umu.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Degree landscapes in scale-free networks
Niels Bohr Institute, Blegdansvej 17, DK 2100. Copenhagen, Denmark.
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics.
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics.
Niels Bohr Institute, Blegdansvej 17, DK 2100. Copenhagen, Denmark.
Show others and affiliations
2006 (English)In: Physical Review E. Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics, ISSN 1063-651X, E-ISSN 1095-3787, Vol. 74, 036119- p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

We generalize the degree-organizational view of real-world networks with broad degree distributions in a landscape analog with mountains (high-degree nodes) and valleys (low-degree nodes). For example, correlated degrees between adjacent nodes correspond to smooth landscapes (social networks), hierarchical networks to one-mountain landscapes (the Internet), and degree-disassortative networks without hierarchical features to rough landscapes with several mountains. To quantify the topology, we here measure the widths of the mountains and the separation between different mountains. We also generate ridge landscapes to model networks organized under constraints imposed by the space the networks are embedded in, associated to spatial or in molecular networks to functional localization.

Place, publisher, year, edition, pages
2006. Vol. 74, 036119- p.
Keyword [en]
topology, random processes
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-5242DOI: 10.1103/PhysRevE.74.036119OAI: oai:DiVA.org:umu-5242DiVA: diva2:144695
Available from: 2006-08-31 Created: 2006-08-31 Last updated: 2011-03-11Bibliographically approved
In thesis
1. Information horizons in a complex world
Open this publication in new window or tab >>Information horizons in a complex world
2006 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The whole in a complex system is the sum of its parts, plus the interactions between the parts. Understanding social, biological, and economic systems therefore often depends on understanding their patterns of interactions---their networks. In this thesis, the approach is to understand complex systems by making simple network models with nodes and links. It is first of all an attempt to investigate how the communication over the network affects the network structure and, vice versa, how the network structure affects the conditions for communication.

To explore the local mechanism behind network organization, we used simplified social systems and modeled the response to communication. Low communication levels resulted in random networks, whereas higher communication levels led to structured networks with most nodes having very few links and a few nodes having very many links. We also explored various models where nodes merge into bigger units, to reduce communication costs, and showed that these merging models give rise to the same kind of structured networks.

In addition to this modeling of communication networks, we developed new ways to measure and characterize real-world networks. For example, we found that they in general favor communication on short distance, two-three steps away in the network, within what we call the information horizon.

Abstract [sv]

Helheten i ett komplext system är mer än summan av dess delar, då den även inbegriper interaktionerna mellan dem. Att studera sociala, biologiska och ekonomiska system blir därför ofta en fråga om att förstå deras interaktionsmönster, d.v.s. deras nätverk av noder och länkar. Med utgångspunkt i enkla nätverksmodeller undersöker avhandlingen i huvudsak hur kommunikation i nätverk påverkar nätverksstrukturen och, vice versa, hur nätverksstrukturen påverkar villkoren för kommunikation.

Vi utforskade mekanismerna bakom hur nätverk är organiserade genom att modellera effekten av kommunikation i förenklade sociala system. En låg kommunikationsnivå visade sig ge upphov till kaotiska nätverk där ingen nod i princip hade fler länkar än någon annan. En hög kommunikationsnivå resulterade däremot i strukturerade nätverk, med några få centrala noder med många länkar, medan flertalet noder var perifera med enbart några få länkar. Det visade sig också att alla aktörer i nätverket gynnades av kommunikation, även när den var ojämnt fördelad. Kvaliteten på kommunikationen, d.v.s. informationens giltighet, var också avgörande för vilka positioner som gynnades i ett nätverk, vilket vi visade genom att studera aktörer som spred falsk information.

Eftersom effektiv kommunikation är en viktig del i många nätverk betraktar vi utvecklingen av dem som en optimeringsprocess. Varje kommunikationshandling mellan noderna tar tid och genom att slå sig samman till större enheter begränsas dessa kostnader och gör nätverket effektivare. Dessa s.k. sammanslagningsmodeller gav upphov till samma typ av strukturerade nätverk som ovan.

Genom att utveckla olika sätt att mäta nätverksstrukturer visade vi bland annat att många verkliga system främjar kommunikation över korta avstånd, två-tre steg bort i nätverket, innanför det vi kallar informationshorisonten. Vi uppskattade också den mängd information som krävs för att orientera sig i städer, och fann att det är lättare att hitta i moderna, planerade städer än i äldre städer som utvecklats under lång tid.

