Möller, Marco (2015)
Eigenschaften von kritischen Booleschen Zufallsnetzwerken.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung
Kurzbeschreibung (Abstract)
Boolsche Netzwerke werden häufig als generische Modelle für die Dynamik von interagierenden Einheiten genutzt, deren Zustand sich mit "an" oder "aus" gut beschreiben lässt. Neben sozialen oder ökonomischen Strukturen lässt sich beispielsweise auch die Interaktion von Genen und Proteinen durch Boolsche Netzwerke modellieren. Anhand ihrer Dynamik kann man Boolsche Netzwerke zwei verschiedenen Phasen zuordnen, der gefrorenen Phase sowie der chaotischen Phase. Im ersten Fall läuft die Dynamik des Netzwerkes unabhängig vom Anfangszustand immer auf denselben Fixpunkt. Im zweiten Fall ist sie extrem sensitiv gegenüber Störungen. Von besonderem Interesse sind die kritischen Boolschen Netzwerke, die sich genau auf der Phasengrenze befinden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dynamischen und strukturellen Aspekten von kritischen Boolschen Zufallsnetzen (critical random Boolean networks).
An einer Phasengrenze existiert typischerweise Skaleninvarianz und es gibt somit viele Potenzgesetze für unterschiedliche Charakteristika. Im Falle von Boolschen Netzwerken ist die Größe des gefrorenen Kerns eine solche Charakteristik. Dieser beinhaltet alle Knoten, deren Dynamik für alle Anfangsbedingungen auf demselben Fixpunkt endet. Ein bislang genutzter, sehr effizienter Algorithmus zur Bestimmung des gefrorenen Kerns geht von Knoten mit einer konstanten Aktualisierungsfunktion aus und bestimmt rekursiv weitere konstante Knoten. Es wird gezeigt, dass diese Methode scheitert, wenn der mittlere Grad eine von den verwendeten Aktualisierungsfunktionen abhängige Grenze überschreitet. Im Falle von biased Funktionen liegt diese Grenze bei 4, also durchaus im relevanten Bereich. Die Bildung des gefrorenen Kerns und dessen Robustheit wird mit Hilfe von Simulationen untersucht. Darüber hinaus wird gezeigt, dass einige wichtige Eigenschaften der Daten mittels Mean-Field-Überlegung begründet werden können.
Bei biologischen Netzwerken findet man häufig skalenfreie Ein- und/oder Ausgangsgradverteilungen. Wann immer der Exponent einer solchen skalenfreien Gradverteilung zwischen 2 und 3 liegt, divergiert das zweite Moment dieser Verteilung mit der Netzwerkgröße, was ebenfalls viele natürliche Netzwerke betrifft. Dies führt dazu, dass der Skalenexponent der Größe des gefrorenen Kerns von den Exponenten der Gradverteilungen abhängt. Des Weiteren besteht auch eine Abhängigkeit von der Art des Cut-off der Gradverteilungen. Die meisten bisherigen Ergebnisse sind für solche Netzwerke nicht gültig. Für eben diese Netzwerke werden einige Skalengesetze analytisch hergeleitet und numerisch validiert.
In verschiedenen Anwendungsgebieten existieren Netzwerke, deren Knoten sich stark durch ihre Verknüpfungen oder Dynamik unterscheiden. Dies lässt sich modellieren, indem ähnliche Knoten zu Blöcken zusammengefasst werden. Hierdurch entstehen viele neue Freiheitsgrade in der Modellierung solcher Ensembles. In allgemeinen theoretischen Untersuchungen zu solchen Boolschen Blocknetzwerken stellt sich neben der Frage nach deren Kritikalität auch jene nach der sinnvollen Wahl der zahlreichen Parameter. Eine Möglichkeit, die in dieser Arbeit untersucht wird, ist die Maximierung der Entropie der Ensembles, wobei zwischen struktureller und funktionaler Entropie unterschieden werden muss. Je nach Gewichtung zwischen diesen Entropien und nach mittlerem Grad finden sich für die Struktur der gefundenen Blocknetzwerke mehrere deutlich unterscheidbare Phasen, für deren Ursprung eine Theorie entwickelt wird. Neben einer vollkommen zufälligen Phase kommen auch verschiedene geordnete vor, wie etwa eine core-periphery ähnliche Struktur und eine abgeschwächte Zwei-Gruppen-Struktur. Solche einfachen Makrostrukturen sind die wahrscheinlichsten, solange es außer Kritikalität keine Nebenbedingungen oder zusätzlichen Optimierungskriterien gibt.
