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スケールフリーランダムグラフの直径に関する考察 ?

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著者 浜口 幸弘

雑誌名 明治学院大学経済研究 = The papers and proceedings of economics

巻 156

ページ 11‑29

発行年 2018‑07‑31

その他のタイトル Diameter of a scale‑free randam graph

URL http://hdl.handle.net/10723/00003417

(2)

1.はじめに

 近年,複雑な現実世界のネットワーク(complex real-world networks)は自然科学のみならず各分 野で注目さてれており,とりわけスモールワールド(small-world)現象は多くの研究が行われてきて いる.例えば最初の頃では,Albert, Jeong and Barabási (1999,2000)による研究が有名である.こ の現象では,観測データやコンピュータシミュレーションによって,頂点数nのグラフの直径は,ほ ぼlognに近くなることが指摘されている.Barabási and Albert (1999)は最初にその現象のモデル化 を行っているが,さらに Bollobás and Riordan (2004)は,それにランダムグラフの理論を適用してモ デル化し,その直径を理論的に与えている.その定理によれば,グラフの直径はほぼlogn/loglognで あり,観測データやシミュレーション結果より,かなり小さいものとなっている.

 さて前稿(浜口(2017))では,Bollobás and Riordan (2004)のモデルを検討していくつかの課題を 提示した.今回は第 2 段階として,このランダムプロセスから生成されるグラフG1nを対象にして,

G1n上の単調パスの存在確率およびG1nに含まれる最大パスの長さを近似評価する.結果として,G1n (お よび一般的な木も含む)の特徴的な大きさを表すような定理 1 および定理 2 を導出した.

2.概念とモデルの定義

 Bollobás and Riordan (2004)はスモールワールドをランダムグラフでモデル化して,その直径の下 限と上限を理論的に導出している.そのモデル化についての概略は,以下のとおりである.グラフG に新しい頂点を 1 個ずつ加えるとき,その頂点からm本の辺をグラフGに接続する.このとき,多重 辺とループも認めるものとする.

 さて,m=1 の場合について,このことを厳密に定式化すると以下のようになる.グラフに追加して いく頂点列をv1v2,…と固定し,グラフGにおける頂点vの次数をdGv)と記す.そしてランダム

『経済研究』(明治学院大学)第 156 号 2018 年

スケールフリーランダムグラフの直径に関する考察Ⅱ

浜 口 幸 弘

(3)

グラフのプロセス(G1tt≥ 0を次のように帰納的に定義すると,vi:1≤it 上のグラフG1tが構成 される.すなわち,まず 1 個の頂点と 1 つのループを持つグラフG11から出発する.そして,G1t-1まで 構成されたとき,次に追加する頂点vtviVG1t-1)を 1 本の辺で結ぶ.このとき頂点i (確率変数 である)は次のようにランダムに選択される.

       

 これは,Barabási and Albert (1999)のモデルを定式化したものとなっている.また,preferrential attachment として,ネットワーク理論の基礎になる式である.

 m>1 の場合については,一度にvtからm本の辺がG1t-1に接続される.よって,プロセス(Gmt) については,プロセス(G1mt)において,最初の頂点からm個の頂点ごとに統合して 1 個の頂点にす れば(Gmt)が得られることになる.また,以下では,頂点viをその添え字の番号iで表し,数直線上 の閉区間[1, n]内に位置すると考える.そして,このグラフにおけるi0を始点とし,ikを終点とする パスをi0 i1ikと記す(パスi0ikとも記す).このとき,始点からの頂点の並びがi0i1ik

なるような,頂点番号が単調に減少するパスを,本稿では単調パスと記す.ここで,頂点選択の試行の 順番とは逆の並びになることに注意する.

 さて,G1tは[t]={ 1,2,…,mn }上のランダムグラフとする.また,追加する頂点jが接続され るグラフ内の頂点をɡjとして表す.そして,ランダムグラフの頂点ijが辺で接続される事象をAi, j と記す.今回は頂点数mnの木を対象にするので,mnnと置き換えて考える.すなわち,グラフ G1nを対象にする.

3.ランダムモデルによって生成される木の性質

 Bollobás and Riordan (2004)は,確率 P(ɡji)の大きささを評価する補題を導出している.本稿 では,その評価量をもう少し詳細に導くことにする.なお,補題の(2)に関しては,ijkという条 件から,ɡjiか否かはG1k-1のもとで確定するので,浜口(2017)の指摘は誤りである.よって,Bol- lobás and Riordan (2004)の証明方法を踏襲する.

補題 1

(1) 1≤ijのとき,ある定数c10 およびc2>0 に対して,以下の式が成り立つ.

           .  また,以下のようにも表せる.

        .

(2) 1≤ijkのとき,ある定数c10 およびc2>0 に対して,以下の式が成り立つ.

