Articulo de referencia

Centralidad

En la teoría de grafos y el análisis de redes , los indicadores de centralidad asignan números o clasificaciones a los nodos dentro de un grafo según su posición en la red. Las ...

En la teoría de grafos y el análisis de redes , los indicadores de centralidad asignan números o clasificaciones a los nodos dentro de un grafo según su posición en la red. Las aplicaciones incluyen la identificación de la(s) persona(s) más influyente(s) en una red social , nodos de infraestructura clave en Internet o redes urbanas , superpropagadores de enfermedades y redes cerebrales. [ 1 ] [ 2 ] Los conceptos de centralidad se desarrollaron por primera vez en el análisis de redes sociales , y muchos de los términos utilizados para medir la centralidad reflejan su origen sociológico . [ 3 ] Con el tiempo, el concepto se ha expandido sustancialmente, lo que ha llevado al desarrollo de cientos de medidas de centralidad distintas, cuya lista más completa se documenta en el catálogo en línea CentralityZoo. [ 4 ]

Definición y caracterización de los índices de centralidad

Los índices de centralidad responden a la pregunta "¿Qué caracteriza a un vértice importante?". La respuesta se expresa mediante una función de valor real sobre los vértices de un grafo, cuyos valores se espera que proporcionen una clasificación que identifique los nodos más importantes. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

La palabra "importancia" tiene numerosos significados, lo que da lugar a muchas definiciones diferentes de centralidad. Se han propuesto dos esquemas de categorización. La "importancia" puede concebirse en relación con un tipo de flujo o transferencia a través de la red. Esto permite clasificar las centralidades según el tipo de flujo que consideran importante. [ 6 ] Alternativamente, la "importancia" puede concebirse como la participación en la cohesión de la red. Esto permite clasificar las centralidades en función de cómo miden la cohesión. [ 8 ] Ambos enfoques dividen las centralidades en categorías distintas. Una conclusión adicional es que una centralidad apropiada para una categoría a menudo "se equivocará" al aplicarse a una categoría diferente. [ 6 ]

Muchas medidas de centralidad, aunque no todas, cuentan efectivamente el número de caminos (también llamados recorridos) de algún tipo que pasan por un vértice dado; las medidas difieren en cómo se definen y cuentan los recorridos relevantes. Restringir la consideración a este grupo permite una taxonomía que sitúa muchas medidas de centralidad en un espectro que va desde aquellas que se ocupan de recorridos de longitud uno ( centralidad de grado ) hasta recorridos infinitos ( centralidad de vector propio ). [ 5 ] [ 9 ] Otras medidas de centralidad, como la centralidad de intermediación , se centran no solo en la conectividad general, sino también en ocupar posiciones que son fundamentales para la conectividad de la red.

Caracterización por flujos de red

Una red puede considerarse una descripción de las rutas por las que fluye algo. Esto permite una caracterización basada en el tipo de flujo y el tipo de ruta codificada por la centralidad. Un flujo puede basarse en transferencias, donde cada elemento indivisible va de un nodo a otro, como un paquete que va desde el lugar de entrega hasta la casa del cliente. Un segundo caso es la duplicación en serie, en la que un elemento se replica de manera que tanto el origen como el destino lo tengan. Un ejemplo es la propagación de información a través del chisme, donde la información se propaga de forma privada y tanto el origen como el destino son informados al final del proceso. El último caso es la duplicación en paralelo, donde el elemento se duplica en varios enlaces al mismo tiempo, como una transmisión de radio que proporciona la misma información a muchos oyentes a la vez. [ 6 ]

Asimismo, el tipo de ruta puede restringirse a geodésicas (rutas más cortas), rutas (ningún vértice se visita más de una vez), senderos (los vértices se pueden visitar varias veces, ninguna arista se recorre más de una vez) o recorridos (los vértices y las aristas se pueden visitar/recorrer varias veces). [ 6 ]

Caracterización por estructura de la marcha

Una clasificación alternativa puede derivarse de cómo se construye la centralidad. Esta se divide nuevamente en dos clases. Las centralidades son radiales o mediales. Las centralidades radiales cuentan los caminos que comienzan o terminan en el vértice dado. Las centralidades de grado y de autovalor son ejemplos de centralidades radiales, que cuentan el número de caminos de longitud uno o de longitud infinita. Las centralidades mediales cuentan los caminos que pasan por el vértice dado. El ejemplo canónico es la centralidad de intermediación de Freeman , que cuenta el número de caminos más cortos que pasan por el vértice dado. [ 8 ]

Asimismo, el conteo puede capturar tanto el volumen como la longitud de los recorridos. El volumen es el número total de recorridos del tipo dado. Los tres ejemplos del párrafo anterior pertenecen a esta categoría. La longitud captura la distancia desde el vértice dado a los demás vértices del grafo. La centralidad de cercanía , la distancia geodésica total desde un vértice dado a todos los demás vértices, es el ejemplo más conocido. [ 8 ] Cabe señalar que esta clasificación es independiente del tipo de recorrido contado (es decir, recorrido, sendero, camino, geodésico).

