牛津通识读本：网络 [0]
Copyright © Guido Caldarelli and Michele Catanzaro, 2012
Networks was originally published in English in 2012.
This Bilingual Edition is published by arrangement with Oxford University Press
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Chinese and English edition copyright © 2018 by Yilin Press, Ltd
著作权合同登记号 图字：10-2012-485 号
书 名 网络
作 者 【意】圭多·卡尔达雷利 米凯莱·卡坦扎罗
译 者 李 果
责任编辑 何本国
出版发行 译林出版社
ISBN 9787544774383
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目录
CONTENTS
序言
第一章 从网络的观点看世界
第二章 富有成效的方法
第三章 网络世界
第四章 连接与闭合
第五章 超级连接器
第六章 网络的涌现
第七章 深入挖掘网络
第八章 网络中的完美风暴
第九章 整个世界是否就是一张网？
注释
献给我的家人
——圭多·卡尔达雷利
献给安娜
——米凯莱· 卡坦扎罗
序言
狄增如
著名诗人北岛有一首名为《生活》的一字诗：网。
毫无疑问，我们的世界运行在有形或无形的网络之中，尤其是在信息技术飞速发展的今天。进入21世纪以来，技术进步和社会经济的全球化，把世界更加紧密地联结在一起，系统性和复杂性已经成为各领域核心问题的共性特征。
正像《网络》一书中指出的，系统性和复杂性的现象在我们的生活中比比皆是，大到全球性的金融危机、生态系统的稳定性，小到空手道俱乐部的分裂和足球队的场上表现，其突出表现是系统各单元或要素，通过相互关联和影响所展现出的涌现性行为：在没有中心控制和全局信息的情况下，仅仅通过个体之间的局域相互作用，系统就可以在一定条件下展现出宏观的时空或功能结构，在新的层次上涌现出具有整体性的性质和功能。在这里应该强调的是，非线性的关联和相互作用关系对于系统的涌现性至关重要，它使得系统的整体行为不能通过个体行为的简单叠加而获得。因此，结构决定系统功能，刻画系统中的相互作用关系对于认识和理解系统的宏观性质意义重大。
而复杂网络就是对系统结构的最一般和本质的刻画。系统中的个体对应于网络的节点，个体之间的联系或相互作用对应于联结节点的边。网络的抽象，超越了每个系统自身的特殊性质、独特背景和演化机制，让我们可以用统一、普适的网络分析方法去研究系统的性质，进而加深对系统共性的了解。事实上，自18世纪欧拉建立起图与网络的概念，解决了哥尼斯堡七桥问题开始，图与网络就成为刻画结构的重要工具，并于19世纪中叶进入社会学领域，社会网络分析由此成为社会计量学的重要工具。
1998年，沃茨——斯托加茨提出小世界网络模型，指出少量的随机捷径会改变网络的拓扑结构，从而涌现出小世界的效应；随后，巴拉巴西提出了无标度网络概念，解释了增长和择优机制在复杂网络自组织演化过程中的普遍性和幂律的重要性。这些开创性的研究工作使我们认识到，实际系统的网络结构存在着许多超越经典随机网络的特殊性质，例如小世界性质、幂律度分布、不同的匹配关系、社团结构等，我们需要建立更加细致、准确的概念，刻画网络结构并进而更加科学地认识系统性质，以促进网络科学的快速发展。
网络描述方法已被广泛应用于实际系统的研究，例如神经元网络、食物链网络、因特网络、赛博空间以及人与人之间交往的社会网络等等，研究结果加深了对这些具体系统的理解，并且提出了一系列新的概念和分析方法。总体上说，网络科学研究包括以下主要内容：一、如何定量刻画复杂网络？通过实证分析，了解实际网络结构的特点，并建立相应概念以刻画网络结构特征；二、网络是如何发展成现在这种结构的？建立网络演化模型，理解网络结构的产生和涌现；三、网络特定结构的后果是什么？利用基于网络的特定动力学过程，如新陈代谢网络上的物质流、食物链网络上的能量流、万维网上的信息传播、社会网络上的舆论形成等等，探讨网络结构与功能的关系；四、利用网络结构的设计和调整，控制和优化系统功能。
