Вычисление betweenness centrality

Материал из Алговики
Перейти к навигации Перейти к поиску

Свойства и структура алгоритмов

Общее описание алгоритма

Центральностью (англ. betweenness centrality[1]) вершины [math]\displaystyle{ v }[/math] графа [math]\displaystyle{ G = (V, E) }[/math] называется величина

[math]\displaystyle{ C_B(v) = \sum_{s \ne t \ne v \in V} \frac{\sigma_{st}(v)}{\sigma_{st}}, }[/math]

где [math]\displaystyle{ \sigma_{st} }[/math] – число различных кратчайших путей в графе [math]\displaystyle{ G }[/math] от вершины [math]\displaystyle{ s }[/math] к вершине [math]\displaystyle{ t }[/math], а [math]\displaystyle{ \sigma_{st}(v) }[/math] – число таких путей, проходящих через вершину [math]\displaystyle{ v }[/math].

Алгоритм Брандеса[2] вычисляет центральность всех вершин графа за время [math]\displaystyle{ O(mn) }[/math] невзвешенного графа и [math]\displaystyle{ O(mn + n^2 \ln n) }[/math] для взвешенного.

Математическое описание

Пусть на графе [math]\displaystyle{ G }[/math] заданы положительные веса рёбер [math]\displaystyle{ f(e) }[/math], [math]\displaystyle{ e \in E }[/math]. Если граф невзвешенный, то [math]\displaystyle{ f(e) \equiv 1 }[/math]. Обозначим через [math]\displaystyle{ d(v, w) }[/math] кратчайшее расстояние между вершинами [math]\displaystyle{ v }[/math] и [math]\displaystyle{ w }[/math]. Множество

[math]\displaystyle{ P_s(v) = \{ w \in V \mid d(s, v) = d(s, w) + f(w, v) \} }[/math]

состоит из вершин [math]\displaystyle{ w }[/math], предшествующих [math]\displaystyle{ v }[/math] на кратчайших путях от [math]\displaystyle{ s }[/math] к [math]\displaystyle{ v }[/math].

Зависимостью вершины [math]\displaystyle{ s }[/math] от вершины [math]\displaystyle{ v }[/math] называется величина

[math]\displaystyle{ \delta_s(v) = \sum_{t \in V} \frac{\sigma_{st}(v)}{\sigma_{st}}. }[/math]

По соглашению [math]\displaystyle{ \sigma_{ss} = 1 }[/math]. Центральность тогда равна сумме зависимостей от всех вершин графа:

[math]\displaystyle{ C_B(v) = \sum_{s \ne v} \delta_s(v). }[/math]

Брандес доказал[2], что зависимость вершин удовлетворяет рекурсивному соотношению

[math]\displaystyle{ \delta_s(v) = \sum_{v \in P_s(w)} \frac{\sigma_{sv}}{\sigma_{sw}} \left( 1 + \delta_s(w) \right). }[/math]

Таким образом, зависимость [math]\displaystyle{ s }[/math] от всех вершин может быть вычислена за время [math]\displaystyle{ O(m) }[/math] после нахождения кратчайших путей от вершины [math]\displaystyle{ s }[/math].

Вычислительное ядро алгоритма

Основной объём вычислений в алгоритме Брандеса приходится на решение задачи поиска кратчайших путей одной вершины (для взвешенного графа) или на поиск в ширину (для невзвешенного).

Макроструктура алгоритма

Описание схемы реализации последовательного алгоритма

Последовательная сложность алгоритма

Информационный граф

Описание ресурса параллелизма алгоритма

Алгоритм обладает высоким потенциалом параллелизма, как при вычислении кратчайших путей, так и при вычислении зависимостей вершин. Существуют эффективные реализации для GPU.[3]

Описание входных и выходных данных

Свойства алгоритма

Программная реализация алгоритмов

Особенности реализации последовательного алгоритма

Описание локальности данных и вычислений

Возможные способы и особенности реализации параллельного алгоритма

Масштабируемость алгоритма и его реализации

Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма

Выводы для классов архитектур

Существующие реализации алгоритма

Литература

  1. ↑ Freeman, Linton C. “A Set of Measures of Centrality Based on Betweenness.” Sociometry 40, no. 1 (March 1977): 35. doi:10.2307/3033543.
  2. ↑ 2,0 2,1 Brandes, Ulrik. “A Faster Algorithm for Betweenness Centrality.” The Journal of Mathematical Sociology 25, no. 2 (June 2001): 163–77. doi:10.1080/0022250X.2001.9990249.
  3. ↑ McLaughlin, Adam, and David A Bader. “Scalable and High Performance Betweenness Centrality on the GPU,” SC'14, 572–83, IEEE Press, 2014. doi:10.1109/SC.2014.52.