社团结构分析
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数学表述:
其中V是子图，K是顶点的度。即子图 V 是模块的条件是模块内 顶点的内部连边的度值之和大于模块内顶点的外部连边的度值之 和。 PNAS ---- Proc. Natl. Acad. Sci. USA 美国科学院院刊
10
模块划分的重要性
许多复杂网络共有的性质。 研究模块结构有助于研究整个网络的结构和功能
Jin G, Zhou X, Wang H, Zhao H, Cui K, Zhang XS, Chen L, Hazen SL, Li K, Wong ST
The Knowledge-Integrated Network Biomarkers Discovery for Major Cardiac Events.
许多生物问题, 特别是人类的疾病, 在分子层面
上都可归于 “systems problems”
-- Leroy Hood
许多生物问题可以表达成生物分子网络（bio-
molecular networks）的问题。
生物分子网络包括：蛋白质相互作用网（
protein interaction networks）, 新陈代谢网（ metabolic networks），基因调控网（ gene regulatory networks）, e.t.; 他们都有共同的性质
Local methods （局部方法） for community detection identify a subset
of nodes as a community according to certain local connection conditions, independently from the structure of the rest of the network. Such methods include clique overlap-based hierarchical clustering, clique percolation method, and sub-graph fitness method.
包括太古代（ Archae），细菌（ Becterium), 真核生物（Eukaryote）在内的43个物种的 新 陈代谢网（ Metabolic network ）都是 Scalefree的。
4
Protein-protein interaction networks
Rui-Sheng Wang,Yong Wang, Ling-Yun Wu, Xiang-Sun Zhang, Luonan Chen. Analysis on multi-domain cooperation for predicting protein-protein interactions. BMC Bioinformatics, 8:391, 2007 Shihua Zhang, Xue-Mei Ning and Xiang-Sun Zhang. Identification of functional modules in a PPI network by clique percolation clustering. Computational biology and chemistry, 30(6), 445-451, 2006. Luonan Chen, Ling-Yun Wu,Yong Wang and Xiang-Sun Zhang. Inferring Protein Interactions from Experimental Data by Association Probabilistic Method. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics, Vol. 62, pp. 833-837, 2006.
J Proteome Res 7(9): 4013-4021,2008
Adverse
6
Book about Biomolecular networks
7
Luonan Chen, Rui-Sheng Wang, Xiang-Sun Zhang. Biomolecular Networks: Methods and Applications in Systems Biology. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey. July, 2009.
15
我们小组在研究这一问题的早期发展了一些基于图论和
矩阵谱分解的模块探测算法 (local method)
Shihua Zhang, Rui-Sheng Wang, and Xiang-Sun Zhang. Identification of overlapping community structure in complex networks using fuzzy cmeans Clustering. Physica A, 2007, 374, 483–490.
数学生态学
圣塔菲研究所的科学家 合作网：模块代表从事 相似领域研究的科学家 集合
统计物理
11
Martin Rosvall, Carl T. Bergstrom, PNAS, vol. 105, no.4. 1118-1123, 2007
自然科学论文引用网络：6128 期刊, 约600万次引用， 划分为88个模块 和3024条 模块间的连接， 刻画了学科之间 的联系
更为有趣的是，许多这样的网是“复杂”网络
2
复杂网络的典型代表:生物分子网络之一 ---- 蛋 白质相互作用网 （Scale-free)
3
酵母细胞中的蛋白质相互作用网络 (A.-L. Barabási, NATURE REVIEWS GENETICS, 2004)
Jeong, 2000, Nature
13
Importance of the topic
Girvan, M, Newman, M., Proc.
2002 Ravasz, E, Somera, A, Mongru, D, Oltvai, Z, Barabasi, A., Science, 2002 Radicchi, F, Castellano, C, Cecconi, F., Proc. Natl. Acad. Sci, 2004 Guimera, R, Mossa, S, Turtschi, A., Proc. Natl. Acad. Sci, 2005 Guimera, R, Amaral, L., Nature, 2005 Newman, M., Proc. Natl. Acad. Sci, 2006 Rosvall, M, Bergstrom, C., Proc. Natl. Acad. Sci, 2007 Fortunato, S, Barthelemy, M., Proc. Natl. Acad. Sci, 2007 Weinan, E, Li, T, Vanden-Eijnden, E., Proc. Natl. Acad. Sci, 2008 Rosvall, M, Bergstrom, C., Proc. Natl. Acad. Sci, 2008 Peter J. Mucha, et al., Science 2010 Yong-Yeol Ahn, James P. Bagrow & Sune Lehmann，Nature, 2010
Shihua Zhang, Rui-Sheng Wang and Xiang-Sun Zhang. Uncovering fuzzy community structure in complex networks. Physical Review E, 76, 046103, 2007 Rui-Sheng Wang, Shihua Zhang, Yong Wang, Xiang-Sun Zhang, Luonan Chen. Clustering complex networks and biological networks by nonnegative matrix factorization with various similarity measures. Neurocomputing, 2007
Xiang-Sun Zhang, Rui-Sheng Wang, Ling-Yun Wu, Shihua Zhang and Luonan Chen. Inferring Protein-Protein Interactions by Combinatorial Models. IFMBE Proceedings, Vol.14, 2006, 183--186, Springer Berlin Heidelberg.