意大利的圭多·卡尔达雷利教授，是网络科学领域的知名专家，在复杂网络研究中，特别是社会、经济网络的分析和应用中颇有建树。《网络》一书，结合许多生动有趣的案例，如六度分隔实验、空手道俱乐部、万维网、食物链网络、基因调控网络等，深入浅出地介绍了网络科学的发展历程、核心概念和最新进展。书中没有一个数学公式，但通过具体案例的解读，能够让大家科学准确地把握网络分析的基本概念，如小世界性质、无标度网络的异质性、网络中的社团结构、无标度网络的脆弱性和鲁棒性、网络结构与传播的关系等，展现了作者强大的学术功力。可以说，《网络》一书，是大家了解和进入网络科学领域的非常好的一本入门读物。
总的来说，复杂系统的涌现现象是具有整体性和全局性的行为，不能通过分析还原的方法去研究，必须考虑个体之间的关联和相互作用。从这个意义上讲，理解复杂系统的行为应该从理解系统相互作用的网络结构开始。2009年，《科学》杂志以“复杂系统与网络”（Complex Systems and Networks）为主题，发表一集专刊，其中巴拉巴西教授的一段话很有启发意义。他指出，由于底层结构对于系统行为有着重大的影响，除非探讨网络结构，否则没有办法去理解复杂系统。希望《网络》一书能够带领大家进入生动有趣的网络科学领域。
第一章 从网络的观点看世界
网络存在于许多人的日常生活之中。通常的一天里，我们都会查收电子邮件，更新社交网络上的个人资料，打移动电话，使用公共交通工具，乘坐飞机，转移货币和货物，或者开始新的私人和业务关系等等。我们在所有这些情况中——有意或无意地——都会涉及网络及其特性。同样地，网络也会出现在重要的全球现象中。金融危机会在银行和公司的联系网络中产生多米诺效应。流行病，比如禽流感、非典型肺炎或者猪流感，则在机场网络之间蔓延。气候变化能够改变生态系统内部不同物种之间的关系网络，恐怖主义和战争则瞄准了一国之中的基础设施网络。电网内会发生大规模停电，计算机病毒在互联网中传播，政府和企业则会通过人们的社交网络和其他数字通信工具来追踪他们的身份信息。最后，遗传学的各种应用取决于人们对在细胞内部起作用的基因调控网络知识的掌握。
在所有这些情况中，我们都会处理大量不同元素（个人、公司、机场、物种、发电站、计算机、基因……）的集合，它们通过无序的多种相互作用模式而彼此关联，即它们都有着某种潜在的网络结构。通常，这种隐含的网络结构是理解前述重要现象的1关键所在。其中一个很好的例子便是上世纪80年代大西洋西北海域鳕鱼种群的衰竭。当时，鳕鱼的短缺给加拿大水产业造成了巨大的经济危机。加拿大境内的利益相关者吁求更多地猎捕海豹，他们认为控制鳕鱼捕食者的数量有助于阻止鳕鱼种群的衰竭。大量的海豹在上世纪90年代遭到猎杀，但鳕鱼种群并未恢复。与此同时，生态学家们则对关联鳕鱼和海豹的不同食物链进行了研究。到上世纪90年代末期，他们已经为研究发现的关联这两个物种的大量不同食物链条绘制了一幅详尽的网络图（图1）。根据这个复杂的网络图，捕杀鳕鱼捕食者并不必然有助于鳕鱼种群的恢复。比如，海豹捕食大约150种猎物，其中也包括鳕鱼的其他捕食者。因此，海豹种群数量的减少便增加了其他鳕鱼捕食者对其种群数量所造成的压力。
生态系统乃复杂的物种网络：如果我们想要理解并管理这些物种，将这种底层的网络结构纳入考虑范围则至关重要。我们对其他一些基于网络结构的系统也必须采取类似的谨慎态度。例如，像艾滋病之类的传染病的蔓延就受到某些人群内部无保护性关系模式的强烈影响。同样，流动性冲击则取决于银行间货币交换网络的相互交织。
上述所有例子都是所谓涌现现象的例子。此种现象乃无法通过观察构成系统的单个元素而进行预测的集体行为。通常，呈现这些现象的系统被称为复杂系统。比如，单个的蚂蚁是相对笨拙的昆虫，但众多蚂蚁一起则能够进行如修建蚁冢或者储存大量食物这样复杂的活动。而在人类社会中，社会秩序产生于自主个体的结合，尽管他们的利益往往相互冲突，但最终仍然合力执行凭一己之力无法完成的任务。类似地，某个鲜活有机体的生命力来自其不同组分的相互作用；互联网应对错误、攻击和信息量高峰的非凡弹性是网络作为整体的性能，而非单个机器运行的结果。
图1 加拿大东部西北大西洋“斯科舍大陆架”食物网局部图。箭头方向从捕食者指向猎物
网络及其所强调的互动，乃理解诸多此类现象的关键。设想两支足球队的球员水准十分相近，最终表现却差异甚远。这种差异很可能取决于球员们在场上相互配合的好坏程度。类似地，单个球员可能在联盟球队中表现尚好，而在国家队中却表现欠佳，因为该球员在两个团队中的相对位置有所不同。团队的表现是某种涌现现象，它不仅取决于单个参与者的才能或个体技艺的总和，而且还取决于参与者之间所形成的互动网络。许多涌现现象都严重依赖于其底层的网络结构。
网络方法将所有注意力都集中在了单个系统内相互作用的全局结构之上，而每个组成部分的具体属性均被忽略。结果，像计算机网络、生态系统或