网络中的循环与模体:计数与分析
在复杂网络的研究中,了解其基本构建块至关重要。我们知道,三角形在社交和生物网络中频繁出现,可视为网络的基本元素之一。除了三角形,长度大于三的循环以及其他在真实网络中比随机网络更频繁出现的小子图(模体),也是复杂网络的重要组成部分。本文将探讨如何通过图的邻接矩阵直接计算图中循环的数量,并介绍相关的中心性度量,最后给出不同长度循环数量的计算公式。
1. 循环计数的基础:封闭路径与邻接矩阵
要研究复杂网络,计算图中循环的数量是关键的一步。我们可以通过图的邻接矩阵来表示图中循环的数量。下面是一些重要的定理和结论:
- 定理 8.1(路径数量) :对于由邻接矩阵 $A$ 描述的无向或有向图 $G$,从节点 $i$ 到节点 $j$ 的长度为 $l$ 的路径数量等于 $(A^l) {ij}$。
- 证明 :通过对 $l$ 进行归纳证明。当 $l = 1$ 时,根据邻接矩阵的定义,长度为 1 的路径就是一条边。假设 $(A^l) {ij}$ 是从 $i$ 到 $j$ 的长度为 $l$ 的路径数量,我们要证明 $(A^{l + 1}) {ij}$ 是从 $i$ 到 $j$ 的长度为 $l + 1$ 的路径数量。如果 $(A^l) {ij}$ 是长度为 $l$ 的路径数量,那么以节点 $m$ 为倒数第二个节点的从 $i$ 到 $j$ 的长度为 $l + 1$ 的路径数量为 $(A^l) {im}(A) {mj}$。所以,从 $i$ 到 $j$ 的长度为 $l + 1$ 的总路径数量为 $\sum_m (A^l) {im
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