Contribuições ao estudo das redes complexas: modelo de qualidade

In this work we analyse the implications of using a power law distribution of vertice's quality in the growth dynamics of a network studied by Bianconi anel Barabási. In particular, we start studying the random networks which characterize or are related to some real situations, for instance the tide movement. In this context of complex networks, we investigate several real networks, as well as we define some important concepts in the network studies. Furthermore, we present the first scale-free network model, which was proposed by Barabási et al., and a modified model studied by Bianconi and Barabási, where now the preferential attachment incorporates the different ability (fitness) of the nodes to compete for links. At the end, our results, discussions and conclusions are presented

Conexão entre as redes complexas e estatística de Kaniadakis e busca eficiente das propriedades críticas do processo epidêmico difusivo 1D

In this work we study a connection between a non-Gaussian statistics, the Kaniadakis statistics, and Complex Networks. We show that the degree distribution P(k)of a scale free-network, can be calculated using a maximization of information entropy in the context of non-gaussian statistics. As an example, a numerical analysis based on the preferential attachment growth model is discussed, as well as a numerical behavior of the Kaniadakis and Tsallis degree distribution is compared. We also analyze the diffusive epidemic process (DEP) on a regular lattice one-dimensional. The model is composed of A (healthy) and B (sick) species that independently diffusive on lattice with diffusion rates DA and DB for which the probabilistic dynamical rule A + B → 2B and B → A. This model belongs to the category of non-equilibrium systems with an absorbing state and a phase transition between active an inactive states. We investigate the critical behavior of the DEP using an auto-adaptive algorithm to find critical points: the method of automatic searching for critical points (MASCP). We compare our results with the literature and we find that the MASCP successfully finds the critical exponents 1/ѵ and 1/zѵ in all the cases DA =DB, DA DB. The simulations show that the DEP has the same critical exponents as are expected from field-theoretical arguments. Moreover, we find that, contrary to a renormalization group prediction, the system does not show a discontinuous phase transition in the regime o DA >DB.

Análise de propriedades topológicas das redes biológicas integradas da Escherichia coli e da Saccharomyces cerevisiae

Biological processes are complex and possess emergent properties that can not be explained or predict by reductionism methods. To overcome the limitations of reductionism, researchers have been used a group of methods known as systems biology, a new interdisciplinary eld of study aiming to understand the non-linear interactions among components embedded in biological processes. These interactions can be represented by a mathematical object called graph or network, where the elements are represented by nodes and the interactions by edges that link pair of nodes. The networks can be classi- ed according to their topologies: if node degrees follow a Poisson distribution in a given network, i.e. most nodes have approximately the same number of links, this is a random network; if node degrees follow a power-law distribution in a given network, i.e. small number of high-degree nodes and high number of low-degree nodes, this is a scale-free network. Moreover, networks can be classi ed as hierarchical or non-hierarchical. In this study, we analised Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae integrated molecular networks, which have protein-protein interaction, metabolic and transcriptional regulation interactions. By using computational methods, such as MathematicaR , and data collected from public databases, we calculated four topological parameters: the degree distribution P(k), the clustering coe cient C(k), the closeness centrality CC(k) and the betweenness centrality CB(k). P(k) is a function that calculates the total number of nodes with k degree connection and is used to classify the network as random or scale-free. C(k) shows if a network is hierarchical, i.e. if the clusterization coe cient depends on node degree. CC(k) is an indicator of how much a node it is in the lesse way among others some nodes of the network and the CB(k) is a pointer of how a particular node is among several ...(Complete abstract click electronic access below)