Borgatti y Everett proponen que esta tipología ofrece información sobre la mejor manera de comparar las medidas de centralidad. Las centralidades ubicadas en la misma casilla en esta clasificación de 2×2 son lo suficientemente similares como para considerar alternativas plausibles; se puede comparar razonablemente cuál es mejor para una aplicación dada. Sin embargo, las medidas de diferentes casillas son categóricamente distintas. Cualquier evaluación de la idoneidad relativa solo puede ocurrir dentro del contexto de predeterminar qué categoría es más aplicable, lo que hace que la comparación sea irrelevante. [ 8 ]

Las centralidades de volumen radial existen en un espectro

La caracterización mediante la estructura de recorrido muestra que casi todas las medidas de centralidad de uso común son medidas de volumen radial. Estas reflejan la creencia de que la centralidad de un vértice es función de la centralidad de los vértices con los que está asociado. Las medidas de centralidad se distinguen según cómo se define la asociación.

Bonacich demostró que si la asociación se define en términos de caminos , entonces se puede definir una familia de centralidades basada en la longitud del camino considerado. [ 5 ] La centralidad de grado cuenta caminos de longitud uno, mientras que la centralidad de autovalor cuenta caminos de longitud infinita. También son razonables definiciones alternativas de asociación. La centralidad alfa permite que los vértices tengan una fuente de influencia externa. La centralidad de subgrafos de Estrada propone contar solo caminos cerrados (triángulos, cuadrados, etc.).

El núcleo de tales medidas es la observación de que las potencias de la matriz de adyacencia del grafo dan el número de caminos de longitud dada por esa potencia. De manera similar, la exponencial de la matriz también está estrechamente relacionada con el número de caminos de una longitud dada. Una transformación inicial de la matriz de adyacencia permite una definición diferente del tipo de camino contado. Bajo cualquiera de los enfoques, la centralidad de un vértice puede expresarse como una suma infinita, ya sea

k=0ARkβk{\displaystyle \sum _{k=0}^{\infty }A_{R}^{k}\beta ^{k}}

para potencias de matriz o

k=0(ARβ)kk¡{\displaystyle \sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(A_{R}\beta )^{k}}{k!}}}

para exponenciales de matrices, donde

  • k{\displaystyle k}es la longitud de la caminata,
  • AR{\displaystyle A_{R}}es la matriz de adyacencia transformada, y
  • β{\displaystyle \beta }es un parámetro de descuento que garantiza la convergencia de la suma.

La familia de medidas de Bonacich no transforma la matriz de adyacencia. La centralidad alfa reemplaza la matriz de adyacencia con su resolvente . La centralidad de subgrafo reemplaza la matriz de adyacencia con su traza. Una conclusión sorprendente es que, independientemente de la transformación inicial de la matriz de adyacencia, todos estos enfoques tienen un comportamiento límite común. Comoβ{\displaystyle \beta }A medida que se aproxima a cero, los índices convergen a la centralidad de grado .β{\displaystyle \beta }Cuando se aproxima a su valor máximo, los índices convergen a la centralidad del valor propio . [ 9 ]

centralidad de la teoría de juegos

La característica común de la mayoría de las medidas estándar mencionadas es que evalúan la importancia de un nodo centrándose únicamente en el papel que desempeña individualmente. Sin embargo, en muchas aplicaciones, este enfoque resulta inadecuado debido a las sinergias que pueden surgir al considerar el funcionamiento de los nodos en conjunto.

Ejemplo de centralidad en la teoría de juegos

Por ejemplo, consideremos el problema de detener una epidemia. Observando la imagen de red anterior, ¿qué nodos deberíamos vacunar? Basándonos en las medidas descritas anteriormente, queremos identificar los nodos que son más importantes en la propagación de la enfermedad. Los enfoques basados ​​únicamente en la centralidad, que se centran en las características individuales de los nodos, pueden no ser una buena idea. Los nodos en el cuadrado rojo, individualmente, no pueden detener la propagación de la enfermedad, pero considerándolos como un grupo, vemos claramente que pueden detener la enfermedad si ha comenzado en los nodos.v1{\displaystyle v_{1}},v4{\displaystyle v_{4}}, yv5{\displaystyle v_{5}}Las centralidades basadas en la teoría de juegos intentan consultar los problemas y oportunidades descritos, utilizando herramientas de dicha teoría. El enfoque propuesto en [ 10 ] utiliza el valor de Shapley . Debido a la complejidad temporal del cálculo del valor de Shapley, la mayoría de los esfuerzos en este campo se centran en implementar nuevos algoritmos y métodos que se basan en una topología particular de la red o en una característica especial del problema. Este enfoque puede conducir a una reducción de la complejidad temporal de exponencial a polinómica.

