複雜系統與複雜網路

2021-05-09 23:29:50 字數 2254 閱讀 1655

複雜系統與複雜網路

20世紀

90年代以來,以

internet

為代表的資訊科技的迅猛發展使人類社會大步邁入了網路時代。從

internet

到www

,從大型電力網路到全球交通網路,從大腦神經網路到各種新陳代謝網路,從科研合作網路到各種經濟、政治、社會關係網路等,可以說,人們已經生活在乙個充滿著各種各樣的複雜網路的世界中。人類社會的網路化是一把「雙刃劍」:它既給人類社會生產與生活帶來了極大便利,提高了人類生產效率和生活質量,但也給人類社會生活帶來了一定的負面衝擊,如傳染病和計算機病毒的快速傳播以及大規模的停電事故等。因此,人類社會的日益網路化需要人類對各種人工和自然的複雜網路的行為有更好的認識。長期以來,通訊網路、電力網路、生物網路、和社會網路等分別是通訊科學、電力科學、生命科學、和社會學等不同學科的研究物件,而複雜網路理論所要研究的則是各種看上去互不相同的複雜網路之間的共性和處理它們的普適方法。

20世紀末開始,複雜網路研究正滲透到數理學科、生命學科和工程學科等眾多不同的領域,對複雜網路的定量與定性特徵的科學理解,已成為網路時代科學研究的乙個極其重要的挑戰性課題,甚至被稱為「網路的新科學(

new science of networks

)」。

以生命科學為例,

20世紀的生命科學研究主流是建立在還原論基礎上的分子生物學。還原論的基本前提是,在由不同層次組成的系統內,高層次的行為是由低層次的行為所決定的。具有還原論觀點的生物學家通常認為,只要認識了構成生命的分子基礎(如基因和蛋白質)就可以理解細胞或個體的活動規律,而組分之間的相互作用常常被忽略不計。儘管基於還原論的分子生物學極大地促進了人類對單個分子功能的認識,然而絕大多數生物特徵都來自於細胞的大量不同組分,如蛋白質、

dna、

rna和小分子之間的互動作用。對這些極其複雜的互動作用網路的結構和動力學的理解已成為21

世紀生命科學的關鍵性研究課題和挑戰之一。

對網路的科學研究最早起源於著名的尤拉七橋問題。之後的近兩百年中,數學家們一直致力於對簡單的規則網路和隨機網路進行抽象的數學研究。隨著近年來計算機儲存能力和處理資料能力的增強,以及一些大規模系統的資料庫的建立,人們重新獲得了真實網路的特徵資料,發現真實網路既不是規則的,也不是隨機的,而是呈現一定規律的複雜網路。複雜網路之所以複雜,不僅在於網路規模的巨大,網路結構的複雜,而且網路在時間、空間上都具有動態的複雜性,網路行為也具有複雜性。

許多真實系統都可以用網路的形式加以描述,乙個典型的網路是由許多節點與鏈結節點之間的邊組成的。節點代表系統中的個體,邊則表示節點之間的作用關係。如

www網路可以看成是網頁之間通過超連結構成的網路;

internet

網路可以看作不同的計算機通過光纜鏈結構成的網路;科學家合作網路可以看作不同的科學家合作關係構成的網路;基因調控網路可以看作是不同的基因通過調控與被調控關係構成的網路。

這些真實網路的普遍存在,促使來自不同學科領域的科學家共同致力於複雜網路的研究。這些學科領域包括複雜性科學、數學、物理、生物、計算機等。複雜網路的研究可以使人們更好的了解現實世界的複雜系統,為設計具有良好效能的網路提供依據。同時複雜網路的理論成果將會廣泛地應用到生物、計算機等各個學科領域。

複雜網路的研究大致可以描述為三個密切相關但又依次深入的方面:大量的真實網路的實證研究,分析真實網路的統計特性;構建符合真實網路統計性質的網路演化模型,研究網路的形成機制和內在機理研究網路上的動力學行為,如網路的魯棒性和同步能力,網路的擁塞及網路上的傳播行為等。

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複雜網路基礎

參考書籍 複雜網路基礎理論 侵刪 第一章 緒論 人類把自己生存的世界變成了網路世界,網路越發達越有效,世界就越小,人的社會性就會得到強化 人是社會性動物可能就是這個意思吧 隨機網路是指在由n個節點構成的圖中以概率p隨機連線任意兩個節點而成的網路,即兩個節點之間連邊與否不再是確定的事,而是由概率p決定...

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