Badanie cech lokalnej topologii sieci społecznych metodą analizy motywów sieciowych - perspetktywy... - zastosowania... - future work... Krzysztof Juszczyszyn Krzysztof Juszczyszyn www.iit.pwr.wroc.pl/~krzysiek
Ps. Centralności... Betweenness: Prawie jak dynamika... (miara strukturalna, aktywność w tle )
MOTYWY SIECIOWE 1. Motywy sieciowe (network motifs) koncepcja, zastosowania, perspektywy... 2. Wyniki badania sieci społecznej pracowników PWr metodą analizy motywów sieciowych
MOTYWY SIECIOWE Systemy sieciowe -analogie... -Modele W-S, B-A,...
Network Sciences -problemy,dane,algorytmy.. Unifikacja pod wpływem rozwoju oraz upowszechnienia technik informatycznych
MOTYWY SIECIOWE Geneza metody - dlaczego bioinformatyka? - nieporównywalne z innymi dziedzinami repozytoria danych (ilość). - wieloletnie badania struktur sieciowych (sieci metaboliczne, regulacji genów, katalityczne, komórkowe... - szczegółowość). - powyższe w odniesieniu do wielu organizmów (różnorodność) Poszukiwania metod klasyfikacji struktur sieciowych.
MOTYWY SIECIOWE Motyw sieciowy (network motif): wzorzec połączeń między węzłami sieci ( podgraf), występujący częściej (rzadziej) niż w grafie losowym o tych samych parametrach (liczbie węzłów i połączeń). Milo R., Shen-Orr S., Itzkovitz S., Kashtan N., Chklovskii D., Alon U. (2002) Network motifs: simple building blocks of complex networks. Science, 298, 824 827.
MOTYWY SIECIOWE Typowe rozmiary motywów 3-7 węzłów. Miary obecności motywów w sieciach: Z-score najpopularniejsza miara statystyczna. Koncentracja C w porównaniu z innymi motywami.
Efekt występowania motywu w sieci i
MOTYWY SIECIOWE Występowanie: Wszędzie: Sieci informacyjne, społeczne, biologiczne, ewolucyjne, biochemiczne,... praktycznie każda nielosowa (czyt.: rzeczywista) struktura sieciowa. wszędzie nie znaczy te same ani też w takich samych proporcjach... (bakteria E.coli sieć transkrypcji genów) Mangan S.et.al. (2003) The coherent feedforward loop as a sign-sensitive delay element in transcription networks. Journal of Molecular Biology., 334, 197 204.
Levitt R. et.al. (2004) Superfamilies of evolved and designed networks. Science 303(5663), 1538 42.
MOTYWY SIECIOWE Wykrywanie motywów: 1. Przegląd zupełny grafu sieci. Bardzo kosztowne obliczenia - dla motywów 5-7 węzłowych oraz dużych sieci ( > ~10 5 węzłów) nie praktykuje się. 2. Próbkowanie sieci (network sampling) Tanio - maksymalnie O(n 2 )
Network sampling motywy n-węzłowe NETWORK MOTIFS S. Itzkovitz S., Milo R., Alon U. (2004) Efficient sampling algorithm for estimating subgraph concentrations and detecting network motifs, Bioinformatics, 20 (11), 1746 1758.
Network sampling przykł. wyniki WWW; 325tys. węzłów, 1.46mln połączeń (Barabasi & Albert, 1999) NETWORK MOTIFS
Network sampling wydajność NETWORK MOTIFS
MOTYWY SIECIOWE Własności algorytmów wykrywania motywów via network sampling: Minimalny koszt (np.: typowo liczba próbek rzędu 0.1%~1% całkowitej liczby triad w sieci wystarcza do utworzenia TSP z pożądaną dokładnością). Złożoność maksymalnie O(n 2 ). (perspektywa) Zgodność koncepcji z technologiami agentowymi.
MOTYWY SIECIOWE Motywy kolorowane... Kolorowanie motywów kolor krawędzi w zależności od lokalności połączeń. Symulacje wskazują korelację między topologią sieci (np. lokalność połączeń) a stężeniem motywów. Chung-Yuan H., Chuen-Tsai S., Chia-Ying C., Ji-Lung H. (2007) Bridge and brick motifs in complex networks, Physica A, 377, 340 350.
MOTYWY SIECIOWE Motywy vs Watts&Strogatz
Motywy a stabilność struktury (przy zadanej interpretacji) Social balance on networks: The dynamics of friendship and enmity, Antal, T.; Krapivsky, P. L.; Redner, S. Physica D: Nonlinear Phenomena, Volume 224, Issue 1-2, p. 130-136, 2006.
Lokalna topologia a stabilność struktur w dużej skali...? Zależność TSP krytyczne zmiany w strukturze sieci...??? Social balance on networks: The dynamics of friendship and enmity, Antal, T.; Krapivsky, P. L.; Redner, S. Physica D: Nonlinear Phenomena, Volume 224, Issue 1-2, p. 130-136, 2006.
