整合了起來。
　　《網(wǎng)絡科學:原理與應用》為網(wǎng)絡科學領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、計算、生物領域的技術人員不可缺少的參考資料，也可以作為相關領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算機科學教授。他有豐富的工作閱歷和廣泛的學術研究，作為美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)計算機協(xié)會的會員，他還擔任《IEEE軟件》和《計算機》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)絡科學的起源
　1.1什么是網(wǎng)絡科學
　1.2網(wǎng)絡科學簡史
　1.2.1網(wǎng)前階段 (1736—1966)
　1.2.2中期網(wǎng)絡階段(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、鏈路和映射函數(shù)
　2.1.2節(jié)點度和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結構化圖與隨機圖
　2.5.3k-規(guī)則圖
　2.5.4圖密度
　2.6拓撲結構
　2.6.1度序列
　2.6.2圖的熵
　2.6.3無標度拓撲
　2.6.4小世界拓撲
　2.7軟件中的圖實現(xiàn)
　2.7.1java節(jié)點和鏈路
　2.7.2java 網(wǎng)絡
　練習
第3章規(guī)則網(wǎng)絡
　3.1直徑、中心性和平均路徑長度
　3.2二叉樹網(wǎng)絡
　3.2.1二叉樹網(wǎng)絡的熵
　3.2.2二叉樹網(wǎng)絡的路徑長度
　3.2.3二叉樹網(wǎng)絡的鏈路效率
　3.3超環(huán)形網(wǎng)絡
　3.3.1超環(huán)形網(wǎng)絡的平均路徑長度
　3.3.2超環(huán)形網(wǎng)絡的鏈路效率
　3.4超立方網(wǎng)絡
　3.4.1超立方網(wǎng)絡的平均路徑長度
　3.4.2超立方網(wǎng)絡的鏈路效率
　練習
第4章隨機網(wǎng)絡
　4.1隨機網(wǎng)絡的生成
　4.1.1gilbert隨機網(wǎng)絡
　4.1.2erdos?renyi隨機網(wǎng)絡
　4.1.3錨定隨機網(wǎng)絡
　4.2隨機網(wǎng)絡的度分布
　4.3隨機網(wǎng)絡的熵
　4.3.1隨機網(wǎng)絡熵的建模
　4.3.2隨機網(wǎng)絡的平均路徑長度
　4.3.3隨機網(wǎng)絡的聚類系數(shù)
　4.3.4隨機網(wǎng)絡的鏈路效率
　4.4隨機網(wǎng)絡的屬性
　4.4.1隨機網(wǎng)絡的直徑
　4.4.2隨機網(wǎng)絡的半徑
　4.4.3利用java計算緊度
　4.4.4隨機網(wǎng)絡中的緊度
　4.5隨機網(wǎng)絡中的弱聯(lián)系
　4.6規(guī)則網(wǎng)絡的隨機性
　4.7分析
　練習
第5章小世界網(wǎng)絡
　5.1生成一個小世界網(wǎng)絡
　5.1.1watts?strogatz (ws)過程
　5.1.2一般的ws過程
　5.1.3小世界網(wǎng)絡的度序列
　5.2小世界網(wǎng)絡屬性
　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)絡的路徑長度
　5.2.4小世界網(wǎng)絡的聚類系數(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)絡中的導航
　5.5小世界網(wǎng)絡中的弱聯(lián)系
　5.6分析
　練習
第6章無標度網(wǎng)絡
　6.1生成一個無標度網(wǎng)絡
　6.1.1barabasi?albert(ba)網(wǎng)絡
　6.1.2生成ba網(wǎng)絡
　6.1.3無標度網(wǎng)絡冪律分布
　6.2無標度網(wǎng)絡的屬性
　6.2.1ba網(wǎng)絡熵
　6.2.2hub度與密度對應關系
　6.2.3ba網(wǎng)絡平均路徑長度
　6.2.4ba網(wǎng)絡緊度
　6.2.5無標度網(wǎng)絡聚類系數(shù)
　6.3無標度網(wǎng)絡中的導航
　6.3.1最大度導航與密度對應關系
　6.3.2最大度導航與hub度的對應關系
　6.3.3在無標度pointville網(wǎng)絡中的弱聯(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
第7章涌現(xiàn)
　7.1什么是網(wǎng)絡涌現(xiàn)
　7.1.1開環(huán)涌現(xiàn)
　7.1.2反饋循環(huán)涌現(xiàn)
　7.2科學中的涌現(xiàn)
　7.2.1社會科學中的涌現(xiàn)
　7.2.2物理科學中的涌現(xiàn)
　7.2.3生物中的涌現(xiàn)
　7.3遺傳進化
　7.3.1hub涌現(xiàn)
　7.3.2聚類涌現(xiàn)
　7.4設計者網(wǎng)絡
　7.4.1度序列涌現(xiàn)
　7.4.2生成給定的度序列的網(wǎng)絡
　7.5排列網(wǎng)絡涌現(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)的一個應用
　7.6.1隨機排列的鏈路優(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
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結構化網(wǎng)絡峰值感染密度
