Proprietà statistiche delle caratteristiche topologiche del grafo di un "hub" generato da un social network

Questa tesi affronta lo studio delle proprietà statistiche della topologia di un grafo, che rappresenta le relazioni interpersonali in un gruppo di utenti di Facebook. Perché è interessante? Quali informazioni produce? Anzitutto va osservato che dalla nascita di Internet in poi la globalizzazione ha reso le relazioni sociali un fenomeno di massa con numeri sorprendentemente alti di connessioni. Questo e la disponibilità dei dati forniscono una occasione preziosa per analizzarne la struttura.

Il polinomio cromatico di un grafo e il teorema dei quattro colori

La seguente tesi affronta la dimostrazione del teorema dei quattro colori. Dopo un introduzione dei concetti cardine utili alla dimostrazione, quali i concetti ed i risultati principali della teoria dei grafi e della loro colorazione, viene affrontata a livello prima storico e poi tecnico l'evoluzione della dimostrazione del teorema, che rimase congettura per 124 anni.

Interrogazione visuale per basi di dati a grafo: il sistema GraphVista

Oggi l’esigenza di permettere all’utente di riuscire a formulare interrogazioni su database a grafo in maniera più semplice e soprattutto intuitiva ha portato gli istituti di ricerca a proporre metodi di interrogazione visuale. Uno dei sistemi che sono stati proposti è GraphVista. Tale sistema si basa sull’idea di dividere l’interrogazione in due macro-fasi. La prima fase permette di avvicinarsi al risultato richiesto escludendo da successive analisi dati che sicuramente non potranno far parte del risultato finale, mentre la seconda fase permette all’utente di essere protagonista. Infatti ad esso è concessa la possibilità di manipolare a proprio piacimento i risultati ottenuti dalla prima fase al fine di “ricercare” da sé le informazioni desiderate. Il tutto viene supportato grazie a un’interfaccia intuitiva ed efficace che permette all’utente di navigare interattivamente all’interno di una base di dati a grafo. Le caratteristiche dell’interfaccia e la possibilità di formulare interrogazioni visuali fanno in modo che l’utente non necessiti di conoscere alla perfezione un linguaggio di query specifico. Nel corso di questa tesi viene descritto il sistema GraphVista e la tecnologia sulla quale si fonda. Infine, viene effettuata una comparazione sull’efficacia e la semplicità d’uso del sistema GraphVista rispetto alla formulazione di query tramite un linguaggio standard come SPARQL.

Analisi di grafi su architetture a memoria distribuita

Questo lavoro di tesi tratta il tema delle reti complesse, mostrando i principali modelli di rete complessa quali: il modello Random, il modello Small-World ed il modello Scale-free; si introdurranno alcune metriche usate per descrivere le reti complesse quali la Degree centrality, la Closeness centrality e la Betweenness centrality; si descriveranno i problemi da tenere in considerazione durante la definizione e l’implementazione di algoritmi su grafi; i modelli di calcolo su cui progettare gli algoritmi per risolvere i problemi su grafi; un’analisi prestazionale degli algoritmi proposti per calcolare i valori di Beweenness centrality su grafi di medio-grandi dimensioni. Parte di questo lavoro di tesi è consistito nello sviluppo di LANA, LArge-scale Network Analyzer, un software che permette il calcolo e l’analisi di varie metriche di centralità su grafo.

Large-scale Network Analysis on Distributed Architectures

Questa dissertazione esamina le sfide e i limiti che gli algoritmi di analisi di grafi incontrano in architetture distribuite costituite da personal computer. In particolare, analizza il comportamento dell'algoritmo del PageRank così come implementato in una popolare libreria C++ di analisi di grafi distribuiti, la Parallel Boost Graph Library (Parallel BGL). I risultati qui presentati mostrano che il modello di programmazione parallela Bulk Synchronous Parallel è inadatto all'implementazione efficiente del PageRank su cluster costituiti da personal computer. L'implementazione analizzata ha infatti evidenziato una scalabilità negativa, il tempo di esecuzione dell'algoritmo aumenta linearmente in funzione del numero di processori. Questi risultati sono stati ottenuti lanciando l'algoritmo del PageRank della Parallel BGL su un cluster di 43 PC dual-core con 2GB di RAM l'uno, usando diversi grafi scelti in modo da facilitare l'identificazione delle variabili che influenzano la scalabilità. Grafi rappresentanti modelli diversi hanno dato risultati differenti, mostrando che c'è una relazione tra il coefficiente di clustering e l'inclinazione della retta che rappresenta il tempo in funzione del numero di processori. Ad esempio, i grafi Erdős–Rényi, aventi un basso coefficiente di clustering, hanno rappresentato il caso peggiore nei test del PageRank, mentre i grafi Small-World, aventi un alto coefficiente di clustering, hanno rappresentato il caso migliore. Anche le dimensioni del grafo hanno mostrato un'influenza sul tempo di esecuzione particolarmente interessante. Infatti, si è mostrato che la relazione tra il numero di nodi e il numero di archi determina il tempo totale.

