Modeling of complex network, application to road and cultural networks

• Auteur / Autrice : Jian Jiang
• Direction : Qiuping Alexandre Wang, Michel Pezeril
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/09/2011
• Etablissement(s) : Le Mans
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ISMANS (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique statistique et systèmes complexes (Le Mans) - ISMANS

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique holomorphe

Modèles mathématiques

Thermodynamique

Entropie

Probabilités

Routes

Réseaux (aménagement du territoire)

Mots clés libres

Réseaux de routes urbains

Réseaux complexes

Dynamique des réseaux

Loi de distribution en double puissance

Entropie

Modèle d'union -division

Modèles mathématiques

Probabilités

Réseaux culturels

Thermodynamique

Systèmes complexes

Urban road network

Small-world effect

Double power-law distribution

Varentropy

Accelerating growth network

Union division optimization

Scale free

Probabilistic uncertainty

Cultural model

Résumé

De nombreux systèmes complexes provenant de phénomènes naturels ou de la société humaine peuvent être décrits comme des réseaux complexes. Dans cette thèse, sur la base de la théorie des réseaux complexes, nous allons nous pencher sur la structure topologique de ces réseaux complexes et leurs dynamiques. Nous avons créé des modèles pour étudier les influences de la structure sur la dynamique des réseaux et mis en évidence quelques propriétés particulières des systèmes complexes. Cette thèse comporte quatre parties. Dans la première partie, les propriétés empiriques (degré de distribution, coefficient d’agrégation, diamètre, longueur caractéristique de parcours) des réseaux de routes urbaines de la ville du Mans en France sont étudiées. Dans la seconde partie, nous proposons deux modèles pour étudier le mécanisme éventuel conduisant à s’écarter de la loi de puissance simple. Dans le premier modèle, la probabilité d’addition de noeuds et de liens, la création de liens est étudiée ; dans le second modèle, seule la croissance aléatoire et préférentielle de liens est ajoutée. Les résultats de la simulation de ce modèle sont comparés aux données réelles. Dans la troisième partie, les propriétés probabilistes incertaines de la loi de distribution en double puissance sont étudiées. L’optimisation du réseau et l’étude optimale du réseau sans échelle vers l’échec aléatoire sont étudiées en se servant du principe de maximisation de l’entropie. Nous avons défini l’ensemble du réseau à l’équilibre comme des ensembles stationnaires de graphes en utilisant des notions thermodynamiques telle que ”énergie”, ”température”, ” énergie libre” pour les réseaux. Dans la quatrième partie, un modèle d’union-division est mis au point pour étudier l’évolution temporelle de certains réseaux culturels ou économiques. Dans ce modèle, les noeuds représentent les cultures. Plusieurs grandeurs telles que la richesse, l’âge, identité, contenu etc. sont utilisées pour paramétrer l’évolution probable du réseau. Le modèle offre une vision à long terme sur une dynamique apparemment périodique d’ensemble de grandeurs culturelles ou économiques en interaction.

Many complex systems arising from nature and human society can be described as complex networks. In this dissertation, on the basis of complex network theory, we pay attention to the topological structure of complex network and the dynamics on it. We established models to investigate the influences of the structure on the dynamics of networks and to shed light on some peculiar properties of complex systems. This dissertation includes four parts. In the first part, the empirical properties (degree distribution, clustering coefficient, diameter, and characteristic path length) of urban road network of Le Mans city in France are studied. The degree distribution shows a double power-law which we studied in detail. In the second part, we propose two models to investigate the possible mechanisms leading to the deviation from simple power law. In the first model, probabilistic addition of nodes and links, and rewiring of links are considered; in the second one, only random and preferential link growth is included. The simulation results of the modelling are compared with the real data. In the third part,the probabilistic uncertainty behavior of double power law distribution is investigated. The network optimization and optimal design of scale free network to random failures are discussed from the viewpoint of entropy maximization. We defined equilibrium network ensemble as stationary ensembles of graphs by using some thermodynamics like notions such as ”energy”, ”temperature”, ”free energy” for network. In the forth part, an union-division model is established to investigate the time evolution of certain networks like cultural or economical networks. In this model, the nodes represent, for example, the cultures. Several quantities such as richness, age, identity, ingredient etc. are used to parameterize the probabilistic evolution of the network. The model offers a long term view on the apparently periodic dynamics of an ensemble of cultural or economic entities in interaction.