　8.1.5易感-感染-易感(sis)傳染病
　8.2網(wǎng)絡中持續(xù)穩(wěn)定的傳染病
　8.2.1隨機網(wǎng)絡傳染病閾值
　8.2.2一般網(wǎng)絡中的傳染病閾值
　8.2.3一般網(wǎng)絡中的固定點感染密度
　8.3網(wǎng)絡傳染病仿真軟件
　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
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)絡穩(wěn)定性
　9.2蟋蟀社會網(wǎng)絡
　9.2.1蟋蟀社會網(wǎng)絡的同步性質
　9.2.2更加通用的模型：atay網(wǎng)絡
　9.2.3atay網(wǎng)絡的穩(wěn)定性
　9.3基爾霍夫網(wǎng)絡
　9.3.1基爾霍夫網(wǎng)絡模型
　9.3.2基爾霍夫網(wǎng)絡的穩(wěn)定性
　9.4pointville電網(wǎng)
　練習
第10章影響網(wǎng)絡
　10.1對buzz的剖析
　10.1.1buzz網(wǎng)絡
　10.1.2buzz網(wǎng)絡仿真器
　10.1.3buzz網(wǎng)絡的穩(wěn)定性
　10.2社會網(wǎng)絡的有用性
　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計算沖突度的java方法
　10.4命令層次結構
　10.5i?nets中的有用性涌現(xiàn)
　10.5.1加權涌現(xiàn)
　10.5.2加權涌現(xiàn)的java方法
　10.5.3加權涌現(xiàn)的穩(wěn)定性
　10.5.4鏈路涌現(xiàn)
　練習
第11章脆弱性
　11.1網(wǎng)絡風險
　11.1.1將節(jié)點作為目標
　11.1.2將鏈路作為目標
　11.2關鍵節(jié)點分析
　11.2.1杠鈴模型
　11.2.2網(wǎng)絡風險最小化
　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)絡風險問題
　11.5關鍵鏈路分析
　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)絡流資源分配
　11.5.6結構化網(wǎng)絡中的最大流量
　11.6基爾霍夫網(wǎng)絡的穩(wěn)定性彈性
　練習
第12章netgain網(wǎng)絡
　12.1經(jīng)典擴散方程
　12.1.1市場擴散方程
　12.1.2簡單netgain網(wǎng)絡
　12.2多產(chǎn)品網(wǎng)絡
　12.3netgain網(wǎng)絡涌現(xiàn)的java方法
　12.4新興市場網(wǎng)絡
　12.4.1新生市場的涌現(xiàn)
　12.4.2新興市場固定點
　12.5創(chuàng)造性破壞網(wǎng)絡
　12.5.1創(chuàng)造性破壞的涌現(xiàn)
　12.5.2平方根律固定點
　12.6企業(yè)并購網(wǎng)絡
　12.6.1合并節(jié)點的java方法
　12.6.2合并加速創(chuàng)造性破壞
　練習
第13章生物學
　13.1靜態(tài)模型
　13.1.1無標度屬性
　13.1.2小世界效應
　13.2動態(tài)分析
　13.2.1線性連續(xù)網(wǎng)絡
　13.2.2布爾網(wǎng)絡
　13.3蛋白質表達網(wǎng)絡
　13.4質量動力學建模
　13.4.1質量動力學狀態(tài)方程
　13.4.2有界的質量動力學網(wǎng)絡
　練習
參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：插圖：影響擴散——不管它是產(chǎn)品營銷、疾病傳播還是群組內達成一致性，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。例如，節(jié)點的值可能是鄰接節(jié)點的平均值。在一個基爾霍夫（Kirchhoff）網(wǎng)絡中，節(jié)點值等于輸入總和值與輸出總和值之差。不管為節(jié)點分配值的本地微觀規(guī)則如何，信號流經(jīng)網(wǎng)絡的概念看上去是流行病學、同步、影響和組內達成一致性的共同機制。更嚴格地講，網(wǎng)絡可被看成是一種耦合系統(tǒng)。系統(tǒng)是由節(jié)點（所取值稱為狀態(tài)）和鏈路（建立輸入和輸出到節(jié)點）構成。網(wǎng)絡的狀態(tài)是所有其節(jié)點狀態(tài)的聯(lián)合。信號（值）沿著鏈路傳播，從一個節(jié)點到另外一個節(jié)點，并且更改節(jié)點的狀態(tài)。如果我們畫出狀態(tài)隨時間的變化圖。我們可能會觀察到振蕩、抑制或收斂到某一狀態(tài)（即所謂的固定點），并且永遠地停留在那里。在什么條件下網(wǎng)絡振蕩或收斂呢？這是一個一般性的問題，我們將會在第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、社會網(wǎng)絡中的達成一致性、新產(chǎn)品的擴散都是網(wǎng)絡同步的不同形式。當網(wǎng)絡的節(jié)點值到達某一固定點時，即一旦到達某值就會停止變化，那么網(wǎng)絡被說成是同步。我們解答了這一問題：“為了網(wǎng)絡同步，充分和必要的屬性或條件是什么？”答案推導出了網(wǎng)絡中穩(wěn)定性的一般理論。

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