Detección de comunidades en redes complejas basada en la sincronización

El estudio de las redes complejas atrae cada vez más el interés de muchos investigadores por muchas razones obvias. Muchos sistemas tanto reales como tecnológicos pueden representarse como redes complejas, es decir, un conjunto de entidades en interacción de acuerdo a propiedades topológicas no triviales. La interacción entre los elementos de la red puede describir comportamientos globales tales como el tráfico en Internet, el servicio de suministro de electricidad o la evolución de los mercados. Una de las propiedades topológicas de los grafos que caracterizan estos sistemas complejos es la estructura de comunidad. La detección de comunidades tiene como objetivo la identificación de los módulos o grupos con alguna o varias propiedades en común basándose únicamente en la información codificada en la topología del grafo. La detección de comunidades es importante no sólo para caracterizar el grafo, sino que además ofrece información sobre la formación de la red así como sobre su funcionalidad. El estudio de las leyes subyacentes que gobiernan la dinámica y evolución de los sistemas complejos y la caracterización de sus grafos revela que las redes a gran escala, generalmente, se caracterizan por topologías complejas y estructuras heterogéneas. La estructura de conectividad de estas redes se manifiesta por la presencia de comunidades (clusters o grupos), es decir, conjuntos de nodos que comparten propiedades comunes o juegan roles similares en la red. Las comunidades pueden representar relaciones de amistad en las redes sociales, páginas web con una temática similar, o rutas bioquímicas en las redes metabólicas. Formalmente, una red es un grafo compuesto por un gran número de nodos altamente interconectados donde una comunidad se resalta por la presencia de un gran número de aristas conectando nodos dentro de grupos individuales, pero con baja concentración de aristas entre estos grupos. El mejor modo para establecer la estructura de comunidad de una red compleja es un problema todavía sin resolver. Durante los últimos años, se han propuesto muchos algoritmos que persiguen extraer la partición óptima de una red en comunidades. El clustering espectral, los algoritmos de particionamiento de grafos, los métodos basados en la modularidad o los algoritmos basados en la sincronización son sólo algunos de estos algoritmos de extracción de comunidades. Los algoritmos dinámicos basados en la sincronización han sido estudiados por varios autores, y han demostrado que la monitorización del proceso dinámico de la sincronización permite revelar las diferentes escalas topologicas presentes en una red compleja. Muchos de estos algoritmos se basan en el modelo Kuramoto o en algunas de sus variantes como el modelo de opinión, donde cada oscilador aislado es modelado en un espacio unidimensional. El objetivo principal del presente proyecto es la implementación de un algoritmo de detección de comunidades basado en la sincronización de osciladores acoplados. Cada oscilador ha sido modelado mediante el sistema dinámico de Rossler, un sistema de ecuaciones diferenciales definido en un espacio tridimensional.

Contribuição ao estudo das redes complexas: extensão do modelo de afinidade

Neste trabalho, elaboramos e discutimos uma rede complexa sem escala, ou seja, uma rede cuja distribuição de conectividade segue uma lei de distribuição de potência. Nosso trabalho pode ser resumido da seguinte forma: Para efeito de didática vamos começar com redes aleatórias que estão relacionados com situações reais e artificiais, e depois comentar as redes livres de escala, como proposto por Barabási-Albert (BA). Depois disso, discutimos uma extensão deste modelo, onde Barabasi e Bianconi (BB) incluem a qualidade. Discutimos também o modelo de afinidade, ou seja, (Ver Almeida et al). Finalmente vamos mostrar o nosso modelo, uma extensão do modelo de afinidade dada por e apresentar os resultados correspondentes. Para realizar tal tarefa modificamos a regra de ligação preferencial do modelo de BB colocando um fator que apresenta o grau de probabilidade entre os sítios da rede. Esta quantidade é feita pela diferença entre a qualidade do novo sítio e a qualidade dos anteriores. Este novo parâmetro produz novos resultados interessantes: a distribuição que segue uma lei de especial de potência, expoente apropriado. A evolução temporal da conectividade do sítio também é calculada . Além disso, mostramos também, os resultados que foram obtidos, via simulação numérica, para o menor caminho médio e o coeficiente de agregação da rede gerada pelo nosso modelo, isto é, pelo modelo de afinidade.

