双层网络演化分析与建模

【摘要】：伴随着全球化趋势的不断深入以及科技的不断发展,合作网络、引文网络以及领域网络等学术网络逐渐形成超大规模的复杂系统,通过研究学术网络来推动科学发展的需求也日益迫切。合作网络与引文网络的演化是其中的研究热点之一。已知的研究都集中于独立研究合作网络以及引文网络的演化,合作网络与引文网络共同演化时的相互影响现象并未被广泛观察到。本文致力于挖掘合作网络与引文网络的共同演化现象,发现网络演化的普适性规律,并通过建立适应性演化模型对它们的共同演化现象进行解释。本文在多层网络的理论框架下,把合作网络与引文本文分别作为双层网络的一层,建立了异质双层网络,并分析了网络中的适应性演化现象。异质双层网络中的适应性演化现象是指科学家的合作之间、科学家的引用之间以及科学家的合作与引用之间存在重要的相互作用,且这些相互作用在时间尺度上具有明显的规律性。本文提出了合作的时间相关性测度、引用的时间相关性测度以及合作与引用之间的时间相关性测度,对合作网络与引文网络的共同演化现象进行了量化描述。本文建立了异质双层网络适应性演化模型,在已有的模型基础之上新引入了合作影响合作机制、引用影响引用机制以及合作与引用相互影响的层间作用机制。模型产生的网络不仅在多个测度上与真实网络有很好的拟合,而且完整地再现了异质双层网络中的适应性演化现象。本文还对模型的重要参数进行了对比和讨论,验证了模型机制的必要性和有效性。本文还介绍了优先连接机制的多种算法实现,并且新提出了高效的增量式的优先连接机制的快速算法,并用伪代码对算法进行了形式化描述。除了研究异系双层网络的演化,本文还基于领域网络研究了学术领域的演化。本文利用来自Microsoft Academic Graph的论文数据集,建立了领域网络,并定义了三个与领域演化密切相关的测度,分别是领域的累积论文数量、相对论文数量比例以及相对度比例。通过对计算机领域的重要测度随时间的变化趋势的分析,本文详细描述了领域的出生、生长、饱和以及衰退阶段。本文首次将合作网络与引文网络统一在一起构建成异质双层网络,发现了网络的演化规律,不仅为研究合作网络与引文网络的共同演化提供了一种新的有效的思路,而且有助于人们深入认识科学家之间的合作模式、引用模式以及合作与引用之间的相互作用。本文还建立了异质双层网络的演化模型,新引入了合作与引用相互影响的层间作用机制,为解释异质双层网络适应性演化时的层间作用提供了具有创新意义的理论网络模型。本文对领域演化的不同阶段的详细描述揭示了领域演化的普遍性规律,有助于人们深入理解领域演化过程以及发现研究前沿和热门领域。