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Reti Complesse.

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Presentazione sul tema: "Reti Complesse."— Transcript della presentazione:

1 Reti Complesse

2 Indice Sistemi complessi e reti complesse
Esempi di reti reali complesse Alcune proprietà: Piccolo mondo, Clustering, Centri. Storia della teoria delle reti complesse.

3 Sistemi Complessi Gli scienziati guardando qualcosa cercano di capire come riesce a fare ciò che fa ovvero il suo funzionamento…. Una delle osservazioni più importanti nella storia della scienza è che ogni cosa è fatta di parti e quindi sembra ragionevole cercare di capire come funziona ogni singola parte. Poi si scopre che ogni parte è a sua volta fatta di parti e allora si cerca di capire il funzionamento delle singole parti e così via…fino a dimenticare l’oggetto principale dello studio iniziale, il tutto. Es: corpo umano sistema nervoso, scheletrico, ecc. organi molecole atomi particelle elementari. Per poi scoprire che anche le piante e le rocce sono fatte dalle stesse particelle elementari.

4 Le parti possono essere universali ma il modo in cui interagiscono è specifico di ogni sistema.
Per capire come un sistema sia in grado di fare quello che fa è importante capire la relazione tra le parti (sguardo sistemico) A volte il problema (se c’è) non è nelle parti ma nella loro relazione (esempio Beer Game) La teoria dei sistemi complessi è il nuovo (dagli anni ‘80 in poi) approccio della scienza per studiare come le relazioni tra le parti possono dare origine a comportamenti collettivi: il tutto è più delle parti ES: sistemi sociali formati da relazioni tra individui, cervello formato da relazioni tra neuroni.

5 Complesso non vuol dire complicato
Un sistema si dice complesso proprio quando il tutto è più della somma delle parti ovvero quando emergono proprietà dovute all’interazione tra le parti che le singole parti non hanno (ad esempio la mente umana) Un sistema si dice complicato invece quando il suo funzionamento si può comprendere dal funzionamento delle singole parti (esempio: un’automobile, un orologio svizzero, una navicella schuttle, etc..) A partire dagli anni 80 si è incominciato a studiare la realtà dal punto di vista sistemico riconoscendo in alcuni sistemi dei fenomeni emergenti non spiegabili dal comportamento delle singole parti

6 un insieme di punti e di linee che li connettono
La rappresentazione di un sistema complesso come rete aiuta a comprenderne il comportamento. RETE un insieme di punti e di linee che li connettono

7 Esempi Reti di organizzazioni Reti di contagio Reti di attività (PM): Critical Path Method Reti di citazioni

8 Email data Mining to discover social networks and emergent communities
Red, blue, or green: departments Yellow: consultants Grey: external experts “Social graph of the flows amongst a large project team. In addition to the network visualizations, network metrics were generated to see how well the various departments and groups were interacting. The diagram shows the project network soon after the missed deadline. Several of the hubs in this network were under-performing and often came across as bottlenecks. Project managers saw the need for more direct integration between the departments (more project team members). This intervention improved the information flow, and reduced the communication load on the hubs, whose performance improved later in the project”

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10 Forum from Nov 2007 to January 2009
Rete del progetto ManMade Forum from Nov 2007 to January 2009 The highest ranked topic is T1.4 (meetings). Most topics are on the periphery indicating that interaction of these topics amongst users has yet to start. data from forum

11 Rete nascosta www.orgnet.com
rete di terroristi dell’attentato dell’11 settembre 2001 9-11 Terrorist (?) Network Connecting multiple pairs of dots reveals an emergent network of organization.

12 Rete delle collaborazioni scientifiche

13 Reti di trasporti - Trasporti aerei Trasporti stradali

14 Reti (catene) alimentari

15 Reti bipartite/2-mode networks
Esempi: Fornitori-clienti (Trasporto) Macchine-Jobs (assegnamento) Autori-articoli Direttori-consigli d’amministrazione Ricercatori-convegni …. I nodi di un insieme sono in relazione grazie a quelli dell’altro

16 Altri esempi di reti reali: naturali o manmade
Social networks: Collaboration networks of researchers Phone calls networks networks Technological networks Electric power grid Railways Road networks Information networks Citation networks between academic papers World Wide Web Biological networks Food web Neural networks

17 La struttura risultante da reti di diverso tipo (persone, proteine,
connessioni internet) a volte è simile. E’ una rete sociale, tecnologica o biologica? Il funzionamento del sistema si può dedurre dalla sua struttura? Quali sono i nodi più importanti per il funzionamento del sistema?