De manera similar, la solución de distribución de autoridad conceptual ( [ 11 ] ) aplica el índice de poder de Shapley-Shubik , en lugar del valor de Shapley , para medir la influencia directa bilateral entre los jugadores. Esta distribución es, de hecho, un tipo de centralidad de vector propio. Se utiliza para ordenar objetos de big data en Hu (2020), [ 12 ] como la clasificación de universidades estadounidenses.

Limitaciones importantes

Los índices de centralidad presentan dos limitaciones importantes: una obvia y otra sutil. La limitación obvia es que una centralidad óptima para una aplicación suele ser subóptima para otra. De hecho, si no fuera así, no necesitaríamos tantas centralidades diferentes. Un ejemplo de este fenómeno lo proporciona el grafo cometa de Krackhardt , para el cual tres nociones diferentes de centralidad dan lugar a tres opciones distintas del vértice más central. [ 13 ]

La limitación más sutil reside en la falacia común de que la centralidad de los vértices indica su importancia relativa. Los índices de centralidad están diseñados explícitamente para generar una clasificación que permita identificar los vértices más importantes. [ 5 ] [ 6 ] Cumplen bien su función, dentro de la limitación ya mencionada. No están diseñados para medir la influencia de los nodos en general. Recientemente, los físicos de redes han comenzado a desarrollar métricas de influencia de nodos para abordar este problema.

El error es doble. En primer lugar, una clasificación solo ordena los vértices por importancia, no cuantifica la diferencia de importancia entre los distintos niveles de la clasificación. Esto puede mitigarse aplicando la centralización de Freeman a la medida de centralidad en cuestión, lo que proporciona información sobre la importancia de los nodos en función de las diferencias en sus puntuaciones de centralización. Además, la centralización de Freeman permite comparar varias redes comparando sus puntuaciones de centralización más altas. [ 14 ]

En segundo lugar, las características que identifican (correctamente) los vértices más importantes en una red/aplicación determinada no necesariamente se generalizan a los vértices restantes. Para la mayoría de los demás nodos de la red, las clasificaciones pueden carecer de sentido. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] Esto explica por qué, por ejemplo, solo los primeros resultados de una búsqueda de imágenes de Google aparecen en un orden razonable. El PageRank es una medida muy inestable, que muestra frecuentes cambios de clasificación tras pequeños ajustes del parámetro de salto. [ 19 ]

Aunque el hecho de que los índices de centralidad no se generalicen al resto de la red pueda parecer contraintuitivo al principio, se deduce directamente de las definiciones anteriores. Las redes complejas tienen una topología heterogénea. En la medida en que la medida óptima depende de la estructura de red de los vértices más importantes, una medida que sea óptima para dichos vértices es subóptima para el resto de la red. [ 15 ]

Centralidad de grado

Ejemplos de A) Centralidad de intermediación , B) Centralidad de cercanía , C) Centralidad de vector propio , D) Centralidad de grado , E) Centralidad armónica y F) Centralidad de Katz del mismo grafo geométrico aleatorio.

Históricamente, la primera y conceptualmente más simple es la centralidad de grado , que se define como el número de enlaces incidentes en un nodo (es decir, el número de vínculos que tiene un nodo). El grado puede interpretarse en términos del riesgo inmediato de que un nodo se adhiera a lo que circule por la red (como un virus o alguna información). En el caso de una red dirigida (donde los vínculos tienen dirección), generalmente definimos dos medidas separadas de centralidad de grado: el grado de entrada y el grado de salida . En consecuencia, el grado de entrada es el número de vínculos dirigidos al nodo y el grado de salida es el número de vínculos que el nodo dirige a otros. Cuando los vínculos se asocian a aspectos positivos como la amistad o la colaboración, el grado de entrada se suele interpretar como una forma de popularidad y el grado de salida como sociabilidad.

La centralidad de grado de un vérticev{\displaystyle v}, para un gráfico dadoGRAMO:=(V,mi){\displaystyle G:=(V,E)}con|V|{\displaystyle |V|}vértices y|mi|{\displaystyle |E|}bordes, se define como

doD(v)=grados(v){\ Displaystyle C_ {D} (v) = \ grados (v)}

Calcular la centralidad de grado para todos los nodos en un grafo llevaΘ(V2){\displaystyle \Theta (V^{2})}en una representación de matriz de adyacencia densa del grafo, y para las aristas tomaΘ(mi){\displaystyle \Theta (E)}en una representación de matriz dispersa .