Typ des Eintrags: | Dissertation | ||||
---|---|---|---|---|---|
Erschienen: | 2015 | ||||
Autor(en): | Möller, Marco | ||||
Art des Eintrags: | Erstveröffentlichung | ||||
Titel: | Eigenschaften von kritischen Booleschen Zufallsnetzwerken | ||||
Sprache: | Deutsch | ||||
Referenten: | Drossel, Prof. Dr. Barbara ; Dünweg, Prof. Dr. Burkhard | ||||
Publikationsjahr: | 2015 | ||||
Datum der mündlichen Prüfung: | 18 Februar 2015 | ||||
URL / URN: | http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4491 | ||||
Kurzbeschreibung (Abstract): | Boolsche Netzwerke werden häufig als generische Modelle für die Dynamik von interagierenden Einheiten genutzt, deren Zustand sich mit "an" oder "aus" gut beschreiben lässt. Neben sozialen oder ökonomischen Strukturen lässt sich beispielsweise auch die Interaktion von Genen und Proteinen durch Boolsche Netzwerke modellieren. Anhand ihrer Dynamik kann man Boolsche Netzwerke zwei verschiedenen Phasen zuordnen, der gefrorenen Phase sowie der chaotischen Phase. Im ersten Fall läuft die Dynamik des Netzwerkes unabhängig vom Anfangszustand immer auf denselben Fixpunkt. Im zweiten Fall ist sie extrem sensitiv gegenüber Störungen. Von besonderem Interesse sind die kritischen Boolschen Netzwerke, die sich genau auf der Phasengrenze befinden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dynamischen und strukturellen Aspekten von kritischen Boolschen Zufallsnetzen (critical random Boolean networks). An einer Phasengrenze existiert typischerweise Skaleninvarianz und es gibt somit viele Potenzgesetze für unterschiedliche Charakteristika. Im Falle von Boolschen Netzwerken ist die Größe des gefrorenen Kerns eine solche Charakteristik. Dieser beinhaltet alle Knoten, deren Dynamik für alle Anfangsbedingungen auf demselben Fixpunkt endet. Ein bislang genutzter, sehr effizienter Algorithmus zur Bestimmung des gefrorenen Kerns geht von Knoten mit einer konstanten Aktualisierungsfunktion aus und bestimmt rekursiv weitere konstante Knoten. Es wird gezeigt, dass diese Methode scheitert, wenn der mittlere Grad eine von den verwendeten Aktualisierungsfunktionen abhängige Grenze überschreitet. Im Falle von biased Funktionen liegt diese Grenze bei 4, also durchaus im relevanten Bereich. Die Bildung des gefrorenen Kerns und dessen Robustheit wird mit Hilfe von Simulationen untersucht. Darüber hinaus wird gezeigt, dass einige wichtige Eigenschaften der Daten mittels Mean-Field-Überlegung begründet werden können. Bei biologischen Netzwerken findet man häufig skalenfreie Ein- und/oder Ausgangsgradverteilungen. Wann immer der Exponent einer solchen skalenfreien Gradverteilung zwischen 2 und 3 liegt, divergiert das zweite Moment dieser Verteilung mit der Netzwerkgröße, was ebenfalls viele natürliche Netzwerke betrifft. Dies führt dazu, dass der Skalenexponent der Größe des gefrorenen Kerns von den Exponenten der Gradverteilungen abhängt. Des Weiteren besteht auch eine Abhängigkeit von der Art des Cut-off der Gradverteilungen. Die meisten bisherigen Ergebnisse sind für solche Netzwerke nicht gültig. Für eben diese Netzwerke werden einige Skalengesetze analytisch hergeleitet und numerisch validiert. In verschiedenen Anwendungsgebieten existieren Netzwerke, deren Knoten sich stark durch ihre Verknüpfungen oder Dynamik unterscheiden. Dies lässt sich modellieren, indem ähnliche Knoten zu Blöcken zusammengefasst werden. Hierdurch entstehen viele neue Freiheitsgrade in der Modellierung solcher Ensembles. In allgemeinen theoretischen Untersuchungen zu solchen Boolschen Blocknetzwerken stellt sich neben der Frage nach deren Kritikalität auch jene nach der sinnvollen Wahl der zahlreichen Parameter. Eine Möglichkeit, die in dieser Arbeit untersucht wird, ist die Maximierung der Entropie der Ensembles, wobei zwischen struktureller und funktionaler Entropie unterschieden werden muss. Je nach Gewichtung zwischen diesen Entropien und nach mittlerem Grad finden sich für die Struktur der gefundenen Blocknetzwerke mehrere deutlich unterscheidbare Phasen, für deren Ursprung eine Theorie entwickelt wird. Neben einer vollkommen zufälligen Phase kommen auch verschiedene geordnete vor, wie etwa eine core-periphery ähnliche Struktur und eine abgeschwächte Zwei-Gruppen-Struktur. Solche einfachen Makrostrukturen sind die wahrscheinlichsten, solange es außer Kritikalität keine Nebenbedingungen oder zusätzlichen Optimierungskriterien gibt. |
||||
Alternatives oder übersetztes Abstract: |
|
||||
URN: | urn:nbn:de:tuda-tuprints-44910 | ||||
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik | ||||
Fachbereich(e)/-gebiet(e): | 05 Fachbereich Physik > Institut für Festkörperphysik (2021 umbenannt in Institut für Physik Kondensierter Materie (IPKM)) > Biophysik 05 Fachbereich Physik > Institut für Festkörperphysik (2021 umbenannt in Institut für Physik Kondensierter Materie (IPKM)) > Statistische Physik und komplexe Systeme 05 Fachbereich Physik > Institut für Festkörperphysik (2021 umbenannt in Institut für Physik Kondensierter Materie (IPKM)) 05 Fachbereich Physik |
||||
Hinterlegungsdatum: | 26 Apr 2015 19:55 | ||||
Letzte Änderung: | 26 Apr 2015 19:55 | ||||
PPN: | |||||
Referenten: | Drossel, Prof. Dr. Barbara ; Dünweg, Prof. Dr. Burkhard | ||||
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: | 18 Februar 2015 | ||||
Export: | |||||
Suche nach Titel in: | TUfind oder in Google |
Frage zum Eintrag |
Optionen (nur für Redakteure)
Redaktionelle Details anzeigen |