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社团结构与社区发现15 / 19

社团结果的验证与解读

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找到社团只是第一步,更重要的是判断它是否可靠、有什么含义。

  1. 显著性:把实际网络的 QQ 与大量保度随机网络上得到的 QQ 比较。若随机网络的 QQ 也差不多,说明“社团”可能只是随机涨落。推断性方法(贝叶斯 SBM)则直接比较“有结构”与“无结构”模型的后验证据。
  2. 稳定性:用不同随机种子、不同算法、不同分辨率参数重复运行,看节点的归属是否一致。可以统计任意两个节点被分到同一社团的频率(共识矩阵)。还可以对数据做扰动(删去一部分边、对样本做自助抽样后重建网络),检查社团对测量误差是否稳健。
  3. 与已知分组比较:若有参考分组(例如已知的蛋白复合物或脑功能系统划分),可以用 NMI 或 ARI 量化一致程度,但要注意元数据不是金标准。
  4. 生物学验证:对每个社团中的基因做功能富集分析(如 GO、KEGG 通路),检验社团是否对应特定的生物学过程;在脑网络中,检验社团是否对应已知的功能系统。富集检验的背景基因集应是网络中的全部节点,而不是全基因组,否则网络本身的选择偏倚会制造虚假富集。
  5. 社团之间的关系与节点角色:见下文。

节点角色:模块内度与参与系数

Guimerà 与 Amaral(2005)用两个量刻画节点在社团结构中的角色:

  • 模块内度 zz 分数:zi=κi−κ‾siσκsiz_i=\dfrac{\kappa_i-\bar\kappa_{s_i}}{\sigma_{\kappa_{s_i}}},κi\kappa_i 为节点 ii 连向本社团 sis_i 的边数,κ‾si\bar\kappa_{s_i}、σκsi\sigma_{\kappa_{s_i}} 为本社团所有节点 κ\kappa 的均值与标准差。
  • 参与系数:Pi=1−∑s(kiski)2P_i=1-\sum_s\left(\dfrac{k_{is}}{k_i}\right)^2,kisk_{is} 为 ii 连向社团 ss 的边数。所有边都在本社团内时 Pi=0P_i=0;边均匀分布在各社团时 PiP_i 接近 1。

他们把 z≥2.5z\ge2.5 的节点称为枢纽,再按 PP 把节点分为 7 种角色:非枢纽中的极端外围(R1,P≤0.05P\le0.05)、外围(R2)、非枢纽连接者(R3)、非枢纽无归属节点(R4,P>0.80P>0.80);枢纽中的局部枢纽(R5,P≤0.30P\le0.30)、连接枢纽(R6)、无归属枢纽(R7,P>0.75P>0.75)。这一“功能制图”在脑网络中被广泛用来区分“社团内枢纽”和“连接枢纽”(见脑连接组:结构与功能连接)。

zz 与 PP 都依赖于所用的划分;划分不稳定时,节点角色也不稳定。阈值 2.5、0.30、0.62 等是在较大的代谢网络上经验确定的,在小网络中可能没有节点能达到枢纽门槛(如空手道网络中 zz 最高的节点 33 只有约 2.3),直接套用会得出“没有枢纽”的误导性结论。

社团的统计刻画

  • 社团大小分布:许多真实网络的社团大小分布呈长尾,少数大社团与大量小社团共存。但不同算法给出的大小分布可能截然不同:Barabási《Network Science》第 9 章以电网为例,基于模块度的算法给出大小相近的社团,而 Ravasz 算法与 Infomap 给出大量小社团加少数大社团。这部分源于模块度的分辨率极限,说明社团大小分布本身也是算法依赖的。
  • 社团与边权:在社会网络中,强关系多在社团内部(Onnela 等 2007);在其他系统中需要具体检验。

层次模块化:Ravasz 等(2002,Science)分析 43 种生物的代谢网络,发现它们同时具有高聚集系数、长尾度分布,以及“度越高的节点聚集系数越低”(C(k)∼k−1C(k) \sim k^{-1})的特征。他们用层次模块化的结构解释这一现象:小而紧密的模块组合成更大、更松散的模块,再逐级组合。用层次聚类得到的模块与已知的代谢功能类别(如碳水化合物代谢、核苷酸代谢)有明显的对应关系。