復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)刻畫與蛋白質(zhì)作用網(wǎng)絡(luò)的建模研究.pdf

1、隨著互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的興起，網(wǎng)絡(luò)日漸滲入我們生活的方方面面。人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)與日俱增的依賴激發(fā)了研究者對(duì)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)這一新興領(lǐng)域的研究熱潮。除了常見的互聯(lián)網(wǎng)、萬維網(wǎng)和電網(wǎng)等人工網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)研究的對(duì)象還包括神經(jīng)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和蛋白質(zhì)作用網(wǎng)絡(luò)等自然網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)不僅規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且還處于無時(shí)無刻的變化當(dāng)中。面對(duì)這樣一種復(fù)雜的對(duì)象，兩個(gè)很自然的問題是：它究竟長(zhǎng)什么樣?它又是怎么來的?本文圍繞著這兩個(gè)基本問題，試圖通過網(wǎng)絡(luò)刻畫方法描繪它的樣

2、子，通過建模理解來推測(cè)它的形成演化機(jī)制。這里先提出一個(gè)網(wǎng)絡(luò)刻畫方法，隨后將其應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)比較和模型評(píng)估。以蛋白質(zhì)作用網(wǎng)絡(luò)為例，運(yùn)用多種評(píng)估方法總結(jié)多個(gè)模型的優(yōu)缺點(diǎn)，通過融合改進(jìn)來獲得更為真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)模型，最終推測(cè)網(wǎng)絡(luò)的形成演化機(jī)制。本文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1.提出了一種曲線化的網(wǎng)絡(luò)刻畫方法。該方法通過廣度優(yōu)先遍歷獲取網(wǎng)絡(luò)的多尺度結(jié)構(gòu)信息，并將網(wǎng)絡(luò)表達(dá)為可作定量分析的曲線形式。針對(duì)是否每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都擁有自己獨(dú)特的曲線這一嚴(yán)

3、格而困難的問題，這里先得到曲線的一個(gè)一般表達(dá)式，然后將其應(yīng)用于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)和一類小世界網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)這兩類網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算顯示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)趨近無窮大時(shí)，它們擁有自己獨(dú)特的曲線，一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于一條網(wǎng)絡(luò)曲線。接著，通過分析發(fā)現(xiàn)，該曲線不僅可以清晰地分辨不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，反映相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)結(jié)構(gòu)屬性，還可以解釋網(wǎng)絡(luò)中的一些特殊現(xiàn)象，例如一個(gè)均質(zhì)的小世界網(wǎng)絡(luò)會(huì)在路由跟蹤采樣下呈現(xiàn)出一副非均質(zhì)的無標(biāo)度表象。
　　 2.基于上述的網(wǎng)絡(luò)曲線提出了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)比較

4、方法。該方法將網(wǎng)絡(luò)曲線視為從大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中提取的結(jié)構(gòu)特征，運(yùn)用這一特征定義了一個(gè)用于度量網(wǎng)絡(luò)間結(jié)構(gòu)差異的網(wǎng)絡(luò)距離，并利用該距離進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)的比較與分類。網(wǎng)絡(luò)比較可以幫助一個(gè)模型找到最符合實(shí)際數(shù)據(jù)的那組參數(shù)，而網(wǎng)絡(luò)分類可以在一堆模型中為真實(shí)網(wǎng)絡(luò)找到最相符的那個(gè)。通過對(duì)蛋白質(zhì)作用網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)估計(jì)與模型評(píng)估，驗(yàn)證了該比較與分類方法的有效性和魯棒性。此外，相比于基于小子圖統(tǒng)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)比較方法，本文方法不僅更具計(jì)算可行性，而且還提供了小子圖統(tǒng)計(jì)所缺欠

5、的結(jié)構(gòu)信息，增強(qiáng)了比較的可靠性。
　　 3.提出了一個(gè)綜合考慮基因復(fù)制和邊重連機(jī)制的蛋白質(zhì)作用網(wǎng)絡(luò)模型。在蛋白質(zhì)作用網(wǎng)絡(luò)的建模研究中，基因復(fù)制與邊的重連過程被認(rèn)為是塑造網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要機(jī)制。雖然這兩種機(jī)制都非常重要，但限于前期模型評(píng)估方法的局限性，致使現(xiàn)有模型或偏重于基因復(fù)制，或偏重于邊的重連。本文采用多種互補(bǔ)的模型評(píng)估方法，比較了三個(gè)有競(jìng)爭(zhēng)力的網(wǎng)絡(luò)模型，通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，互補(bǔ)變異的基因復(fù)制適合于重現(xiàn)果蠅蛋白質(zhì)作用網(wǎng)絡(luò)的局部結(jié)構(gòu)，