Física estatística aplicada a sistemas sociais através do estudo de redes complexas

In this work a study of social networks based on analysis of family names is presented. A basic approach to the mathematical formalism of graphs is developed and then main theoretical models for complex networks are presented aiming to support the analysis of surnames networks models. These, in turn, are worked so as to be drawn leading quantities, such as aggregation coefficient, minimum average path length and connectivity distribution. Based on these quantities, it can be stated that surnames networks are an example of complex network, showing important features such as preferential attachment and small-world character

Ecologia da paisagem para avaliação da idoneidade de redes ecológicas, como subsídio para o planejamento territorial

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

As relações estabelecidas entre a terapia Reiki e o bem estar subjetivo mediadas pelas representações sociais

O objetivo do presente estudo é analisar o impacto da terapia Reiki no bem estar subjetivo e suas representações sociais em uma universidade pública do Rio de Janeiro. Trata-se de uma pesquisa quanti-qualitativa, com abordagem experimental, apoiado na Teoria de Representações Sociais. O grupo estudado foi composto de 60 sujeitos que não tiverem acesso à terapia anteriormente entrevistados antes e depois de três sessões de Reiki. Os dados foram coletados através de quatro instrumentos: questionário de identificação dos sujeitos, questionário de representação social do Reiki, questionário de evocação livre e escala de Bem estar Subjetivo. A análise dos dados foi realizada com estatística descritiva e inferencial com o software SPSS 19, análise estrutural e análise de conteúdo das representações sociais, a partir do software EVOC. Os sujeitos participantes são do sexo feminino (88,33%); nível superior (76,66%); discentes de ensino superior e médio e enfermeiros (48,34%); está empregado (56,67%); renda pessoal inferior a R$ 1.000,00 (41,67%); solteiro (61,67%); vive sozinho (68,33%); tem companheiro fixo (68,33%); sem doença (58,33%); uso de terapia não convencional (63,33%); tem religião (88,33%) e religião católica (33,33%) e evangélica (21,67%). Quanto às representações sociais, a busca do Reiki antes e depois do experimento revelou duas categorias com maior frequência, que são: equilíbrio da saúde mental, antes (35,44%) e depois (50,65%) e equilíbrio da saúde física, antes (16,46%) e depois (27,27%). Quanto à estrutura representacional do Reiki, o possível núcleo central dos dois grupos analisados foi composto pelas palavras energia, relaxamento e tranquilidade, configurando-se como uma dimensão funcional e positiva do Reiki e não apresentando variação da representação antes e depois da realização da terapia. O estudo experimental apresentou como resultados: No experimento I: diferença estatisticamente significante na dimensão afeto positivo, com escore maior no grupo de sujeitos que recebeu a terapia Reiki comparado aos que não receberam. No experimento II: diferença estatisticamente significante na dimensão afeto negativo, com escore maior no grupo de sujeitos que recebeu informação do Reiki associado à religiosidade comparado àqueles que receberam outros tipos de informação. E no experimento III: na dimensão afeto positivo, observou-se que todos os escores se elevaram, apontando para um efeito generalizado e inespecífico da realização do Reiki e da informação sobre o afeto positivo, exceto no que se refere à informação de espiritualidade que apresentou inversão das médias. No afeto negativo observou-se que todos os escores diminuíram, apontando para um efeito generalizado e inespecífico da realização do Reiki.Na dimensão cognitiva as médias dos escores antes e depois das manipulações experimentais praticamente não se alteraram. Conclui-se que a terapia Reiki favoreceu na manutenção do equilíbrio energético dos usuários, através de relaxamento, tranquilidade e sentimentos positivos, proporcionando, assim, efeitos psicológicos saudáveis, nutrindo e fortificando o campo energético dos usuários que participaram do estudo.

Interacting agents on complex networks and stochastic processes in them

Nas últimas décadas, um grande número de processos têm sido descritos em termos de redes complexas. A teoria de redes complexas vem sendo utilizada com sucesso para descrever, modelar e caracterizar sistemas naturais, artificias e sociais, tais como ecossistemas, interações entre proteínas, a Internet, WWW, até mesmo as relações interpessoais na sociedade. Nesta tese de doutoramento apresentamos alguns modelos de agentes interagentes em redes complexas. Inicialmente, apresentamos uma breve introdução histórica (Capítulo 1), seguida de algumas noções básicas sobre redes complexas (Capítulo 2) e de alguns trabalhos e modelos mais relevantes a esta tese de doutoramento (Capítulo 3). Apresentamos, no Capítulo 4, o estudo de um modelo de dinâmica de opiniões, onde busca-se o consenso entre os agentes em uma população, seguido do estudo da evolução de agentes interagentes em um processo de ramificação espacialmente definido (Capítulo 5). No Capítulo 6 apresentamos um modelo de otimização de fluxos em rede e um estudo do surgimento de redes livres de escala a partir de um processo de otimização . Finalmente, no Capítulo 7, apresentamos nossas conclusões e perspectivas futuras.

