Chung-Lu 與隨機區塊模型(the Chung-Lu and stochastic block models)
/ chung loo; SBM /
這些是非齊次隨機圖:G(n,p) 的推廣,容許邊機率依賴於牽涉的是哪些頂點。Chung-Lu 模型針對每個頂點的指定期望度數(是組態模型的一種柔性、獨立邊替代品);隨機區塊模型(SBM)把頂點分成若干社群,使邊機率依賴於兩端點所屬的社群。二者合起來是真實網路兩個最重要、而厄多斯-雷尼所缺特徵的典範模型:異質度數與社群結構。它們回答的問題是:如何在保持邊獨立的同時,建構一個既有樞紐、又有團簇、且易處理的隨機圖?
在 Chung-Lu 模型中每個頂點 i 被賦予一個權重 w_i,而邊 (i,j) 各自獨立地以正比於 w_i w_j 的機率出現(具體約為 w_i w_j / (sum_k w_k),上限為 1)。於是 i 的期望度數本質上是 w_i,故指定權重就指定了期望度數序列——而選冪律權重便得到一個邊獨立的冪律圖,這比組態模型遠易分析。在有 q 個社群的隨機區塊模型中,每個頂點以社群標號,社群 a 與 b 中的兩頂點各自獨立地以機率 B_{ab} 相連(一個 q 乘 q 的機率矩陣)。「同配」(assortative)情形 B_{aa} > B_{ab} 描述內部比社群間更稠密的社群。二者都是 Bollobas-Janson-Riordan 一般非齊次隨機圖的特例,其中邊 (i,j) 以機率 kappa(x_i, x_j)/n 出現,kappa 是頂點型別空間上的核;巨大連通分量與其他特徵便可由 kappa 構造的積分算子讀出(巨人存在當且僅當該算子範數超過 1,這是「平均度數大於 1」的算子論推廣)。
這些模型是現代社群偵測與網路統計的基礎。SBM 尤其是一個尖銳演算法相變的試驗場:在兩社群稀疏 SBM 中,內部機率 a/n、社群間機率 b/n,當且僅當 (a - b)^2 > 2(a + b) 時社群能優於隨機猜測地被恢復(弱恢復)——這是 Kesten-Stigum/Decelle-Krzakala-Moore-Zdeborova 門檻,在它之下劃分在資訊理論上不可見。誠實的提醒:Chung-Lu 與 SBM 在給定型別下保持邊獨立,這使它們便於分析,但意味它們與厄多斯-雷尼共享局部樹狀、低聚類的本性——它們生成樞紐與區塊,卻少有三角形,故仍不重現社交網路的高聚類。且 SBM 的恢復門檻是關於此生成式模型的定理;真實的社群偵測須應對模型設定錯誤,而乾淨的門檻理論並未處理這點。
在對稱 2 社群 SBM 中(n 頂點、內部邊機率 a/n、社群間邊機率 b/n),植入劃分的弱恢復可能當且僅當 (a-b)^2 > 2(a+b)。例如 a = 6、b = 1 給 (a-b)^2 = 25 而 2(a+b) = 14,故 25 > 14——社群可恢復。把對比降到 a = 4、b = 3:(a-b)^2 = 1 < 2(a+b) = 14,則無任何演算法能勝過隨機猜測。
Kesten-Stigum 門檻 (a-b)^2 = 2(a+b):在它之下,植入的社群在統計上不可偵測。
如同 G(n,p),這些在給定頂點型別下保持邊獨立,故局部樹狀、幾無三角形——它們捕捉樞紐與社群,卻不捕捉真實社交網路的高聚類。偵測門檻是關於模型的定理,而非關於設定錯誤的真實資料。