Zhenping Li, Rui-Sheng Wang, Xiang-Sun Zhang.
Mass Flow Model and Essentiality of Enzymes in Metabolic Networks. Lecture Notes in Operations Research, 9, pp. 182-190, World Publishing Corporation, Lijiang, 2008.
生物信息学与最优化方法
Natl. Acad. Sci,
14
社团结构探索方法概述
A large number of methods have been developed for detecting communities, which can be generally categorized into local and global methods.
复杂网络的社团结构分析
Community structure in complex networks
章祥荪
http://zhangroup.aporc.org
中国科学院 数学与系统科学研究院
全国复杂网络会议，苏州大学， 2010，10, 17
1
Bio-molecular networks （生物分子网）
Yeast functional linkage network
SCIENCE Vol 306(26) 2004
DNA damage module
可分成564 个模块，由 950 个显著的块间相互 作用相连接。
复杂网络的动态性质研究
复杂网络的静态结构研究
小世界(Small world) ，尺度无关（Scale free)，聚
Global methods （全局方法）for community detection optimize
certain global quantitative functions encoding the quality of the overall partition of the network, such as information theoretical method, Potts model, and optimization of modularity measures.
5
MetaboBiblioteka Baiduic and signaling networks
Zhenping Li, Rui-Sheng Wang, Xiang-Sun Zhang and Luonan Chen.
Detecting drug targets with minimum side effects in metabolic networks. IET Systems Biology, 3(6), 523-533, 2009
12
一个社会网络的例子
W. W. Zachary, An information flow model for conflict and fission in small groups, Journal of Anthropological Research 33, 452-473 1977
1970年美国大学里的一个空手道俱乐部关系网络：节点是 其34名成员，边是他们两年间的友谊关系，边数为78。俱 乐部里的矛盾导致其分裂为两个小的俱乐部。问题是能否 用网络的模块结构来重现这个过程？ 它是模块探测研究中的经典例子。
类特性 (Clustering) 的确切数学模型。
社团结构 (Community Structure) …………
9
复杂网络的模块化性质
复杂网络中存在模块或者社区结构 (Module or
Community structure)
模块或者社区定义为网络中内部连接稠密，与外部连
接稀疏的节点的集合 (Filippo Radicchi et. al. PNAS, Vol.101, No.9, 2658-2663, 2004).
其中V是子图，K是顶点的度。即子图 V 是模块的条件是模块内 顶点的内部连边的度值之和大于模块内顶点的外部连边的度值之 和。 PNAS ---- Proc. Natl. Acad. Sci. USA 美国科学院院刊
10
模块划分的重要性
许多复杂网络共有的性质。 研究模块结构有助于研究整个网络的结构和功能
Jin G, Zhou X, Wang H, Zhao H, Cui K, Zhang XS, Chen L, Hazen SL, Li K, Wong ST
The Knowledge-Integrated Network Biomarkers Discovery for Major Cardiac Events.
许多生物问题, 特别是人类的疾病, 在分子层面
上都可归于 “systems problems”
-- Leroy Hood
许多生物问题可以表达成生物分子网络（bio-
molecular networks）的问题。
生物分子网络包括：蛋白质相互作用网（
protein interaction networks）, 新陈代谢网（ metabolic networks），基因调控网（ gene regulatory networks）, e.t.; 他们都有共同的性质
Local methods （局部方法） for community detection identify a subset
of nodes as a community according to certain local connection conditions, independently from the structure of the rest of the network. Such methods include clique overlap-based hierarchical clustering, clique percolation method, and sub-graph fitness method.
包括太古代（ Archae），细菌（ Becterium), 真核生物（Eukaryote）在内的43个物种的 新 陈代谢网（ Metabolic network ）都是 Scalefree的。
4
Protein-protein interaction networks
Rui-Sheng Wang,Yong Wang, Ling-Yun Wu, Xiang-Sun Zhang, Luonan Chen. Analysis on multi-domain cooperation for predicting protein-protein interactions. BMC Bioinformatics, 8:391, 2007 Shihua Zhang, Xue-Mei Ning and Xiang-Sun Zhang. Identification of functional modules in a PPI network by clique percolation clustering. Computational biology and chemistry, 30(6), 445-451, 2006. Luonan Chen, Ling-Yun Wu,Yong Wang and Xiang-Sun Zhang. Inferring Protein Interactions from Experimental Data by Association Probabilistic Method. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics, Vol. 62, pp. 833-837, 2006.
J Proteome Res 7(9): 4013-4021,2008
Adverse
6
Book about Biomolecular networks
7
Luonan Chen, Rui-Sheng Wang, Xiang-Sun Zhang. Biomolecular Networks: Methods and Applications in Systems Biology. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey. July, 2009.