18 La struttura di una rete ne determina il comportamento (e viceversa)?
Come si sono formate le reti reali? Sono state create da un essere supremo intelligente o sono emerse da semplici leggi che governano le loro componenti? Possiamo costruire reti simili artificialmente? Conoscere la struttura delle reti sociali può aiutare a prevenire la diffusione delle malattie o controllare la diffusione dell’informazione? Studiare la struttura delle reti tecnologiche (elettriche, Internet) può aiutare ad individuarne i punti critici e renderle più robuste ispirandosi ad esempio alla struttura delle reti naturali?.

19 Reti Reti Complesse

20 Complex Adaptive Systems
I nodi di una rete possono essere di diverso tipo e nodi dello stesso tipo avere diversi stati FRES1010 Complex Adaptive Systems Eileen Kraemer Fall 2005

21 Gli archi possono essere di diverso tipo e avere stati differenti
FRES1010 Complex Adaptive Systems Eileen Kraemer Fall 2005 Diverso colore Diverso spessore

22 Le reti complesse possono evolvere
FRES1010 Complex Adaptive Systems Eileen Kraemer Fall 2005

23 Esiste una definizione esatta di rete complessa
Esiste una definizione esatta di rete complessa? Che caratteristiche deve avere una rete per essere considerata complessa? In letteratura si è cercato di definire la complessità a partire da una rete statica con un solo tipo di nodi e di link (Solé, 2004)

24 A complex network is a network with non-trivial topological features, with patterns of connection between their elements that are neither purely regular nor purely random. Randomness: come evolve la rete; Heterogeneity: come sono distribuiti i gradi dei nodi Modularity: presenza di comunità

25 Non esiste una definizione esatta di rete complessa.
La figura di Solé ci aiuta a confrontare diversi tipi di complessità quindi sembra dire che la complessità è un concetto relativo e non assoluto. Una rete complessa E’ una rete intermedia tra una completamente ordinata ed una completamente casuale. Ha una struttura (modularità) E’ eterogenea: ci sono nodi con grado molto alto ed altri con grado molto basso.

26 Alcune proprietà comuni delle reti reali complesse
Reti con tanti nodi: n grande Numero di link m dello stesso ordine di grandezza di n Quindi la densità è in genere bassa La distanza media è molto piccola. Esperimento di Milgram e proprietà di Piccolo Mondo (Small World property). Sottoinsiemi molto connessi (alto clustering; modello di Watts e Strogatz) I gradi dei nodi hanno una distribuzione eterogenea. Sono presenti pochi nodi con grado molto alto e molti con grado basso (presenza di centri, reti Scale Free)

27 La proprietà di Piccolo Mondo (Small World)
Esperimento di Milgram (sociologo statunitense) (New York 1933-New York 1984) Ad un certo numero di persone in Omaha (Nebraska) e Wichita (Kansas) è stato chiesto di inviare delle lettere a persone obiettivo (in generale sconosciute) a Boston (Massachussetts). Ad ogni mittente è stato chiesto di inviare la lettera direttamente all’obiettivo, se conosciuto, oppure ad un suo amico il più possibile vicino all’obiettivo. Agli amici era stato chiesto di fare lo stesso. Risultato: le lettere che hanno raggiunto l’obiettivo l’ hanno fatto in meno di 6 passaggi (“six degrees”) da qui la conclusione che nelle reti sociali la distanza media tra i nodi è piccola ovvero vale la proprietà di Piccolo Mondo S. Milgram, The small world problem, Psych. Today, 2 (1967), pp

28 Rettore LIUC io CRUI Ministro Presidente Repubblica Obama

29 Implicazioni della proprietà di Small World

30 Proprietà di alto clustering (presenza di sottogruppi più connessi)
Le reti reali oltre alla proprietà di Piccolo Mondo hanno anche la proprietà di avere un alto clustering: Ad esempio in una rete Facebook (ego-network): i miei amici sono spesso amici tra di loro io