Statistical Mechanics of Monomer-Dimer Models on Complete and Erdös-Rényi Graphs

Nella tesi sono trattate due famiglie di modelli meccanico statistici su vari grafi: i modelli di spin ferromagnetici (o di Ising) e i modelli di monomero-dimero. Il primo capitolo è dedicato principalmente allo studio del lavoro di Dembo e Montanari, in cui viene risolto il modello di Ising su grafi aleatori. Nel secondo capitolo vengono studiati i modelli di monomero-dimero, a partire dal lavoro di Heilemann e Lieb,con l'intento di dare contributi nuovi alla teoria. I principali temi trattati sono disuguaglianze di correlazione, soluzioni esatte su alcuni grafi ad albero e sul grafo completo, la concentrazione dell'energia libera intorno al proprio valor medio sul grafo aleatorio diluito di Erdös-Rényi.

Definizione di un sistema di raccomandazione basato su reti commerciali

Nel contesto economico odierno i sistemi di raccomandazione rappresentano uno strumento utile al fine di aumentare le vendite con pubblicità e promozioni su misura per ciascun utente. Tali strumenti trovano numerose applicazioni nei siti di e-commerce, si pensi ad Amazon o a MovieLens. Esistono diverse tipologie di sistemi di raccomandazione, che si differenziano principalmente per il modo con cui sono prodotte le raccomandazioni per gli utenti. In questa tesi se ne vuole definire una nuova tipologia, che superi la restrizione del vincolo ad un sito a ad una società, fornendo agli utenti raccomandazioni di prodotti acquistabili in negozi reali e il più possibile accessibili, nel senso geografico del termine. Si e inoltre astratto il concetto di raccomandazione, passando da un insieme omogeneo di oggetti ad un insieme eterogeneo di entità ottenibili attraverso lo svolgimento di attività. Con queste premesse il sistema da definire dovrà raccomandare non più solo entità, ma entità e shop presso i quali sono disponibili per le persone.

Analisi combinatoria dei parchi d'attrazioni

Da oltre mezzo secolo i parchi di divertimento sono strutture complesse e altamente organizzate, entro cui si muovono migliaia di persone quotidianamente; in cui l'elettrificazione, la manutenzione, la sicurezza (sia come safety sia come security) non possono essere lasciate all'improvvisazione. Fra i diversi modelli matematici con cui è possibile rappresentare un parco di divertimenti i grafi si adattano bene a rappresentare l'organizzazione "geografica" delle attrazioni e dei sentieri che le collegano. Fortunatamente la teoria dei grafi si presta anche molto bene all'impostazione e risoluzione dei problemi di ottimizzazione, fornendo quindi uno strumento privilegiato per miglioramenti strutturali nella direzione sia del risparmio economico, sia della fruizione ottimale delle strutture. In questa tesi ho analizzato un aspetto particolare dei grafi associati a quattro parchi d'attrazione: le distanze reciproche tra attrazioni e in particolare la collocazione dei "centri", cioè di vertici del grafo per cui la massima distanza da altri vertici sia minima. I calcoli sono stati eseguiti adattando un'implementazione esistente in Matlab dell'algoritmo di Dijkstra, utilizzando in ingresso le matrici di adiacenza dei grafi. Dopo un capitolo dedicato ai richiami essenziali di teoria dei grafi, il capitolo due traccia una breve storia dei parchi d'attrazione concentrandosi sui quattro che sono l'oggetto di questo studio. Il terzo capitolo, fulcro teorico della tesi, descrive la sperimentazione riportata nel capitolo quattro.

Sviluppo di tecniche di Speckle tracking per la correzione del movimento in ecografia epatica perfusionale

L'ecografia con mezzo di contrasto è una tecnica non invasiva che consente di visualizzare la micro e la macrocircolazione grazie all'utilizzo di microbolle gassose che si distribuiscono in tutto il sistema cardiovascolare. Le informazioni emodinamiche e perfusionali ricavabili dalle immagini eco con contrasto possono essere utilizzate per costruire un modello a grafo dell'albero vascolare epatico. L'analisi della connettività del grafo rappresenta una strategia molto promettente che potrebbe consentire di sostituire la misurazione del gradiente pressorio venoso del fegato, che richiede cateterismo, determinando un notevole miglioramento nella gestione dei pazienti cirrotici. La presente tesi si occupa della correzione dei movimenti del fegato, che deve essere realizzata prima di costruire il grafo per garantire un'accuratezza adeguata. Per correggere i movimenti è proposta una tecnica di Speckle tracking, testata sia in vitro su sequenze eco sintetiche, sia in vivo su sequenze reali fornite dal Policlinico Sant'Orsola.

Dbms basati sui grafi: Analisi e prototipazione di neo4j.

