Кіріспе
Түпкiлiктi емес топологиялық ерекшеліктері бар желілер. Желі теориясы бойынша, күрделі желі – бұл нақты жүйелерді бейнелейтін желілерде жиі кездесетін, ал қарапайым желілерде, мысалы, торларда немесе кездейсоқ графтарда кездеспейтін, түпкiлiктi емес топологиялық ерекшеліктері бар граф (желі). Күрделі желілерді зерттеу – ғылыми зерттеулердің салыстырмалы түрде жас және қарқынды дамып келе жатқан саласы (2000 жылдан бері), оған компьютерлік желілер, биологиялық желілер, технологиялық желілер, ми желілері, климаттық желілер және әлеуметтік желілер сияқты нақты әлем желілерінен алынған эмпирикалық деректер ықпал етіп отыр.
In the context of network theory, a complex network is a graph (network) with non trivial topological features—features that do not occur in simple networks such as lattices or random graphs but often occur in networks representing real systems. The study of complex networks is a young and active area of scientific research (since 2000) inspired largely by empirical findings of real world networks such as computer networks, biological networks, technological networks, brain networks, climate networks and social networks.
Анықтама
Көптеген әлеуметтік, биологиялық және технологиялық желілер элементтері арасындағы байланыс үлгілерімен сипатталатын, яғни толығымен реттелген немесе толығымен кездейсоқ емес, маңызды топологиялық ерекшеліктерді көрсетеді. Мұндай ерекшеліктерге дәреже таралуындағы ауыр құйрық, жоғары кластерлеу коэффициенті, түйіндер арасындағы ассоциативтілік немесе диссоциативтілік, қоғамдық құрылым және иерархиялық құрылым жатады. Бағытталған желілер үшін бұл ерекшеліктерге өзара байланыс, үштік маңыздылық профилі және басқа да ерекшеліктер кіреді. Бұрын зерттелген желілердің көптеген математикалық модельдері, мысалы, торлар мен кездейсоқ графтар, мұндай ерекшеліктерді көрсетпейді. Ең күрделі құрылымдар өзара әрекеттесулердің орташа саны бар желілерде жүзеге асырылуы мүмкін. Бұл орташа ықтималдықтар үшін максималды ақпараттық мазмұн (энтропия) қол жеткізілетінімен сәйкес келеді. Күрделі желілердің екі жақсы белгілі және көп зерттелген класы – масштабсыз желілер және кішкентай әлем желілері, олардың ашылуы мен анықтамасы осы саладағы классикалық зерттеулер болып табылады. Екеуі де ерекше құрылымдық ерекшеліктерімен сипатталады: біріншісі үшін – қуат заңы бойынша дәреже таралуы, екіншісі үшін – қысқа еңіс жолдар мен жоғары кластерлеу. Алайда, күрделі желілерді зерттеу маңыздылығы мен танымалдылығы артып келе жатқандықтан, желі құрылымдарының көптеген басқа да аспектілері де назар аударуда. Бұл сала қарқынды дамып келеді және математика, физика, электр энергиясы жүйелері, биология, климат, компьютерлік ғылым, социология, эпидемиология және басқа да салалардағы зерттеушілерді біріктіреді. Желі ғылымы мен инженериясының идеялары мен құралдары метаболикалық және генетикалық реттеуші желілерді талдауға; экожүйелердің тұрақтылығы мен беріктігін зерттеуге; клиникалық ғылымға; масштабталатын коммуникациялық желілерді, мысалы, күрделі сымсыз желілерді құру және визуализациялауды модельдеуге және жобалауға; сондай-ақ көптеген басқа да практикалық мәселелерге қолданылады. Желі ғылымы әр түрлі салалардағы көптеген конференциялардың тақырыбы болып табылады және осы салада сарапшылар мен қарапайым оқырмандар үшін көптеген кітаптар жарық көрді.