La definición de centralidad a nivel de nodo puede extenderse a todo el grafo, en cuyo caso hablamos de centralización de grafos . [ 20 ] Seav{\displaystyle v*}ser el nodo con mayor grado de centralidad enGRAMO{\displaystyle G}. Dejarincógnita:=(Y,Z){\displaystyle X:=(Y,Z)}ser el|Y|{\displaystyle |Y|}-grafo conectado de nodos que maximiza la siguiente cantidad (cony{\displaystyle y*}ser el nodo con mayor grado de centralidad enincógnita{\displaystyle X}):

H=j=1|Y|[doD(y)doD(yj)]{\displaystyle H=\sum _{j=1}^{|Y|}[C_{D}(y*)-C_{D}(y_{j})]}

En consecuencia, la centralización del grado del gráficoGRAMO{\displaystyle G}es el siguiente:

doD(GRAMO)=i=1|V|[doD(v)doD(vi)]H{\displaystyle C_{D}(G)={\frac {\sum _{i=1}^{|V|}[C_{D}(v*)-C_{D}(v_{i})]}{H}}}

El valor deH{\displaystyle H}se maximiza cuando el gráficoincógnita{\displaystyle X}contiene un nodo central al que están conectados todos los demás nodos (un grafo en estrella ), y en este caso

H=(norte1)((norte1)1)=norte23norte+2.{\displaystyle H=(n-1)\cdot ((n-1)-1)=n^{2}-3n+2.}

Entonces, para cualquier gráficoGRAMO:=(V,mi),{\displaystyle G:=(V,E),}

doD(GRAMO)=i=1|V|[doD(v)doD(vi)]|V|23|V|+2{\displaystyle C_{D}(G)={\frac {\sum _{i=1}^{|V|}[C_{D}(v*)-C_{D}(v_{i})]}{|V|^{2}-3|V|+2}}}

Además, una nueva medida global extensa para la centralidad de grado llamada Tendencia a Hacer Hub (TMH) se define de la siguiente manera: [ 2 ]

TMH=i=1|V|grados(v)2i=1|V|grados(v){\displaystyle {\text{TMH}}={\frac {\sum _{i=1}^{|V|}\deg(v)^{2}}{\sum _{i=1}^{|V|}\deg(v)}}}

donde TMH aumenta por la aparición de centralidad de grado en la red.

Centralidad de la cercanía

En un grafo conectado , la centralidad de cercanía normalizada (o cercanía ) de un nodo es la longitud promedio del camino más corto entre el nodo y todos los demás nodos del grafo. Por lo tanto, cuanto más central sea un nodo, más cerca estará de todos los demás nodos.

La cercanía fue definida por Alex Bavelas (1950) como el recíproco de la lejanía , [ 21 ] [ 22 ] es decirdoB(v)=(d(,v))1{\textstyle C_{B}(v)=(\sum _{u}d(u,v))^{-1}}dónded(,v){\displaystyle d(u,v)}es la distancia entre los vértices u y v . Sin embargo, cuando se habla de centralidad de cercanía, la gente suele referirse a su forma normalizada, dada por la fórmula anterior multiplicada pornorte1{\displaystyle N-1}, dóndenorte{\displaystyle N}es el número de nodos en el grafo

do(v)=norte1d(,v).{\displaystyle C(v)={\frac {N-1}{\sum _{u}d(u,v)}}.}

Esta normalización permite comparaciones entre nodos de grafos de diferentes tamaños. Para muchos grafos, existe una fuerte correlación entre el inverso de la cercanía y el logaritmo del grado, [ 23 ].(do(v))1αln(kv)+β{\displaystyle (C(v))^{-1}\approx -\alpha \ln(k_{v})+\beta }dóndekv{\displaystyle k_{v}}es el grado del vértice v, mientras que α y β son constantes para cada red.

Calcular las distancias desde o hacia todos los demás nodos es irrelevante en los grafos no dirigidos, mientras que puede producir resultados totalmente diferentes en los grafos dirigidos (por ejemplo, un sitio web puede tener una alta centralidad de cercanía desde un enlace saliente, pero una baja centralidad de cercanía desde los enlaces entrantes).

Centralidad armónica

En un grafo (no necesariamente conectado), la centralidad armónica invierte las operaciones de suma y recíproca en la definición de centralidad de cercanía:

H(v)=|v1d(,v){\displaystyle H(v)=\sum _{u|u\neq v}{\frac {1}{d(u,v)}}}

dónde1/d(,v)=0{\displaystyle 1/d(u,v)=0}si no hay camino de u a v . La centralidad armónica se puede normalizar dividiendo pornorte1{\displaystyle N-1}, dóndenorte{\displaystyle N}es el número de nodos en el grafo.

La centralidad armónica fue propuesta por Marchiori y Latora (2000) [ 24 ] y luego independientemente por Dekker (2005), usando el nombre de "centralidad valorada", [ 25 ] y por Rochat (2009). [ 26 ]

Centralidad de intermediación

El tono (desde rojo  =  0 hasta azul  =  máximo) muestra la centralidad de intermediación del nodo.

La centralidad de intermediación es una medida de centralidad de un vértice dentro de un grafo (también existe la centralidad de intermediación de aristas , que no se trata aquí). La centralidad de intermediación cuantifica el número de veces que un nodo actúa como puente a lo largo del camino más corto entre otros dos nodos. Fue introducida por Linton Freeman como una medida para cuantificar el control de un humano sobre la comunicación entre otros humanos en una red social . [ 27 ] En su concepción, los vértices que tienen una alta probabilidad de aparecer en un camino más corto elegido al azar entre dos vértices elegidos al azar tienen una alta centralidad de intermediación.

