一类四正则小世界网络的生成树数目的算法
Spanning Trees in a Class of Four Regular Small World Network
DOI: 10.12677/CSA.2014.43009, PDF, HTML,  被引量 下载: 2,899  浏览: 12,916  国家自然科学基金支持
作者: 贾环身:青海师范大学数学系,西宁;;赵海兴:青海师范大学计算机学院,西宁
关键词: 复杂网络四正则网络生成树Complex Network; Four Regular Network; Spanning Tree
摘要: 生成树是表征网络结构性质的一个重要物理量,然而精确地确定网络上的生成树数目是一个巨大的理论挑战。本文提出了一个四正则小世界网络模型。介绍了其概念及演化过程,详细计算了四正则图的相关拓扑特性,例如直径、聚类系数等。给出了此类四正则网络的生成树数目计算方法,得出生成树数目公式及熵。研究发现,所研究网络的生成树的熵与具有相同平均度的其他网络形成了鲜明的对比,因为后者的生成树的熵小于所研究网络。因此,这一四正则小世界网络上的生成树数目比其他具有自相似结构网络生成树的数目要多
Abstract: Spanning tree is an important quantity characterizing the reliability of a network; however, explicitly determining the number of spanning trees in networks is a theoretical challenge. In this paper, we present a class of four regular network model with small world phenomenon. We introduce the concept and evolving process and determine the relevant topological characteristics of the four regular network, such as diameter and clustering coefficient. We give a calculation method of number of spanning trees in such four regular network and derive the formulas and the entropy of number of spanning trees. We find that the entropy of spanning trees in the studied network is in sharp contrast to other small world with the same average degree, of which the entropy is less than the studied network. Thus, the number of spanning trees in such four regular network is more than that of other self-similar networks.
文章引用:贾环身, 赵海兴. 一类四正则小世界网络的生成树数目的算法[J]. 计算机科学与应用, 2014, 4(3): 43-49. http://dx.doi.org/10.12677/CSA.2014.43009

1. 引言

复杂网络已成为学术界研究的一个热点,许多现实世界中的网络都具有小世界效应,例如:电力网络、生物网络、交通网络、社会关系网络。一个网络具有小世界效应是指该网络具有较小的平均路径长度和较大的聚类系数这两个主要的属性,这里较小的平均路径长度是指网络的平均路径长度按照网络的阶的对数形式增长。

作为网络的另外一个重要的结构性质,网络中生成树数目的计算在数学、物理和其他学科里是一个基本的问题。生成树与网络的诸多方面有着紧密的联系[1] [2] ,包括可靠性[3] 、最优同步[4] 、运输[5] 、随机游走[6] [7] 等。例如:一个网络的生成树数目与网络中两个节点之间的有效电阻密切相关[8] ,并且还可以反过来决定两节点之间的平均首达时间;作为随机游走的一个基本量,生成树数目在不同理论和应用领域都有广泛的应用。另一方面,对于一个连通网络,在保持节点数不变的情况下,其生成树数目最大的结构网络具有最好的同步能力。最近,网络中的生成树一直是许多研究关注的焦点。许多文章中已经研究了特定网络中生成树数目,例如,Sierpinski网络[9] ,E-R随机图[10] 以及章忠志等人给出的分形无标度网络[2] ,伪分形无标度网络[11] ,小世界法雷网络[12] ,在2013年,作为所提出的计算生成树数目的新方法的算例,赵海兴等人计算出了文献[13] [14] 中的模型的生成树数目.这些研究说明了不同网络结构中的生成树有不同的影响。

本文提出了一类具有小世界现象的四正则网络并且得到了其相应的拓扑特性,例如直径、聚类系数。结果表明我们的模型具有离散指数度分布、高聚类系数、较小的直径,满足小世界网络的主要特性;给出了此类四正则网络的生成树数目的计算方法并得到了相应的公式,根据生成树数目确定了生成树的熵。

2. 网络生成的迭代算法

正则图是每个顶点的度相同的图[15] 。若每个顶点的度均为,称为-正则图。通过迭代的方法构造了一类四正则图。为了正确计算的生成树数目,首先构建一个新模型图12所示,用来表示经过步后的网络,网络的生成算法如下:当时的初始网络是一个四个节点连接三条边的三叉树,当时网络是由两个三叉树粘贴而成,使得最底层的每个叶子节点的度为4,对于通过如下的方式得到:对中在步生成的三叉树的每个叶子节点再生出三个叶子节点,然后复制这个三叉树,粘贴这两个三叉树的最底层叶子节点并使得它们的度为4(如图1)。计算得到了网络的总

t = 0      t = 1     t=2

Figure 1. Construction of Ft, showing the first three steps of the iterative process

