图聚类

1、图划分

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Min-cut

图G=(V,E),V为节点集合,E为边集,寻找一个划分,使得划分的各个分量之间的连边权重之和最小。

Min Cut的问题

  • 平凡解

    所有节点划分到同一个分量中

    解决办法:指定K

  • 不均衡解

    划分的各个分量,大小差异大

    解决办法:限制分量大小

Min Cut的扩展:Ratio-cut, Normalized-cut

图划分求解算法

  • 局部方法:KL算法

    目标:寻找图的最优两路划分

    第一步:构造初始划分C=C1+C2

    第二步:从C1中选择一个节点a,从C2中选择一个节点b,交换a和b可以使cutC减小,则交换

    重复第二步直至cutC不再减小

  • 全局方法:谱划分

    谱聚类的基本思想便是利用样本数据之间的相似矩阵(拉普拉斯矩阵)进行特征分解( 通过Laplacian Eigenmap 的降维方式降维),然后将得到的特征向量进行 K-means聚类。

2、社区发现

识别出网络中“内部连接紧密、与外部连接稀疏”的节点组。

和图划分的区别

  • 图划分

    按照任务需求对网络进行划分

    划分的分量数通常已知

    各个分量彼此不重叠

  • 社区发现

    寻找网络固有的结构规则

    社区个数通常未知

    社区可以重叠、嵌套

GN算法:基于边介数的算法 详细

步骤1:计算每条边的介数

步骤2:删除介数最大的边

模块度

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回答的问题:什么样的网络划分是一个好划分?

直观认识:内部连边多、外部连边少

模块度的性质

取值范围:-1和1之间值越大,划分质量越好

可加性:社区上的定义和节点上的定义一致

社区发现问题变成了模块度优化问题

给定一个网络,寻找该模块度最大的划分

这是一个NP-hard问题,可使用多中优化算法

  • 模块度优化算法示例-局部优化

初始化:每个节点属于一个社区

步骤1,对于每个节点,判定加入其邻居节点所属的社区是否可以增加模块度,如果能够增加,加入使模块度增加最大的社区,直到所有节点所属的社区都不再变动为止

步骤2,将每个社区视为一个节点, 构造新网络

重复上述步骤至模块度不再增加

InfoMap

两级哈夫曼编码

案例

3、图建模

  • 非负矩阵分解

  • 随机块模型

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