15
我们小组在研究这一问题的早期发展了一些基于图论和
矩阵谱分解的模块探测算法 (local method)
Shihua Zhang, Rui-Sheng Wang, and Xiang-Sun Zhang. Identification of overlapping community structure in complex networks using fuzzy cmeans Clustering. Physica A, 2007, 374, 483–490.
数学生态学
圣塔菲研究所的科学家 合作网：模块代表从事 相似领域研究的科学家 集合
统计物理
11
Martin Rosvall, Carl T. Bergstrom, PNAS, vol. 105, no.4. 1118-1123, 2007
自然科学论文引用网络：6128 期刊, 约600万次引用， 划分为88个模块 和3024条 模块间的连接， 刻画了学科之间 的联系
更为有趣的是，许多这样的网是“复杂”网络
2
复杂网络的典型代表:生物分子网络之一 ---- 蛋 白质相互作用网 （Scale-free)
3
酵母细胞中的蛋白质相互作用网络 (A.-L. Barabási, NATURE REVIEWS GENETICS, 2004)
Jeong, 2000, Nature
13
Importance of the topic
Girvan, M, Newman, M., Proc.
2002 Ravasz, E, Somera, A, Mongru, D, Oltvai, Z, Barabasi, A., Science, 2002 Radicchi, F, Castellano, C, Cecconi, F., Proc. Natl. Acad. Sci, 2004 Guimera, R, Mossa, S, Turtschi, A., Proc. Natl. Acad. Sci, 2005 Guimera, R, Amaral, L., Nature, 2005 Newman, M., Proc. Natl. Acad. Sci, 2006 Rosvall, M, Bergstrom, C., Proc. Natl. Acad. Sci, 2007 Fortunato, S, Barthelemy, M., Proc. Natl. Acad. Sci, 2007 Weinan, E, Li, T, Vanden-Eijnden, E., Proc. Natl. Acad. Sci, 2008 Rosvall, M, Bergstrom, C., Proc. Natl. Acad. Sci, 2008 Peter J. Mucha, et al., Science 2010 Yong-Yeol Ahn, James P. Bagrow & Sune Lehmann，Nature, 2010
Shihua Zhang, Rui-Sheng Wang and Xiang-Sun Zhang. Uncovering fuzzy community structure in complex networks. Physical Review E, 76, 046103, 2007 Rui-Sheng Wang, Shihua Zhang, Yong Wang, Xiang-Sun Zhang, Luonan Chen. Clustering complex networks and biological networks by nonnegative matrix factorization with various similarity measures. Neurocomputing, 2007
Xiang-Sun Zhang, Rui-Sheng Wang, Ling-Yun Wu, Shihua Zhang and Luonan Chen. Inferring Protein-Protein Interactions by Combinatorial Models. IFMBE Proceedings, Vol.14, 2006, 183--186, Springer Berlin Heidelberg.
Zhenping Li, Rui-Sheng Wang, Xiang-Sun Zhang.
Mass Flow Model and Essentiality of Enzymes in Metabolic Networks. Lecture Notes in Operations Research, 9, pp. 182-190, World Publishing Corporation, Lijiang, 2008.
生物信息学与最优化方法
Natl. Acad. Sci,
14
社团结构探索方法概述
A large number of methods have been developed for detecting communities, which can be generally categorized into local and global methods.
复杂网络的社团结构分析
Community structure in complex networks
章祥荪
http://zhangroup.aporc.org
中国科学院 数学与系统科学研究院
全国复杂网络会议，苏州大学， 2010，10, 17
1
Bio-molecular networks （生物分子网）
Yeast functional linkage network
SCIENCE Vol 306(26) 2004
DNA damage module
可分成564 个模块，由 950 个显著的块间相互 作用相连接。
复杂网络的动态性质研究
复杂网络的静态结构研究
小世界(Small world) ，尺度无关（Scale free)，聚
Global methods （全局方法）for community detection optimize
certain global quantitative functions encoding the quality of the overall partition of the network, such as information theoretical method, Potts model, and optimization of modularity measures.
5
MetaboBiblioteka Baiduic and signaling networks
Zhenping Li, Rui-Sheng Wang, Xiang-Sun Zhang and Luonan Chen.
Detecting drug targets with minimum side effects in metabolic networks. IET Systems Biology, 3(6), 523-533, 2009
12
一个社会网络的例子
W. W. Zachary, An information flow model for conflict and fission in small groups, Journal of Anthropological Research 33, 452-473 1977
1970年美国大学里的一个空手道俱乐部关系网络：节点是 其34名成员，边是他们两年间的友谊关系，边数为78。俱 乐部里的矛盾导致其分裂为两个小的俱乐部。问题是能否 用网络的模块结构来重现这个过程？ 它是模块探测研究中的经典例子。
类特性 (Clustering) 的确切数学模型。
社团结构 (Community Structure) …………
9
复杂网络的模块化性质
复杂网络中存在模块或者社区结构 (Module or
Community structure)
模块或者社区定义为网络中内部连接稠密，与外部连
接稀疏的节点的集合 (Filippo Radicchi et. al. PNAS, Vol.101, No.9, 2658-2663, 2004).