Place, publisher, year, edition, pages
Department of Physics, 2006. 76 p.
Keyword
Complex systems, networks, information, communication, self-organization, network topology, agent-based modeling.
National Category
Physical Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:umu:diva-840 (URN)9172641177 (ISBN)
Public defence
2006-08-22, MA121, MIT-huset, Umeå universitet, Umeå, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2006-08-31 Created: 2006-08-31 Last updated: 2010-03-12Bibliographically approved
2. Structures in complex systems: Playing dice with networks and books
Open this publication in new window or tab >>Structures in complex systems: Playing dice with networks and books
2009 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Complex systems are neither perfectly regular nor completely random. They consist of a multitude of players who, in many cases, playtogether in a way that makes their combined strength greater than the sum of their individual achievements. It is often very effective to represent these systems as networks where the actual connections between the players take on a crucial role.Networks exist all around us and are an important part of our world, from the protein machinery inside our cells to social interactions and man-madecommunication systems. Many of these systems have developed over a long period of time and are constantly undergoing changes driven by complicated microscopic events. These events are often too complicated for us to accurately resolve, making the world seem random and unpredictable. There are however ways of using this unpredictability in our favor by replacing the true events by much simpler stochastic rules giving effectively the same outcome. This allows us to capture the macroscopic behavior of the system, to extract important information about the dynamics of the system and learn about the reason for what we observe. Statistical mechanics gives the tools to deal with such large systems driven by underlying random processes under various external constraints, much like how intracellular networks are driven by random mutations under the constraint of natural selection.This similarity makes it interesting to combine the two and to apply some of the tools provided by statistical mechanics on biological systems.In this thesis, several null models are presented, with this view point in mind, to capture and explain different types of structural properties of real biological networks.

The most recent major transition in evolution is the development of language, both spoken and written. This thesis also brings up the subject of quantitative linguistics from the eyes of a physicist, here called linguaphysics. Also in this case the data is analyzed with an assumption of an underlying randomness. It is shown that some statistical properties of books, previously thought to be universal, turn out to exhibit author specific size dependencies. A meta book theory is put forward which explains this dependency by describing the writing of a text as pulling a section out of a huge, individual, abstract mother book.

Abstract [sv]

Komplexa system är varken perfekt ordnade eller helt slumpmässiga. De består av en mängd aktörer, som i många fall agerar tillsammans på ett sådant sätt att deras kombinerade styrka är större än deras individuella prestationer. Det är ofta effektivt att representera dessa system som nätverk där de faktiska kopplingarna mellan aktörerna spelar en avgörande roll. Nätverk finns överallt omkring oss och är en viktig del av vår värld , från proteinmaskineriet inne i våra celler till sociala samspel och människotillverkade kommunikationssystem.Många av dessa system har utvecklats under lång tid och genomgår hela tiden förändringar som drivs på av komplicerade småskaliga händelser.Dessa händelser är ofta för komplicerade för oss att noggrant kunna analysera, vilket får vår värld att verka slumpmässig och oförutsägbar. Det finns dock sätt att använda denna oförutsägbarhet till vår fördel genom att byta ut de verkliga händelserna mot mycket enklare regler baserade på sannolikheter, som ger effektivt sett samma utfall. Detta tillåter oss att fånga systemets övergripande uppförande, att utvinna viktig information om systemets dynamik och att få kunskap om anledningen till vad vi observerar. Statistisk mekanik hanterar stora system pådrivna av sådana underliggande slumpmässiga processer under olika restriktioner, på liknande sätt som nätverk inne i celler drivs av slumpmässiga mutationer under restriktionerna från naturligt urval. Denna likhet gör det intressant att kombinera de två och att applicera de verktyg som ges av statistisk mekanik på biologiska system. I denna avhandling presenteras flera nollmodeller som, baserat på detta synsätt, fångar och förklarar olika typer av strukturella egenskaper hos verkliga biologiska nätverk.

Den senaste stora evolutionära övergången är utvecklandet av språk, både talat och skrivet. Denna avhandling tar också upp ämnet om kvantitativ linguistik genom en fysikers ögon, här kallat linguafysik. även i detta fall så analyseras data med ett antagande om en underliggande slumpmässighet. Det demonstreras att vissa statistiska egenskaper av böcker, som man tidigare trott vara universella, egentligen beror på bokens längd och på författaren. En metaboksteori ställs fram vilken förklarar detta beroende genom att beskriva författandet av en text som att rycka ut en sektion ur en stor, individuell, abstrakt moderbok.

Place, publisher, year, edition, pages
Umeå: Umeå University, Department of physics, 2009. 63 p.
Keyword
Complex systems, networks, statistical physics, biological networks, quantitative linguistics, word frequencies.
National Category
Physical Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:umu:diva-27694 (URN)978-91-7264-910-1 (ISBN)
Public defence
2009-12-17, N360, Naturvetarhuset, Umeå universitet, 901 87, Umeå, Umeå, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2009-11-20 Created: 2009-11-16 Last updated: 2010-11-01Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full texthttp://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.74.036119

Search in DiVA

By author/editor
Bernhardsson, SebastianRosvall, Martin
By organisation
Department of Physics
In the same journal
Physical Review E. Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 190 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf