隨機圖與網路

隨機正則圖與隨機幾何圖(random regular and random geometric graphs)

這兩個模型位於隨機圖光譜的兩端,與厄多斯-雷尼互補。隨機 d-正則圖是每個頂點度數恰為 d 的均勻隨機圖——可能最齊次的度數序列,一個完全沒有度數漲落的模型。隨機幾何圖(RGG)則相反:頂點是隨機散布於空間的點(譬如單位方形中 n 個均勻點,或某區域中 n 個卜瓦松點),兩點只要落在固定距離 r 之內便相連——一個內建幾何、有強烈局部聚類的模型。它們回答的問題是:當我們移除度數隨機性(正則)或加入真實幾何(幾何)時,隨機圖現象會如何?

固定 d >= 3 的隨機 d-正則圖最好以條件於簡單的組態模型(所有度數皆為 d 的配對模型)生成與分析,它均勻且為簡單的機率遠離 0。對 d >= 3 它 whp 連通、甚至 d-連通,它是極佳的擴張子(其鄰接矩陣第二大特徵值接近拉馬努金界 2 sqrt(d-1),由 Friedman 定理),它的直徑為 (log n)/(log(d-1)) 階,而其局部極限是無限 d-正則樹——故它本質上是正則樹的一塊有限、連通、擴張的部分。它沒有巨大連通分量相變(對每個固定 d >= 3 都連通)且少有短圈。隨機幾何圖受其維度與半徑支配:在 D 維、n 個點、連接半徑 r 下,平均度數約為 n 乘以半徑 r 球的體積,而連通門檻(Penrose)同樣與孤立點的消失重合,發生在使 n r^D 乘以球體積常數約為 log n 的 r。關鍵是 RGG 高度聚類——一個頂點的兩個鄰居彼此也接近、因而很可能相連——故不同於厄多斯-雷尼,它有大量三角形且不是局部樹狀的。

隨機正則圖之所以重要,是作為典範的稀疏擴張子——是編碼理論、去隨機化與馬可夫鏈快速混合理論的核心——以及作為連通性(contiguity,d-正則圖的不同構造「相通」,意指 whp 事件重合)最乾淨的測試。隨機幾何圖在凡空間為真之處都重要:無線臨機與感測器網路、空間傳染病與聚類。要保持的誠實:這兩個模型恰在要緊處與厄多斯-雷尼行為迥異。RGG 的高聚類與依維度而定的行為意味其連通性、滲流與譜性質由幾何、而非平均場分支啟發支配;且其滲流相變是連續體滲流問題,臨界密度非顯式、依維度而定。隨機正則圖反之則全無度數異質性,故即使是絕佳的數學物件,卻是真實網路的拙劣模型。

n = 10000 個頂點上的隨機 3-正則圖 whp 連通、直徑約 (log n)/(log 2) = 13.3、第二特徵值接近 2 sqrt(2) = 2.83(近拉馬努金擴張子)。對照之下,單位方形中 n 個點、半徑 r 調到平均度數 3 的隨機幾何圖並不連通——直到 r 增長到使 n pi r^2 達到 log n 之前都有孤立點,且它充滿三角形,因鄰近點共享鄰居。

正則圖:完美擴張子、樹狀、無聚類。幾何圖:高度聚類、由幾何驅動、非樹狀。

隨機幾何圖不是局部樹狀且充滿三角形,故平均場分支啟發與厄多斯-雷尼公式不適用;其滲流/連通由幾何支配。隨機正則圖度數異質性為零,儘管是絕佳擴張子,卻拙於擬合真實網路。

又稱
random d-regular graphrandom geometric graphRGGGilbert disc model隨機 d-正則圖隨機幾何圖吉爾伯特圓盤模型