Seamless integration of heterogeneous networks in multicast environments

Nowadays, communication environments are already characterized by a myriad of competing and complementary technologies that aim to provide an ubiquitous connectivity service. Next Generation Networks need to hide this heterogeneity by providing a new abstraction level, while simultaneously be aware of the underlying technologies to deliver richer service experiences to the end-user. Moreover, the increasing interest for group-based multimedia services followed by their ever growing resource demands and network dynamics, has been boosting the research towards more scalable and exible network control approaches. The work developed in this Thesis enables such abstraction and exploits the prevailing heterogeneity in favor of a context-aware network management and adaptation. In this scope, we introduce a novel hierarchical control framework with self-management capabilities that enables the concept of Abstract Multiparty Trees (AMTs) to ease the control of multiparty content distribution throughout heterogeneous networks. A thorough evaluation of the proposed multiparty transport control framework was performed in the scope of this Thesis, assessing its bene ts in terms of network selection, delivery tree recon guration and resource savings. Moreover, we developed an analytical study to highlight the scalability of the AMT concept as well as its exibility in large scale networks and group sizes. To prove the feasibility and easy deployment characteristic of the proposed control framework, we implemented a proof-of-concept demonstrator that comprehends the main control procedures conceptually introduced. Its outcomes highlight a good performance of the multiparty content distribution tree control, including its local and global recon guration. In order to endow the AMT concept with the ability to guarantee the best service experience by the end-user, we integrate in the control framework two additional QoE enhancement approaches. The rst employs the concept of Network Coding to improve the robustness of the multiparty content delivery, aiming at mitigating the impact of possible packet losses in the end-user service perception. The second approach relies on a machine learning scheme to autonomously determine at each node the expected QoE towards a certain destination. This knowledge is then used by di erent QoE-aware network management schemes that, jointly, maximize the overall users' QoE. The performance and scalability of the control procedures developed, aided by the context and QoE-aware mechanisms, show the advantages of the AMT concept and the proposed hierarchical control strategy for the multiparty content distribution with enhanced service experience. Moreover we also prove the feasibility of the solution in a practical environment, and provide future research directions that bene t the evolved control framework and make it commercially feasible.

IP network usage accounting, parte 2: accounting system

O controlo de banda larga é um conceito importante quando lidamos com redes de larga escala. Os ISPs precisam de garantir disponibilidade e qualidade de serviço a todos os clientes, enquanto garantem que a rede como um todo não fica mais lenta. Para garantir isto, é necessário que os ISPs recolham dados de tráfego, analisem-nos e usem-nos para definir a velocidade de banda larga de cada cliente. A NOS Madeira implementou, durante vários anos, um sistema semelhante. No entanto, este sistema encontrava-se obsoleto, sendo necessário construir um novo, totalmente de raíz. Entre as limitações encontrava-se a impossibilidade de alterar os algoritmos de análise de tráfego, fraca integração com os serviços de gestão de rede da NOS Madeira e reduzida escalabilidade e modularidade. O sistema IP Network Usage Accounting é a resposta a estes problemas. Este projeto foca-se no desenvolvimento do subsistema Accounting System, o segundo dos três subsistemas que compõem o sistema IP Network Usage Accounting. Este subsistema, implementado com sucesso e atualmente em produção na NOS Madeira, é responsável por analisar os dados referidos acima e usar os resultados dessa análise para direcionar a disponibilidade de banda larga, de acordo com o uso da rede de cada cliente.

