Netzwerke und Perkolation Christian Tutsch Physik, Würzburg 1. Netzwerkmodelle 2. Metabolische Vernetzung 3. Perkolation 4. Evolution.

Download Report

Transcript Netzwerke und Perkolation Christian Tutsch Physik, Würzburg 1. Netzwerkmodelle 2. Metabolische Vernetzung 3. Perkolation 4. Evolution.

Netzwerke und Perkolation
Christian Tutsch
Physik, Würzburg
1. Netzwerkmodelle
2. Metabolische Vernetzung
3. Perkolation
4. Evolution
1
Random Graph Theory
Paul Erdös, Alfréd Rényi um 1960
N Knoten i mit ki Bindungen
P(ki  k )  CNk 1 pk (1  p) N 1k
P(k )  e
 pN
( pN ) k
k!
Barabási, Rev. Mod. Phys. 74, 47 (2002)
Q: Eigenschaft des Graphen
(existieren Dreiecke, Größe, …).
für viele Q eine pc (N )
E
0 für
lim PN , p (Q)  
N 
1 für
p( N ) pc ( N )  0
p( N ) pc ( N )  
2
Small World Modell
Watts, Strogatz 1998
Start mit N Knoten,
K Nachbarbindungen
Ändere jede Bindung mit p
Barabási, Rev. Mod. Phys. 74, 47 (2002)
Skalierung der Pfadlänge l
Abkürzungen für große p
kleine p: l ~ N
große p: l ~ ln N
Schwelle p  2 NK
*
crossover-Länge N
N  N *  l ~ N , N  N *  l ~ ln N
3
Eigenschaften
Exponentielle Abnahme der Verknüpfungshäufigkeit,
keine hochvernetzten Strukturen
statisch, kein Wachstum
zufällige Verknüpfungen,
keine Gewichtung der Knoten
4
Beispiele
Schauspieler
Versorgungsnetze
World Wide Web
Scaling in nicht-menschlichen Netzen?
5
Konstruktion eines realeren Netzes
Starte mit m0 Knoten
Wachstum:
In jedem Zeitschritt 1 neuer
Knoten
m  m0 -fach verlinken
Bevorzugte Verknüpfung:
Wichtung nach Verknüpfungszahl existierender Knoten
 (ki )  ki

j
kj
6
reales (?) Netz
Ergebnis nach der Zeit t:
m0+t Knoten
m∙t
Verknüpfungen
Barabási, Science 286, 509 (1999)
P(k) ~ k-g mit
g = 2.9±0.1
skalenfreier, stationärer
Zustand
7
Simulationen
Sind sowohl Wachstum wie auch bevorzugte
Verknüpfung notwendige Kriterien?
Modell A:
Gleichverteilte Verknüpfungswkt.
  1 m0  t 1
Ergebnis:
Große Cluster treten nicht auf,
P(k ) ~ e k
8
Simulationen
Modell B: Start mit N nichtverknüpften Knoten,
dann
 (ki )  ki

j
kj
Ergebnis: Anfangs Verhalten nach Potenzgesetz,
dann Sättigung
Wachstum und bevorzugte Verknüpfung
sind notwendige Kriterien.
9
Metabolische Vernetzung
Funktionalität von biologischen Zellen:
Modulierung in Untereinheiten (Organellen, Botenstoffe)
Andererseits: Betrachtung als biochemisches Netzwerk
mit Vielzahl von Wechselwirkungen, skalenfrei g = 2.2
hochvernetzte Knoten: Pyruvat, Coenzym A
Barabási, Science 297, 1551 (2002)
Vereinbarkeit von Skalenfreiheit und Modularität?
10
Clusterkoeffizient
ci 
2n
ki (ki  1)
n: Anzahl der Verbindungen,
die die nächsten Nachbarn
von Knoten i direkt verknüpfen
1 N
c   ci
N i 1
mittlerer Clusterkoeffizient als
Maß für die Modularität eines Netzes
n  6  ci  1
n  3  ci 
1
2
n  0  ci  0
43 Organismen untersucht:
c
eine Größenordnung höher
unabhängig von Clustergröße
11
Hierarchische Netze
heuristische Lösung: hierarchisches Netz:
skalenfrei, Cluster als Knoten
g  2.26 c  0.6
c unabhängig von der Größe, aber:
c(k ) ~ k 1
Modell:
4er Modul
ki=4, ci=1/2
16er Modul
ki=13, ci=2/16
64er Modul
ki=40, ci=2/40
12
Einführung Perkolation
Anzahldichte von s-Clustern:
ns
Wahrsch.verteilug für Punkte:
s  ns
Adami, Introduction To Artificial Life,
Springer (1998)
Momente der Verteilung:
Besetzungswahrsch.
p  s s  ns
mittlere Clustergröße
S 
1
2
s
 ns