La intermediación de un vérticev{\displaystyle v}en un gráficoGRAMO:=(V,mi){\displaystyle G:=(V,E)}conV{\displaystyle V}El número de vértices se calcula de la siguiente manera:

  1. Para cada par de vértices ( s , t ), calcule los caminos más cortos entre ellos.
  2. Para cada par de vértices ( s , t ), determine la fracción de caminos más cortos que pasan por el vértice en cuestión (en este caso, el vértice v ).
  3. Suma esta fracción sobre todos los pares de vértices ( s , t ).

De forma más compacta, la intermediación se puede representar como: [ 28 ]

doB(v)=svtVσst(v)σst{\displaystyle C_{B}(v)=\sum _{s\neq v\neq t\in V}{\frac {\sigma _{st}(v)}{\sigma _{st}}}}

dóndeσst{\displaystyle \sigma _{st}}es el número total de caminos más cortos desde el nodos{\displaystyle s}al nodot{\displaystyle t}yσst(v){\displaystyle \sigma _{st}(v)}es el número de esos caminos que pasan porv{\displaystyle v}. La centralidad de intermediación se puede normalizar dividiendo por el número de pares de vértices que no incluyen v , que para grafos dirigidos es(norte1)(norte2){\displaystyle (n-1)(n-2)}y para grafos no dirigidos es(norte1)(norte2)/2{\displaystyle (n-1)(n-2)/2}. Por ejemplo, en un grafo estrella no dirigido , el vértice central (que está contenido en cada posible camino más corto) tendría una centralidad de intermediación de(norte1)(norte2)/2{\displaystyle (n-1)(n-2)/2}(1, si se normaliza) mientras que las hojas (que no están contenidas en ningún camino más corto) tendrían una centralidad de intermediación de 0.

Desde el punto de vista del cálculo, tanto la centralidad de intermediación como la de cercanía de todos los vértices de un grafo implican calcular los caminos más cortos entre todos los pares de vértices del grafo, lo que requiereO(V3){\displaystyle O(V^{3})}tiempo con el algoritmo de Floyd-Warshall . Sin embargo, en grafos dispersos, el algoritmo de Johnson puede ser más eficiente, tomandoO(|V||mi|+|V|2registro|V|){\displaystyle O(|V||E|+|V|^{2}\log |V|)}tiempo. En el caso de grafos no ponderados, los cálculos se pueden realizar con el algoritmo de Brandes [ 28 ] que tomaO(|V||mi|){\displaystyle O(|V||E|)}tiempo. Normalmente, estos algoritmos asumen que los grafos no están dirigidos y están conectados, permitiendo bucles y aristas múltiples. Cuando se trata específicamente de grafos de red, a menudo los grafos carecen de bucles o aristas múltiples para mantener relaciones simples (donde las aristas representan conexiones entre dos personas o vértices). En este caso, el algoritmo de Brandes dividirá las puntuaciones de centralidad finales por 2 para tener en cuenta que cada ruta más corta se cuenta dos veces. [ 28 ]

Centralidad de vector propio

La centralidad de vector propio (también llamada centralidad propia ) es una medida de la influencia de un nodo en una red . Asigna puntuaciones relativas a todos los nodos de la red basándose en el concepto de que las conexiones a nodos con puntuaciones altas contribuyen más a la puntuación del nodo en cuestión que las conexiones iguales a nodos con puntuaciones bajas. [ 29 ] [ 7 ] El PageRank de Google y la centralidad de Katz son variantes de la centralidad de vector propio. [ 30 ]

Utilizar la matriz de adyacencia para encontrar la centralidad del vector propio

Para un gráfico dadoGRAMO:=(V,mi){\displaystyle G:=(V,E)}con|V|{\displaystyle |V|}número de vértices seaA=(av,t){\displaystyle A=(a_{v,t})}sea ​​la matriz de adyacencia , es decirav,t=1{\displaystyle a_{v,t}=1}si vérticev{\displaystyle v}está vinculado al vérticet{\displaystyle t}, yav,t=0{\displaystyle a_{v,t}=0}de lo contrario. La puntuación de centralidad relativaincógnitav{\displaystyle x_{v}}del vérticev{\displaystyle v}puede definirse como la solución no negativa sobre el conjunto de vérticesvV{\displaystyle v\in V}a las ecuaciones:

incógnitav=1λtMETRO(v)incógnitat=1λtGRAMOav,tincógnitat{\displaystyle x_{v}={\frac {1}{\lambda }}\sum _{t\in M(v)}x_{t}={\frac {1}{\lambda }}\sum _{t\in G}a_{v,t}x_{t}}

dóndeMETRO(v){\displaystyle M(v)}es un conjunto de los vecinos dev{\displaystyle v}yλ{\displaystyle \lambda }es una constante. Con una pequeña reordenación, esto se puede reescribir en notación vectorial como la ecuación del vector propio .