Collective Organization of Complex Networks: Emergent Scales, Vulnerability, and Targeting of Desired Dynamics

Cuando una colectividad de sistemas dinámicos acoplados mediante una estructura irregular de interacciones evoluciona, se observan dinámicas de gran complejidad y fenómenos emergentes imposibles de predecir a partir de las propiedades de los sistemas individuales. El objetivo principal de esta tesis es precisamente avanzar en nuestra comprensión de la relación existente entre la topología de interacciones y las dinámicas colectivas que una red compleja es capaz de mantener. Siendo este un tema amplio que se puede abordar desde distintos puntos de vista, en esta tesis se han estudiado tres problemas importantes dentro del mismo que están relacionados entre sí. Por un lado, en numerosos sistemas naturales y artificiales que se pueden describir mediante una red compleja la topología no es estática, sino que depende de la dinámica que se desarrolla en la red: un ejemplo son las redes de neuronas del cerebro. En estas redes adaptativas la propia topología emerge como consecuencia de una autoorganización del sistema. Para conocer mejor cómo pueden emerger espontáneamente las propiedades comúnmente observadas en redes reales, hemos estudiado el comportamiento de sistemas que evolucionan según reglas adaptativas locales con base empírica. Nuestros resultados numéricos y analíticos muestran que la autoorganización del sistema da lugar a dos de las propiedades más universales de las redes complejas: a escala mesoscópica, la aparición de una estructura de comunidades, y, a escala macroscópica, la existencia de una ley de potencias en la distribución de las interacciones en la red. El hecho de que estas propiedades aparecen en dos modelos con leyes de evolución cuantitativamente distintas que siguen unos mismos principios adaptativos sugiere que estamos ante un fenómeno que puede ser muy general, y estar en el origen de estas propiedades en sistemas reales. En segundo lugar, proponemos una medida que permite clasificar los elementos de una red compleja en función de su relevancia para el mantenimiento de dinámicas colectivas. En concreto, estudiamos la vulnerabilidad de los distintos elementos de una red frente a perturbaciones o grandes fluctuaciones, entendida como una medida del impacto que estos acontecimientos externos tienen en la interrupción de una dinámica colectiva. Los resultados que se obtienen indican que la vulnerabilidad dinámica es sobre todo dependiente de propiedades locales, por tanto nuestras conclusiones abarcan diferentes topologías, y muestran la existencia de una dependencia no trivial entre la vulnerabilidad y la conectividad de los elementos de una red. Finalmente, proponemos una estrategia de imposición de una dinámica objetivo genérica en una red dada e investigamos su validez en redes con diversas topologías que mantienen regímenes dinámicos turbulentos. Se obtiene como resultado que las redes heterogéneas (y la amplia mayora de las redes reales estudiadas lo son) son las más adecuadas para nuestra estrategia de targeting de dinámicas deseadas, siendo la estrategia muy efectiva incluso en caso de disponer de un conocimiento muy imperfecto de la topología de la red. Aparte de la relevancia teórica para la comprensión de fenómenos colectivos en sistemas complejos, los métodos y resultados propuestos podrán dar lugar a aplicaciones en sistemas experimentales y tecnológicos, como por ejemplo los sistemas neuronales in vitro, el sistema nervioso central (en el estudio de actividades síncronas de carácter patológico), las redes eléctricas o los sistemas de comunicaciones. ABSTRACT The time evolution of an ensemble of dynamical systems coupled through an irregular interaction scheme gives rise to dynamics of great of complexity and emergent phenomena that cannot be predicted from the properties of the individual systems. The main objective of this thesis is precisely to increase our understanding of the interplay between the interaction topology and the collective dynamics that a complex network can support. This is a very broad subject, so in this thesis we will limit ourselves to the study of three relevant problems that have strong connections among them. First, it is a well-known fact that in many natural and manmade systems that can be represented as complex networks the topology is not static; rather, it depends on the dynamics taking place on the network (as it happens, for instance, in the neuronal networks in the brain). In these adaptive networks the topology itself emerges from the self-organization in the system. To better understand how the properties that are commonly observed in real networks spontaneously emerge, we have studied the behavior of systems that evolve according to local adaptive rules that are empirically motivated. Our numerical and analytical results show that self-organization brings about two of the most universally found properties in complex networks: at the mesoscopic scale, the appearance of a community structure, and, at the macroscopic scale, the existence of a power law in the weight distribution of the network interactions. The fact that these properties show up in two models with quantitatively different mechanisms that follow the same general adaptive principles suggests that our results may be generalized to other systems as well, and they may be behind the origin of these properties in some real systems. We also propose a new measure that provides a ranking of the elements in a network in terms of their relevance for the maintenance of collective dynamics. Specifically, we study the vulnerability of the elements under perturbations or large fluctuations, interpreted as a measure of the impact these external events have on the disruption of collective motion. Our results suggest that the dynamic vulnerability measure depends largely on local properties (our conclusions thus being valid for different topologies) and they show a non-trivial dependence of the vulnerability on the connectivity of the network elements. Finally, we propose a strategy for the imposition of generic goal dynamics on a given network, and we explore its performance in networks with different topologies that support turbulent dynamical regimes. It turns out that heterogeneous networks (and most real networks that have been studied belong in this category) are the most suitable for our strategy for the targeting of desired dynamics, the strategy being very effective even when the knowledge on the network topology is far from accurate. Aside from their theoretical relevance for the understanding of collective phenomena in complex systems, the methods and results here discussed might lead to applications in experimental and technological systems, such as in vitro neuronal systems, the central nervous system (where pathological synchronous activity sometimes occurs), communication systems or power grids.