L’obiettivo di questa tesi è quello di mettere a confronto due mondi: quello dei DBMS relazionali e quello dei DBMS a grafo, con lo scopo di comprendere meglio quest'ultimo. Perciò, sono state scelte le due tecnologie che meglio rappresentano i loro mondi: Oracle per gli RDBMS e Neo4j per i Graph DBMS. I due DBMS sono stati sottoposti ad una serie di interrogazioni atte a testare le performance al variare di determinati fattori, come la selettività, il numero di join che Oracle effettua, etc. I test svolti si collocano nell'ambito business intelligence e in particolare in quello dell’analisi OLAP.

Estrazione e annotazione di una rete citazionale da articoli scientifici

Lavoro svolto per la creazione di una rete citazionale a partire da articoli scientifici codificati in XML JATS. Viene effettuata un'introduzione sul semantic publishing, le ontologie di riferimento e i principali dataset su pubblicazioni scientifiche. Infine viene presentato il prototipo CiNeX che si occupa di estrarre da un dataset in XML JATS un grafo RDF utilizzando l'ontologia SPAR.

Circolazioni e omologia dei grafi

In questa tesi verrà trattato il problema di introdurre una teoria omologica sui grafi. Si vedranno i grafi come un 1-complessi simpliciali, e dunque l'idea sarà di applicare le conoscenze che si hanno di una teoria omologica generale ad un oggetto specifico, che è appunto il grafo.

Laplace operator on finite graphs and a network diffusion model for the progression of the Alzheimer disease

Nella tesi viene descritto il Network Diffusion Model, ovvero il modello di A. Ray, A. Kuceyeski, M. Weiner inerente i meccanismi di progressione della demenza senile. In tale modello si approssima l'encefalo sano con una rete cerebrale (ovvero un grafo pesato), si identifica un generale fattore di malattia e se ne analizza la propagazione che avviene secondo meccanismi analoghi a quelli di un'infezione da prioni. La progressione del fattore di malattia e le conseguenze macroscopiche di tale processo(tra cui principalmente l'atrofia corticale) vengono, poi, descritte mediante approccio matematico. I risultati teoretici vengono confrontati con quanto osservato sperimentalmente in pazienti affetti da demenza senile. Nella tesi, inoltre, si fornisce una panoramica sui recenti studi inerenti i processi neurodegenerativi e si costruisce il contesto matematico di riferimento del modello preso in esame. Si presenta una panoramica sui grafi finiti, si introduce l'operatore di Laplace sui grafi e si forniscono stime dall'alto e dal basso per gli autovalori. Al fine di costruire una cornice matematica completa si analizza la relazione tra caso discreto e continuo: viene descritto l'operatore di Laplace-Beltrami sulle varietà riemanniane compatte e vengono fornite stime dall'alto per gli autovalori dell'operatore di Laplace-Beltrami associato a tali varietà a partire dalle stime dall'alto per gli autovalori del laplaciano sui grafi finiti.

Graph-based analysis of brain resting-state fMRI data in nocturnal frontal lobe epileptic patients

Il lavoro che ho sviluppato presso l'unità di RM funzionale del Policlinico S.Orsola-Malpighi, DIBINEM, è incentrato sull'analisi dati di resting state - functional Magnetic Resonance Imaging (rs-fMRI) mediante l'utilizzo della graph theory, con lo scopo di valutare eventuali differenze in termini di connettività cerebrale funzionale tra un campione di pazienti affetti da Nocturnal Frontal Lobe Epilepsy (NFLE) ed uno di controlli sani. L'epilessia frontale notturna è una peculiare forma di epilessia caratterizzata da crisi che si verificano quasi esclusivamente durante il sonno notturno. Queste sono contraddistinte da comportamenti motori, prevalentemente distonici, spesso complessi, e talora a semiologia bizzarra. L'fMRI è una metodica di neuroimaging avanzata che permette di misurare indirettamente l'attività neuronale. Tutti i soggetti sono stati studiati in condizioni di resting-state, ossia di veglia rilassata. In particolare mi sono occupato di analizzare i dati fMRI con un approccio innovativo in campo clinico-neurologico, rappresentato dalla graph theory. I grafi sono definiti come strutture matematiche costituite da nodi e links, che trovano applicazione in molti campi di studio per la modellizzazione di strutture di diverso tipo. La costruzione di un grafo cerebrale per ogni partecipante allo studio ha rappresentato la parte centrale di questo lavoro. L'obiettivo è stato quello di definire le connessioni funzionali tra le diverse aree del cervello mediante l'utilizzo di un network. Il processo di modellizzazione ha permesso di valutare i grafi neurali mediante il calcolo di parametri topologici che ne caratterizzano struttura ed organizzazione. Le misure calcolate in questa analisi preliminare non hanno evidenziato differenze nelle proprietà globali tra i grafi dei pazienti e quelli dei controlli. Alterazioni locali sono state invece riscontrate nei pazienti, rispetto ai controlli, in aree della sostanza grigia profonda, del sistema limbico e delle regioni frontali, le quali rientrano tra quelle ipotizzate essere coinvolte nella fisiopatologia di questa peculiare forma di epilessia.