s
p
13
Experiment
p = 0.50
p = 0.58
p = 0.59
14
einige Größen
Stärke des unendlichen Clusters
1  p  s sns  pP  1
Korrelationsfunktion
g
r 0
p
(r )  S
p
Korrelationslänge
g p ( )  1 e
implizite Definition
 2 ( p) 
g p (r)  er 
2
r
r g p ( r )

r
g p (r )
15
Das Bethe-Gitter
„Cayley-Baum“
l=3
Oberfläche, Volumen
l=2
l=1
S (l )  z( z 1)l 1 , S ~ V
Korrelationsfunktion
g p (l )  z ( z  1)
l 1
l groß
p  el ln p ( z 1)
l
Perkolationsschwelle
1
pc 
z 1
Koordinationszahl z = 3
16
Das Bethe-Gitter
Perkolationswahrscheinlickeit
1
p  pc 
 P0
2
1
2 p 1
p  pc 
 P
2
p2
l=3
l=2
l=1
Koordinationszahl z = 3
17
Scaling um pc
Forderung: weitere Kenngrößen folgen Potenzgesetzen,
Einführung universeller kritischer Exponenten.
Umfang:
t (s)  z  ( z  2)(s  1)
Clusterdichte:
ns ( p)  gs p s (1  p) z ( z 2)( s1)
für p  pc :
ns ( p) ~ s e
Clustergröße:
S  1   g p (l )  pc

 s ( p  pc ) 2
l 1
S ~ p  pc
g  1,   1 2    5 2
( 3) 
1 p
1 p
~ p  pc
g
unabhängig von z
18
RGT und Perkolation
N Knoten,
p  pc
N   pc 
1
N
P  0
Cluster = Bäume
größter Cluster ln(N )
Bethe-Perkolation
pc 
1
z 1
Cluster = Fraktale
g p (r)  e-r/ skaliert mit ln(N )
p  pc
23
einziger riesiger Cl. ~ N
p  pc
riesiger Cl. mit komplexer
Struktur, Schleifen
ns ~ s 5 2 , größter Cl. ~ N 2 3
unendlicher Cluster
ist kompakt
19
Evolution
Hinweis auf Scaling in taxonomischen Verteilungen
Evolution durch Perkolation auf Bethe-Gitter
beschreibbar?
Gen-Raum  euklidischer, hochdimensionaler Raum
Abstand  Anzahl der benötigten 1-Schritt-Mutationen
Anzahl nächster Nachbarn  Anzahl möglicher
1-Schritt-Mutationen
Genome: Länge l, Alphabet D  ( D  1)  l Nachbarn
dim 
1
( D  1)  l
2
20
Evolution
l groß, keine Schleifen  Bethe-Gitter mit z  ( D  1)  l
pc 
1
1
1
1


~
z  1 ( D  1)  l  1 ( D  1)  l l
Wie groß ist die Besetzungswahrscheinlichkeit?

ns ( p) ~ s exp( p  pc
1
Bethe
s)  s 5 2 exp[( p 
1
) 2 s]
( D  1)l  1
Messung der Verteilung
Abweichungen vom Potenzverhalten?
21
Taxonomie
Häufigkeitsverteilungen der Größe biologischer Gattungen
Burlando, Journal of Theor. Biology 146, 99 (1990)
22
Fraktale Dimension
Messungen der Größe von Fraktalen liefern unendliche
Reihen bei Reduzierung der Skaleneinheit 
F ( ) ~   D
Ergebnisse:
Ähnliches D für gleiche Spezies
Unterschied marin / kontinental
23
Was wollte ich erreichen?
Verschiedene Ansätze zum Verständnis von
Netzen
Vielversprechend: Dynamisches Modell
Hierarchisches Modell
Perkolation: Anderer Blickwinkel
Evolution: Bethe – Perkolation, skalenfrei
24
References
Barabási, Science 286, 509 (1999)
Barabási, Rev. Mod. Phys. 74, 47 (2002)
Barabási, Science 297, 1551 (2002)
Burlando, Journal of Theor. Biology 146, 99 (1990)
Adami, Introduction To Artificial Life, Springer (1998)
25