... Zjawiska krytyczne (X-events, np.: przejścia fazowe) a lokalna topologia sieci...
Krytyczna zmiana własności sieci (po przekroczeniu N i Krytyczna zmiana własności sieci (po przekroczeniu N i potem 2N połączeń) BEZ znaczących zmian ilościowych (liczba węzłów i krawędzi)...
Software: NETWORK MOTIFS http://www.minet.uni-jena.de/~wernicke/motifs/index.html http://mavisto.ipk-gatersleben.de/ http://www.weizmann.ac.il/mcb/urialon/
Społeczna sieć komunikacyjna utworzona na podst. logów serwera poczty PWr. SIEĆ SPOŁECZNA PWr Węzłów: 5.783 Krawędzi : 136.830
SIEĆ SPOŁECZNA PWr Detekcja motywów sieciowych - cele eksperymentu: - Określenie podstawowych parametrów metody (ilość generowanych sieci losowych, częstość próbkowania,...) dla dalszych prac. -Potwierdzenie możliwości detekcji znanych własności topologicznych sieci społecznych (high g clustering) metodą ą analizy występowania motywów. - Zbadanie lokalnych własności topologicznych sieci w zależności od intensywności powiązań (wag krawędzi) Badana sieć: 5.783 węzłów 136.830 skierowanych krawędzi 13.594.995 triad
Oprogramowanie: FANMOD SIEĆ SPOŁECZNA PWr Wernicke.S. (2006) Efficient detection of network motifs. IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 3 (4), 347 359,. Wernicke S., Rasche F. (2006) FANMOD: a tool for fast network motif detection. Bioinformatics, 22 (9), 1152 1153.
TSP sieci społecznej PWr SIEĆ SPOŁECZNA PWr
SIEĆ SPOŁECZNA PWr Podział krawędzi wg. intensywności połączeń Class 1 (MIN) Class 2 Class 3 Class 4 Class 5 (MAX) All No. of nodes 5,783 5,782 5,783 5,783 5,782 5,783 No. of edges 31,170170 36,841 20,083083 33,168 15,568568 136,830
Profil TSP sieci społecznej PWr dla klas intensywności połączeń SIEĆ SPOŁECZNA PWr
SIEĆ SPOŁECZNA PWr Konkluzje: - Potwierdzenie ogólnego profilu motywów charakterystycznego dla sieci społecznych (+ Z-score pełnych, - Z-score dwukrawędziowych motywów) - Potwierdzenie struktury sieci (clustering) - Stwierdzenie i cech charakterystycznych t h (+M1) - Stwierdzone zachowanie Z-score motywów dla różnej siły połączeń ł ń (zmiana znaku: M1 i M4, wyraźnaź zmiana wartości: M7 oraz M13)
SIEĆ SPOŁECZNA PWr Oryginalne (w kontekście literatury przedmiotu) wyniki: - Analiza TSP dla dużej sieci społecznej. - Analiza TSP opartej na komunikacji mailowej, określenie różnic w porównaniu z opisanymi sieciami społecznymi. - Zbadanie TSP dla kilku klas intensywności połączeń (zachowanie motywów w grafie z wagami krawędzi)
NETWORK MOTIFS DYNAMIKA... TSP na bazie danych z okresu II 2006 IX 2007. Omówiony kształt TSP potwierdzony dla każdego miesiąca. Jednak... J s c s n K M siał K Ka ienko P Gabr s B Temporal Changes in Local Juszczyszyn K., Musiał K., Kazienko P., Gabrys B., Temporal Changes in Local Topology of an Email-Based Social Network, Computing and Informatics, vol 28 (-) (to appear).
Agents that communicate Z-score Motifs M1-M13 Months nr 1-20 (II 2006-IX 2007) IX 2007)
400 Z-score 300 Agents that communicate 200 100 0-100 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19-200 -300 Max. Wariancja... Consecutive Months M1 M13 M7 M4
400 Z-score 300 Agents that communicate 200 100 0-100 VII-IX 2006 IX VII-IX 2007 IX 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19-200 -300 Consecutive Months M1 M13 M7 M4
ges of Ed No. 30000 Agents that communicate 25000 20000 15000 10000 5000 0 VII-IX 2006 VII-IX 2007 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Consecutive Months Edges Uni-Dir Bi-Dir
Agents that communicate
Agents that communicate
NETWORK MOTIFS Open questions & challenges : Geografia motywów wsieci i (wpływł na własnościł ś i ewolucję?) Motywy a inne parametry (wsp. grupowania, centralność, pozycja społeczna węzła... ę możliwości szacowania na podstawie analizy motywów?) Perspektywy badań porównawczych wielkich sieci społecznych Wymiar czasowy ewolucja systemów: Szansa na zdjęcia poklatkowe szybkozmiennych struktur sieci. Motywy a ewolucja sieci. Motywy a zjawiska krytyczne w sieciach. Możliwości zastosowań w badaniu sieci (użytkowników, ( y, programów,...) bazujących na systemach teleinformatycznych.
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