louvain算法_Louvain算法

Louvain算法是一种无监督的社区检测算法,包括模块化优化和社区聚集两个阶段。在优化过程中,算法会随机排列节点,逐个尝试不同社区,以最大化模块化。社区聚集阶段,相同社区的节点合并成巨型节点,形成新的网络结构,考虑了网络的分层组织。

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社区查找找的算法

Louvain是一种无监督算法(执行前不需要输入社区数量或社区大小),分为两个阶段:模块化优化和社区聚集[1]。 第一步完成后,接下来是第二步。 两者都将执行,直到网络中没有更多更改并实现最大的模块化为止。

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是邻接矩阵representing的权重的邻接矩阵条目,= ∑是节点the的程度,是其所属的族,如果,函数(,)为1。 =,否则为0。 = 1 ∑ 2是图形中所有边缘的权重之和。

模块化优化

Louvain将在模块化优化中随机排序网络中的所有节点。 然后,它将逐个删除并在不同的社区中插入每个节点直到验证模块化(输入参数)没有显着增加:

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设为inside中链接的权重之和,为中节点的所有链接的权重之和,incident入射节点的所有链接的权重之和,,权重之和 从节点到社区中的节点的链接的总和是图中所有边的权重的总和。

进一步提高算法性能的一种方法是简化(

Louvain算法是一种用于社区发现的算法,它的核心思想是将网络划分为不同的社区,使得社区内的节点之间的连接更加紧密,而社区之间的连接更加稀疏。Louvain算法的优点是速度快、可扩展性强,并且能够处理大规模网络。 下面以一个10个节点以内的示例来详细展示Louvain算法的计算步骤。 假设我们有以下这个图: ``` 1 -- 2 -- 3 | | 4 -- 5 6 | | 7 -- 8 -- 9 -- 10 ``` 第一步,将每个节点看做一个社区,并计算每个社区的模块度。模块度是用来衡量社区内部紧密程度的指标,计算公式为: $$ Q=\frac{1}{2m}\sum_{ij}\left(A_{ij}-\frac{k_ik_j}{2m}\right)\delta(c_i,c_j) $$ 其中,$A_{ij}$表示节点$i$和节点$j$之间的边权重,$k_i$表示节点$i$的度数,$m$表示图中所有边的权重之和,$c_i$表示节点$i$所属的社区,$\delta$表示克罗内克符号,当$c_i=c_j$时为1,否则为0。 对于上面的图,初始状态下每个节点都是一个单独的社区,计算每个社区的模块度如下: ``` 社区 节点 度数 社区内部边权重 社区外部边权重 模块度 1 1 2 0 1 -0.25 2 2 3 1 1 0 3 3 2 0 1 -0.25 4 4 2 1 1 0 5 5 3 2 1 0.25 6 6 1 0 1 -0.25 7 7 2 1 1 0 8 8 3 2 1 0.25 9 9 3 2 0 0.333 10 10 1 0 1 -0.25 ``` 第二步,将每个节点按照其邻居节点所在的社区进行重分配,计算每个新的社区的模块度。具体操作如下: - 对于节点$i$,计算将其移到邻居节点$j$所在的社区后,新社区的模块度增量$\Delta Q_{ij}$: $$ \Delta Q_{ij}=\frac{k_{i,in}+k_{j,in}}{2m}-\frac{k_i+k_j}{2m}\frac{k_{i,in}+k_{j,in}+k_i+k_j}{4m} $$ 其中,$k_{i,in}$表示节点$i$到所在社区内的节点的度数之和,$k_i$表示节点$i$的度数,$m$表示图中所有边的权重之和。 - 将节点$i$移到能够使$\Delta Q_{ij}$最大的邻居节点$j$所在的社区。 对于上面的图,假设我们先将节点1移到节点2所在的社区,计算新社区的模块度为: ``` 社区 节点 度数 社区内部边权重 社区外部边权重 模块度 1 1 1 0 1 -0.125 2 2 5 2 2 0 3 3 2 0 1 -0.25 4 4 2 1 1 0 5 5 2 1 2 -0.125 6 6 1 0 1 -0.25 7 7 2 1 1 0 8 8 3 2 1 0.25 9 9 3 2 0 0.333 10 10 1 0 1 -0.25 ``` 接着我们将节点2移到节点5所在的社区,计算新社区的模块度为: ``` 社区 节点 度数 社区内部边权重 社区外部边权重 模块度 1 1 1 0 1 -0.125 2 2 3 1 1 0 3 3 2 0 1 -0.25 4 4 2 1 1 0 5 5 4 3 0 0.5 6 6 1 0 1 -0.25 7 7 2 1 1 0 8 8 3 2 1 0.25 9 9 3 2 0 0.333 10 10 1 0 1 -0.25 ``` 以此类推,直到无法继续增加模块度为止。 第三步,将第二步中得到的新社区看做节点,重复进行第二步的操作,直到模块度不再增加为止。最终得到的社区划分如下: ``` {1, 4, 7, 10}, {2, 5}, {3, 6}, {8, 9} ``` 至此,Louvain算法的计算步骤就介绍完了。值得注意的是,Louvain算法并不是一定能够得到最优的社区划分,但是它在速度和可扩展性方面有很大的优势。 具体数学推演过程比较复杂,此处不再展开,可参考相关文献进行深入了解。
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