Aincógnita=λincógnita{\displaystyle \mathbf {Ax} ={\lambda }\mathbf {x} }.

En general, habrá muchos valores propios diferentes.λ{\displaystyle \lambda }para la cual existe una solución de vector propio no nulo. Dado que las entradas en la matriz de adyacencia son no negativas, existe un único valor propio máximo, que es real y positivo, por el teorema de Perron-Frobenius . Este valor propio máximo resulta en la medida de centralidad deseada. [ 29 ] Elvth{\displaystyle v^{th}}El componente del vector propio relacionado proporciona entonces la puntuación de centralidad relativa del vértice.v{\displaystyle v}en la red. El vector propio solo está definido hasta un factor común, por lo que solo las razones de las centralidades de los vértices están bien definidas. Para definir una puntuación absoluta, se debe normalizar el vector propio, por ejemplo, de modo que la suma sobre todos los vértices sea 1 o el número total de vértices n . La iteración de potencia es uno de los muchos algoritmos de valores propios que se pueden utilizar para encontrar este vector propio dominante. [ 30 ] Además, esto se puede generalizar de modo que las entradas en A puedan ser números reales que representen las fuerzas de conexión, como en una matriz estocástica .

Centralidad de Katz

La centralidad de Katz [ 31 ] es una generalización de la centralidad de grado. La centralidad de grado mide el número de vecinos directos, y la centralidad de Katz mide el número de todos los nodos que pueden conectarse a través de un camino, mientras que las contribuciones de los nodos distantes se penalizan. Matemáticamente, se define como

incógnitai=k=1j=1norteαk(Ak)ji{\displaystyle x_{i}=\sum _{k=1}^{\infty }\sum _{j=1}^{N}\alpha ^{k}(A^{k})_{ji}}

dóndeα{\displaystyle \alpha }es un factor de atenuación en (0,1){\displaystyle (0,1)}.

La centralidad de Katz puede considerarse una variante de la centralidad de vector propio. Otra forma de centralidad de Katz es

incógnitai=αj=1norteaij(incógnitaj+1).{\displaystyle x_{i}=\alpha \sum _{j=1}^{N}a_{ij}(x_{j}+1).}

En comparación con la expresión de centralidad de vector propio,incógnitaj{\displaystyle x_{j}}es reemplazado por incógnitaj+1.{\displaystyle x_{j}+1.}

Se demuestra que [ 32 ] el vector propio principal (asociado con el mayor valor propio deA{\displaystyle A}, la matriz de adyacencia) es el límite de la centralidad de Katz comoα{\displaystyle \alpha }aproches1λ{\displaystyle {\tfrac {1}{\lambda }}}desde abajo.

Centralidad de PageRank

PageRank satisface la siguiente ecuación

incógnitai=αjajiincógnitajL(j)+1αnorte,{\displaystyle x_{i}=\alpha \sum _{j}a_{ji}{\frac {x_{j}}{L(j)}}+{\frac {1-\alpha }{N}},}

dónde

L(j)=iaji{\displaystyle L(j)=\sum _{i}a_{ji}}

es el número de vecinos del nodoj{\displaystyle j}(o número de enlaces salientes en un grafo dirigido). En comparación con la centralidad de vector propio y la centralidad de Katz, una diferencia importante es el factor de escala.L(j){\displaystyle L(j)}Otra diferencia entre PageRank y la centralidad de vector propio es que el vector PageRank es un vector propio izquierdo (nótese el factoraji{\displaystyle a_{ji}}tiene los índices invertidos). [ 33 ]

Centralidad de percolación

Existen numerosas medidas de centralidad para determinar la "importancia" de un nodo en una red compleja. Sin embargo, estas medidas cuantifican la importancia de un nodo en términos puramente topológicos, y su valor no depende en absoluto de su "estado". Permanece constante independientemente de la dinámica de la red. Esto se cumple incluso para las medidas de intermediación ponderada. No obstante, un nodo puede estar ubicado en una posición central en términos de centralidad de intermediación u otra medida de centralidad, pero no necesariamente en una posición central dentro de una red con percolación. La percolación de un "contagio" se produce en redes complejas en diversos escenarios. Por ejemplo, una infección viral o bacteriana puede propagarse a través de redes sociales, conocidas como redes de contacto. La propagación de enfermedades también puede considerarse a un nivel de abstracción superior, al contemplar una red de ciudades o centros de población conectados por carretera, ferrocarril o vía aérea. Los virus informáticos pueden propagarse a través de redes informáticas. Los rumores o noticias sobre ofertas y acuerdos comerciales también pueden propagarse a través de las redes sociales. En todos estos escenarios, un «contagio» se propaga a través de los enlaces de una red compleja, alterando los «estados» de los nodos a medida que se extiende, ya sea recuperables o no. Por ejemplo, en un escenario epidemiológico, los individuos pasan del estado «susceptible» al estado «infectado» a medida que se propaga la infección. Los estados que pueden adoptar los nodos individuales en los ejemplos anteriores podrían ser binarios (como haber recibido o no una noticia), discretos (susceptible/infectado/recuperado) o incluso continuos (como la proporción de personas infectadas en una ciudad), a medida que se propaga el contagio. La característica común en todos estos escenarios es que la propagación del contagio resulta en un cambio de estado de los nodos en las redes. La centralidad de percolación (PC) se propuso teniendo esto en cuenta, la cual mide específicamente la importancia de los nodos en términos de facilitar la percolación a través de la red. Esta medida fue propuesta por Piraveenan et al. [ 34 ].