图1. Ft的前三步迭代构造

t = 0      t = 1     t=2

Figure 2. Construction of Gt, showing the first three steps of the iterative process

图2. Gt的前三步迭构造

点数和总边数

本文所研究的四正则网络模型是由两条边连接两个构成的(如图2)。并计算得到了的总点数和总边数

3. 拓扑特性

3.1. 直径(Diameter)

直径定义为网络中任意两个顶点间最小距离的最大值,它是反映网络最大传递延迟的属性。小的直径与小世界网络的概念是一致的,这里用直径代替平均路径长度来说明网络的小世界特性。用表示本网络模型的时间步时的直径。由图2知,,在接下来的每一迭代步中,直径随着新点的增加而增加.网络的直径满足如下公式:

用归纳法可证明公式成立,并且

因此直径随着节点数的增加呈对数形式增长,所以该四正则网络满足小世界网络特性。

3.2. 聚类系数(Clustering Coefficient)

聚类系数是用来衡量一个复杂网络的集团化程度。节点的聚集系数描述的是网络中与该节点直接相连的节点之间的连接关系,即与该节点直接相邻的节点间实际存在的边数目占最大可能存在的边数

的比例,的表达式为,式中表示节点的度,表示节点的邻接节点之间实际存在的边数。网络的聚集系数为所有节点聚集系数的算术平均值,即,其中为网络的阶。在步,。在接下来的每一步,都有

显然,当时,,具有较高的聚类系数,满足小世界特性。

4. 生成树数目(Spanning Trees)

生成树是一个连通图的一个极小连通子图,包含的所有个顶点,有条边的连通图。若为森林,则称它为的一个生成森林。我们找出了的关系(如图3)。假设表示在中第步时的生成树数目,表示在中第步时具有两个分支的生成森林数目,那么通过计算的生成树数目来求得原模型的生成树数目,他们的关系如公式(1):

(1)

图3图4容易看出在第步时的生成树数目是通过迭代的方法由步得到的,并且步的生成树是由步生成树和生成森林共同构成的,有以下几种情形:

图5可以看出的包含两个分支的生成森林有以下几种情形:

(2)

其中:

Figure 3. The network model Ft and Gt at step t

图3. t步时的网络Ft和Gt

Figure 4. The number of spanning trees of Ft

图4. Ft的生成树数目;

Figure 5. The number of spanning forests with two components of Ft

图5. Ft中具有两个分支的生成森林数目

,则,其中

因此可得

注意到,代入式得:

(3)

同理,可得:

(4)

根据(3),(4)式可推出公式(1)得到的生成树数目:

则通过生成树数目计算出了的生成树的熵:

我们计算出了的生成树树数目的精确解,以及该网络生成树的熵。通过所得到的不同网络生成树的结果,我们将的生成树数目的熵与其他具有相同平均度的网络进行比较。文献[2] 中平均度为4的分形无标度网络的生成树的熵为,文献[11] 中伪分形无标度网络的生成树的熵为0.8959,二维Sierpinski网络的生成树的熵为[9] ,它们都于小于1.099。因此,该小世界正则网络上的生成树数目比其他具有相同平均度网络的生成树的数目较大.这说明了两个网络生成树存在差别的主要原因在于它们的结构差异。

5. 总结

本文用迭代的方法构造了一类具有小世界效应的四正则网络模型,分析并得到了网络包括直径和聚类系数的主要拓扑特性。生成树作为网络结构性质的一个重要物理量,我们给出了此类四正则网络的生成树数目计算方法,得出生成树数目公式及熵。研究发现,所研究网络的生成树的熵与具有相同平均度的其他网络形成了鲜明的对比,这一四正则小世界网络上的生成树数目比其他具有自相似结构网络生成树的数目要多,也说明了不同网络之间的结构差异,我们给出的生成树数目的计算方法也可以应用到其他自相似网络上。

基金项目

科技部973专项(No.2010CB334708)、国家自然基金项目(No.61164005)、教育部长江学者与创新团队支持计划(No.IRT1068)、青海省自然基金项目(No.2012-Z-943)。

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