An efficient library for simulating complex networks

Abstract

Viimeisen vuosikymmenen aikana kompleksisten verkkojen teoria on noussut esiin uutena tapana tutkia monenlaisia systeemejä, jotka koostuvat suuresta määrästä vuorovaikuttavia osasia. Verkkotarkastelu on paljastunut yllättäviä yhtäläisyyksiä hyvinkin erilaisista keinotekoisista ja luonnossa esiintyvistä rakenteista, kuten solujen signalointiverkoista ja Internetistä.

Numeeriset simulaatiot ovat tärkeässä osassa verkkojen tutkimuksessa, koska täysin analyyttiset lähestymistavat eivät ole useinkaan mahdollisia. Riittävän helppokäyttöisiä ja skaalautuvia ohjelmistoratkaisuja ei ole kuitenkaan esitelty. Useimpien tieteellisesti mielenkiintoisten verkkojen harva rakenne korostaa puutetta entisestään.

Tässä työssä on kehitetty ohjelmakirjasto kompleksisten verkkojen simulointiin. Yleisesti käytetyt tilastollisen fysiikan työkalut vaativat ensemblekeskiarvojen laskemista hyvin monista yksittäisistä verkoista. Toisaalta mielenkiintoisten ilmiöiden skaalautuminen on usein sellaista, että luotettavien tulosten saamiseksi on tutkittava miljoonista solmuista ja kaarista koostuvia verkkoja. Myöskin samaa suuruusluokkaa edustavia empiirisesti havaittuja verkkoja on hiljattain saatu tutkimuskäyttöön. Tietorakenteiden ja operaatioiden aika- ja muistivaatimusten tulee siten olla mahdollisimman vähäisiä.

Suorituskykytavoitteet on saavutettu valitsemalla tietorakenteet ja algoritmit perinpohjaisen teoreettisen tutkimuksen perusteella. Eräät nykyaikaisten tietokonelaitteistojen erityiset ominaisuudet ovat myöskin vaikuttaneet valintaan. Helppokäyttöisyyteen on päästy hyödyntämällä geneerisen ohjelmoinnin tekniikoita.

Työssä esitellään kaksi tehokasta aiemmin julkaisematonta tietorakennetta. Lisäksi on kehitetty uusi menetelmä verkon symmetrisyyden säilyttämisen kaltaisten sivuvaikutusten hallintaan.