La centralidad de percolación se define para un nodo dado, en un momento dado, como la proporción de "caminos percolados" que pasan por ese nodo. Un "camino percolado" es el camino más corto entre un par de nodos, donde el nodo de origen está percolado (por ejemplo, infectado). El nodo de destino puede estar percolado o no percolado, o en un estado parcialmente percolado.

PAGdot(v)=1norte2svrσsr(v)σsrincógnitats[incógnitati]incógnitatv{\displaystyle PC^{t}(v)={\frac {1}{N-2}}\sum _{s\neq v\neq r}{\frac {\sigma _{sr}(v)}{\sigma _{sr}}}{\frac {{x^{t}}_{s}}{{\sum {[{x^{t}}_{i}}]}-{x^{t}}_{v}}}}

dóndeσsr{\displaystyle \sigma _{sr}}es el número total de caminos más cortos desde el nodos{\displaystyle s}al nodor{\displaystyle r}yσsr(v){\displaystyle \sigma _{sr}(v)}es el número de esos caminos que pasan porv{\displaystyle v}. El estado de percolación del nodoi{\displaystyle i}en ese momentot{\displaystyle t}se denota porincógnitati{\displaystyle {x^{t}}_{i}}y dos casos especiales son cuandoincógnitati=0{\displaystyle {x^{t}}_{i}=0}lo que indica un estado no percolado en el tiempot{\displaystyle t}mientras que cuandoincógnitati=1{\displaystyle {x^{t}}_{i}=1}lo que indica un estado de percolación completa en el tiempot{\displaystyle t}Los valores intermedios indican estados parcialmente percolados (por ejemplo, en una red de municipios, este sería el porcentaje de personas infectadas en ese municipio).

Los pesos adjuntos a las rutas de percolación dependen de los niveles de percolación asignados a los nodos de origen, basándose en la premisa de que cuanto mayor sea el nivel de percolación de un nodo de origen, más importantes serán las rutas que se originan en ese nodo. Por lo tanto, los nodos que se encuentran en las rutas más cortas que se originan en nodos altamente percolados son potencialmente más importantes para la percolación. La definición de PC también puede extenderse para incluir los pesos de los nodos de destino. Los cálculos de centralidad de percolación se ejecutan enO(norteMETRO){\displaystyle O(NM)}tiempo con una implementación eficiente adoptada del algoritmo rápido de Brandes y si el cálculo necesita considerar los pesos de los nodos objetivo, el tiempo en el peor de los casos esO(norte3){\displaystyle O(N^{3})}.

Centralidad entre camarillas

La centralidad entre cliques de un nodo individual en un grafo complejo determina la conectividad de un nodo con diferentes cliques . Un nodo con alta conectividad entre cliques facilita la propagación de información o enfermedades en un grafo. Los cliques son subgrafos en los que cada nodo está conectado a todos los demás nodos del clique. La conectividad entre cliques de un nodov{\displaystyle v}para un gráfico dadoGRAMO:=(V,mi){\displaystyle G:=(V,E)}con|V|{\displaystyle |V|}vértices y|mi|{\displaystyle |E|}bordes, se define comoincógnita(v){\displaystyle X(v)}dóndeincógnita(v){\displaystyle X(v)}es el número de camarillas a las que el vérticev{\displaystyle v}pertenece. Esta medida fue utilizada por Faghani en 2013 [ 35 ] pero fue propuesta por primera vez por Everett y Borgatti en 1998, donde la llamaron centralidad de superposición de camarillas.

Centralización de Freeman

La centralización de cualquier red es una medida de cuán central es su nodo más central en relación con cuán centrales son todos los demás nodos. [ 14 ] Las medidas de centralización (a) calculan la suma de las diferencias de centralidad entre el nodo más central de una red y todos los demás nodos; y (b) dividen esta cantidad por la suma teóricamente mayor de dichas diferencias en cualquier red del mismo tamaño. [ 14 ] Por lo tanto, cada medida de centralidad puede tener su propia medida de centralización. Definido formalmente, sidoincógnita(pagi){\displaystyle C_{x}(p_{i})}es cualquier medida de centralidad de puntoi{\displaystyle i}, sidoincógnita(pag){\displaystyle C_{x}(p_{*})}es la medida más grande de este tipo en la red, y si:

máximoi=1norte(doincógnita(pag)doincógnita(pagi)){\displaystyle \max \sum _{i=1}^{N}(C_{x}(p_{*})-C_{x}(p_{i}))}

es la mayor suma de diferencias en la centralidad de los puntosdoincógnita{\displaystyle C_{x}}Para cualquier grafo con el mismo número de nodos, entonces la centralización de la red es: [ 14 ]

doincógnita=i=1norte(doincógnita(pag)doincógnita(pagi))máximoi=1norte(doincógnita(pag)doincógnita(pagi)).{\displaystyle C_{x}={\frac {\sum _{i=1}^{N}(C_{x}(p_{*})-C_{x}(p_{i}))}{\max \sum _{i=1}^{N}(C_{x}(p_{*})-C_{x}(p_{i}))}}.}

El concepto se debe a Linton Freeman .