Өлшемі жоқ желілер
Желі, егер оның дәрежелік үлестірімі, яғни кездейсоқ таңдалған түйіннің белгілі бір сандағы байланыстарының (дәрежесінің) болу ықтималдығы, қуат заңы деп аталатын математикалық функцияға сәйкес келсе, масштабсыз деп аталады. Қуат заңы осы желілердің дәрежелік үлестірімінің ерекше масштабқа ие емес екенін көрсетеді. Керісінше, бір ғана анықталған масштабқа ие желілер, әр түйінінің (шамамен) бірдей дәрежесі бар торға ұқсас. Бір масштабтағы желілердің мысалдары: Эрдос-Реньи (ER) кездейсоқ графигі, кездейсоқ реттелген графиктер, реттелген торлар және гиперкубтар. Масштабқа инвариантты дәрежелік үлестіруді тудыратын өсу желілерінің кейбір үлгілері – Барабаси-Альберт моделі және фитнес моделі. Масштабсыз дәрежелік үлестірімі бар желіде кейбір түйіндердің дәрежесі орташа көрсеткіштен әлдеқайда жоғары болады. Бұл түйіндер көбінесе «хабтар» деп аталады, бірақ бұл терминология шатастырады, себебі анықтама бойынша түйіннің хаб ретінде қаралуы үшін ешқандай ішкі шек жоқ. Егер мұндай шек болса, желі масштабсыз болмас еді. Масштабсыз желілерге қызығушылық 1990 жылдардың соңында, әлемдік желі, автономды жүйелер желісі (AS), кейбір интернет маршрутизаторлары желілері, белоктық өзара әрекеттесу желілері, электрондық пошта желілері сияқты нақты желілерде қуат заңының дәрежелік үлестірімі табылуы туралы хабарламалармен басталды. Бұл «қуат заңдарының» көпшілігі қатаң статистикалық сынақтардан өте алмады, бірақ осы желілердің көпшілігі нақты көрсететін ауыр құйрықты дәрежелік үлестіру идеясы (шекті өлшем әсерлері пайда болғанға дейін) – шеттер тәуелсіз және кездейсоқ болған жағдайда (яғни Пуассон үлестірімін ұстанса) күтілетін нәрседен өте өзгеше. Қуат заңының дәрежелік үлестіріміне ие желі құрудың көптеген әртүрлі жолдары бар. Юл процесі – қуат заңдарының канондық тудыру процесі және ол 1925 жылдан бері белгілі. Алайда, оның жиі қайтадан ойлап табуының нәтижесінде басқа көптеген атаулары бар, мысалы, Герберт А. Саймонның Гибрат принципі, Мэтью эффектісі, кумулятивтік артықшылық және Барабаси мен Альберттің қуат заңының дәрежелік үлестірімі үшін басымдық тіркесуі. Жақында, гиперболалық геометриялық графиктер масштабсыз желілерді құрудың тағы бір тәсілі ретінде ұсынылды. Кейбір желілер қуат заңының дәрежелік үлестіріміне (және басқа да нақты құрылым түрлеріне) ие болады және түйіндердің кездейсоқ жойылуына жоғары төзімді болады – яғни, түйіндердің басым көпшілігі үлкен компонентте біріктірілген күйінде қалады. Мұндай желілер желіні жылдам бөлшектеуге бағытталған мақсатты шабуылдарға да өте сезімтал болуы мүмкін. График дәрежелік үлестірімінен басқа біркелкі кездейсоқ болған жағдайда, осы маңызды түйіндер ең жоғары дәрежеге ие болады және осылайша әлеуметтік және коммуникациялық желілерде аурудың (табиғи және жасанды) таралуына және моданың таралуына қатысты деп есептеледі (екеуі де перколяция немесе тармақталу процесімен модельделеді). Кездейсоқ графиктердің (ER) орташа қашықтығы N логарифміне тең.
Ғарыштық желілер
Көптеген нақты желілер кеңістікте қалыптасқан. Мысалға, көлік және басқа да инфрақұрылым желілері, ми желілері жатады.