A formação de redes sociais eletrônicas e o papel estruturante do software livre de código aberto : o caso da Fundação Telefônica

Este trabalho apresenta um estudo sobre a criação de redes sociais eletrônicas e o papel estruturante do Software Livre e de Código Aberto (SL/CA), a partir da experiência do Projeto Rede de Atenção à Criança e ao Adolescente do Programa Pró-Menino, da Fundação Telefônica. Para tanto, foi necessário caminhar por diferentes áreas do conhecimento, para compreender os vários aspectos das redes sociais eletrônicas e, com isso, construir uma visão multifacetada do problema. Esse percurso foi construído ao longo de dez meses de trabalhos, com oito municípios do Estado de São Paulo e com a Fundação Telefônica, até a criação de um software, a partir da seguinte pergunta: “o que faz um software de rede eletrônica ter sucesso por longo período?”. O trabalho possibilitou o entendimento de como o SL/CA pode servir a redes sociais e das aprendizagens que ele pode propiciar-lhes, mostrando que a gratuidade é apenas um de suas características. O SL/CA possui uma série de aspectos que podem constituir elementos estruturantes da rede, seja no que diz respeito aos modelos de produção de software propriamente, seja no que tange ao gerenciamento de equipes de projetos com grande complexidade técnica em comunidades geograficamente dispersas e sem controle hierárquico e, enfim, no que tange aos aspectos de produção e distribuição de conhecimentos como bens públicos.

Integrando ferramentas da software livre para gerenciamento e monitoração de redes locais

Este trabalho tem por objetivo o estudo e a integração, como forma de validação, de ferramentas de software livre para o uso em Gerência e Monitoração de Redes de computadores. Com o crescimento das redes surgiu a necessidade por controle de seus recursos. Desta necessidade foi criado o protocolo SNMP, utilizado nos dias de hoje como padrão de fato na gerência e monitoração de redes. Anteriormente ao surgimento do Software Livre, para a atividade de gerência e monitoração, existiam apenas produtos proprietários, os quais estavam restritos a poucas empresas que podiam arcar com seus custos. Com o surgimento do Software Livre, ferramentas simples de gerência e monitoração começaram a ser criadas. Estas ferramentas simples necessitam ser integradas de forma a prover maior quantidade de recursos. O método proposto desenvolve um protótipo capaz de integrar várias ferramentas de gerência e monitoração utilizando exclusivamente ferramentas de Software Livre. E para demonstrar a idéia na prática, um Estudo de Caso é apresentado utlizando o protótipo desenvolvido.