31 La proprietà di Alto Clustering è spesso presente nelle reti sociali insieme a quella di Piccolo Mondo l=distanza media tra i nodi C=clustering

32 Costruzione di una rete Small World con Alto Clustering (modello di Watts-Strogatz)
Watts e Strogatz nel 1998 hanno proposto un modello che concilia la proprietà di Alto Clustering con quella di Piccolo Mondo. A partire da un lattice ad anello si ricollegano i link con una certa probabilità p Rete Random: distanza media bassa e clustering basso Rete Small World: distanza media bassa e clustering alto Rete Lattice: Distanza media alta e clustering alto Lattice= rete regolare (tutti i nodi hanno lo stesso grado) ed inoltre sono collegati ai loro vicini.

33 Le reti reali oltre ad essere Piccolo Mondo e avere Alto Clustering hanno anche centri: reti Scale Free Molte reti reali mostrano la proprietà del “rich get richer” e quindi pochi nodi con alto grado e tanti con basso grado e di conseguenza disomogeneità nella distribuzione dei gradi dei nodi. Come possiamo generare una rete con queste proprietà? Introducendo il meccanismo del “Preferential Attachement” Barabasi et Albert (1999). Si parte da una rete random iniziale e si aggiungono nodi che si collegano in modo preferenziale, ovvero con probabilità maggiore, a nodi con alto grado.

34 Random/Small World Scale free

35 Implicazioni della presenza di centri (hub)
Robustezza rispetto ad attacchi casuali Vulnerabilità rispetto ad attacchi selettivi

36 9-11 Terrorist (?) Network ? La vulnerabilità ad attacchi selettivi può essere una proprietà desiderata: come si possono condurre le indagini in una rete nascosta? Complex Network Theory – An Introduction Niloy Ganguly

37 Storia dello sviluppo della teoria delle reti complesse

38 (Basilea 1707-San Pietroburgo 1783)
Leonard Euler (Basilea 1707-San Pietroburgo 1783) Eulero ha lavorato in quasi tutte le aree della matematica: geometria, calcolo, trigonometria, algebra, teoria dei numeri ed in diverse aree della fisica. Tutto il suo lavoro è raccolto nell’ Opera Omnia, che consiste in 886 libri. Ha lavorato vedendo da un occhio solo dal 1738 e completamente cieco dal 1766.

39 Problema dei 7 ponti di Konigsberg
Konisberg "Collina del re“. Nome portato fino al 1946 dalla città capoluogo della Prussia Orientale, poi annessa all'URSS e chiamata Kalininingrad.

40 N0=4 no sol Problema dei 7 ponti di Konigsberg
E’ possibile attraversare tutti i ponti una volta sola? Con la soluzione di questo problema Eulero fonda la teoria dei grafi (e delle reti) N0=4 no sol Soluzione di Eulero: N0=numero di nodi con grado dispari Se N0>2 non ci sono soluzioni Se N0=2, esiste solo una soluzione a partire da un nodo di grado dispari Se N0<2 ci sono soluzioni a partire da qualsiasi nodo

41 Grafi Regolari Dopo la morte di Eulero la teoria dei grafi ha ricevuto contributi da altri importanti matematici quali: Hamilton, Kirchhoff, Cayley Gli studi si sono concentrati sulle proprietà dei grafi regolari cioè in cui tutti i nodi hanno lo stesso grado. Ad esempio i lattici in cui tutti i nodi sono legati ai loro vicini.

42 Paul Erdos (Budapest 1913-Varsavia 1996)
Grafi Random Paul Erdos (Budapest 1913-Varsavia 1996) Paul Erdos dette importanti contributi alla teoria dei grafi Lavorò insieme a Alfred Renyi sull’analisi delle reti sociali trovando delle analogie con i grafi random (in cui l’esistenza di un link tra una coppia di nodi ha probabilità costante p) Scrisse 1475 articoli e collaborò con 511 scienziati. Era una persona eccentrica Esempio di Rete random

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44 Software Pajek 3.13 http://mrvar.fdv.uni-lj.si/pajek/
Software per la Social Network Analysis VOS viewer Per costruire la propria rete Facebook: NodeXL Template 2014 Social net Importer


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