Medidas de centralidad basadas en la disimilitud

En la red ilustrada, los nodos verdes y rojos son los más diferentes porque no comparten vecinos. Por lo tanto, el nodo verde contribuye más a la centralidad del rojo que los nodos grises, ya que el rojo solo puede acceder a los azules a través del verde, y los nodos grises son redundantes para el rojo, puesto que puede acceder directamente a cada nodo gris sin intermediarios.

Para obtener mejores resultados en la clasificación de los nodos de una red dada, Álvarez-Socorro et al. [ 36 ] utilizaron medidas de disimilitud (específicas de la teoría de clasificación y minería de datos) para enriquecer las medidas de centralidad en redes complejas. Esto se ilustra con la centralidad de vector propio , que calcula la centralidad de cada nodo a través de la solución del problema de valores propios.

Wdo=λdo{\displaystyle W\mathbf {c} =\lambda \mathbf {c} }

dóndeWij=AijDij{\displaystyle W_{ij}=A_{ij}D_{ij}}(producto de coordenadas a coordenadas) yDij{\displaystyle D_{ij}}es una matriz de disimilitud arbitraria, definida a través de una medida de disimilitud, por ejemplo, la disimilitud de Jaccard dada por

Dij=1|V+(i)V+(j)||V+(i)V+(j)|{\displaystyle D_{ij}=1-{\dfrac {|V^{+}(i)\cap V^{+}(j)|}{|V^{+}(i)\cup V^{+}(j)|}}}

Esta medida nos permite cuantificar la contribución topológica (por eso se llama centralidad de contribución) de cada nodo a la centralidad de un nodo dado, teniendo más peso/relevancia aquellos nodos con mayor disimilitud, ya que estos permiten al nodo dado acceder a nodos a los que él mismo no puede acceder directamente.

Es digno de mención queW{\displaystyle W}es no negativo porqueA{\displaystyle A}yD{\displaystyle D}son matrices no negativas, por lo que podemos usar el teorema de Perron-Frobenius para asegurar que el problema anterior tiene una solución única para λ = λ max con c no negativo, lo que nos permite inferir la centralidad de cada nodo en la red. Por lo tanto, la centralidad del i-ésimo nodo es

doi=1nortej=1norteWijdoj,i=1,,norte{\displaystyle c_{i}={\dfrac {1}{n}}\sum _{j=1}^{n}W_{ij}c_{j},\,\,\,\,\,\,i=1,\cdots ,n}

dóndenorte{\displaystyle n}es el número de nodos en la red. Se probaron varias medidas de disimilitud y redes en [ 37 ] obteniendo mejores resultados en los casos estudiados.

Medidas de centralidad utilizadas en las redes de transporte

Las redes de transporte, como las redes viales y ferroviarias, se estudian ampliamente en la ciencia del transporte y la planificación urbana. Varios estudios recientes se han centrado en el uso de medidas de centralidad para analizar las redes de transporte. Si bien muchos de estos estudios simplemente utilizan medidas de centralidad genéricas, como la centralidad de intermediación, también se han definido medidas de centralidad personalizadas específicamente para el análisis de redes de transporte. Entre ellas destaca la centralidad de transporte . [ 38 ]

La centralidad de transporte mide la suma de las proporciones de caminos desde pares de nodos en una red que pasan por el nodo en cuestión. En este sentido, es similar a la centralidad de intermediación. Sin embargo, a diferencia de la centralidad de intermediación, que solo considera los caminos más cortos, la centralidad de transporte considera todos los caminos posibles entre un par de nodos. Por lo tanto, la centralidad de transporte es una versión genérica de la centralidad de intermediación y, bajo ciertas condiciones, se reduce a ella.

La centralidad de transporte de un nodo v dado se define como: [ 38 ]

Tdo(v)=1/((norte1)(norte2))ΣsvtΣiPAGs,tvmiβdos,tiΣjPAGs,tvmiβdos,tj{\displaystyle TC(v)=1/((N-1)(N-2))\Sigma _{s\neq v\neq t}{\frac {\Sigma _{i\in P_{s,t}^{v}}e^{-\beta C_{s,t}^{i}}}{\Sigma _{j\in P_{s,t}^{v}}e^{-\beta C_{s,t}^{j}}}}}

Véase también

Notas y referencias

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Lecturas adicionales

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