          . P(is

st 1/(2t1)

dG1t1 s)/(2t1)

⎭―⎬―⎫ 1≤st1

≤P(ɡji)≤ c2

ij

c1 ij

P(ɡji21ij

( (

1O 1i

))

Pɡji, ɡkiicjk1 c2

jk i

(4)

 また,以下のようにも表せる.

         . 証明

(1)  グラフの構成プロセス(G1t)を考える.G1tは確率変数である.また,グラフG1tにおける頂点i の次数をdt, idG1t i)と記す.プロセス(G1t)の定義から,以下となる.

          

.  このとき,tiに対して,dt, idt-1,iI ɡtiとなるから,

       .  上式の両辺の期待値をとると,

       .

 ここで,Edt, i)の代わりに,μt, iと記すものとする.さて,di, iは 1 または 2 をとるので,

となり,tiに対して,

となる.そして,μt, iの大きさを近似評価するために,以下の不等式を利用する.

      0≤x≤1 に対して,           . 0≤x1 に対して,log (1x≤ -x および

      に対して,-xx2log (1x).

 ここで,関数      (x≥1)は単調減少するから,以下の式が成り立つ.

i2 の場合,

        

        

P(ɡji, ɡki)=2i1jk

( (

1O 1i

))

P(ɡti|G1t1)= dt1,i/(2t1)   ti 1/(2i1)

⎭―⎬―⎫ ti

E(dt,i|G1t1)=dt1, idt1, i/(2t1)

12t1 1

dt1, i

E(dt, i)=

12t1 1

Edt1, i

μi, i2i2i 1

μt, it

r=i

∏(

12r1 1

x2x2log(1x)≤x

0 ≤x 1/2 ylog

1+2x1 1

log μt, i

Σ

rtilog

12r1 1

it1log

12x1 1

dx log 2xdx- log(2x1)dx

it1

it1

21 it i1 2t2 1

2 2i3 log -i1)log

1-

2t

1-1

( )

- log

2i 1- 3

( )

+ log

(5)

                   . i1 の場合,

    

           .  一方,i1 に対して,

    

            .  まとめると,i2 の場合,

      .  また,i1 の場合,

t1/2e1/8+1/(4t)-1/(2t2μt,121/2t1/2e1/2-1/(8t2

 したがって,頂点選択における定義式の両辺の期待値をとり,tj-1 として上述の結果を適用す ると,ある定数c10 およびc2>0 に対して,以下が成り立つ.

        .  また,以下のようにも表せる.

        .

(2) tjiとする.まず,dt, idt-1,iIɡtiであるから,以下を得る.

      .  そして両辺の期待値をとると,次のようになる.

        .

 また,       であるから,これを上式の辺々に加えて,μt, iE(dt, i2)+E(dt, i

( ( )

it 1/2e9/(4i1/i21/(8t2

≤log

log μt, 1

Σ

rt 1log

12r1 1

log2

1tlog

12x11

dx

2 log2

2 log t

2 2t1

= + - log

121t

log(21/2t1/2e1/21/(8t2

log μt, it+i 1log

12x1 1

dx

21log itt1) 2t2 1

1t 1+

( )

log 2t

1+1

( )

- log 2i2 1

2i 1- 1

( )

+ log

( ( )

it 1/2e1/(4t1/(2t21/(8i2

≥log

μt,iit

( )

e1/(4t1/(2t21/(8i2 it

( )

e9/(4i1/i21/(8t2

1/2 1/2

Pɡji= ≤ c2 μj1,i

2j1 ij

c1 ij P(ɡji21ij

( ( ))

1O 1i

2

2t1 2t1 dt1,i

( )

E(dt, i2

|

G1t1)=dt1,i2 1+ +

2

2t1 2t1

( )

E(dt, i2)= 1Edt1,i2)+ Edt1,i

1 2t1

( )

E(dt, i)= 1+ Edt1,i(2)

(6)

と記せば,以下を得る.

         .

 ここで,di, iは 1 または 2 をとるので,        となり,以下を得る.

      .  さて,頂点選択における定義式から,

       となるので,両辺の期待値をとると,

        .  ところで,

       となるので,

両辺の期待値をとると,

      

            .

       は,(1)と同様に評価できるので,i≥1 に対して,以下の式を得る.

      

       .  一方,kjiに対して,

           となる.このとき,両辺の期待値を とると,

       .  そして上述の E(dt, iIɡji})において,tk-1 とすれば,主張を得る.□

 次に,辺が生成される事象間の同時確率に関する性質を表した Bollobás and Riordan (2004)の補題 2

2t1

( )

μ(2)t, i1μ(2)t1,i 2i1

4i2 μ(2)i, i

2 2t1

( )

μt, i12r2 1 2t1

2i14i2

2i1

1

(2) μ(2)t1,it μ(2)i,i

r=i

1

( )

2j1

dj1, i E dj, iIɡji

|

G1j1=(dj1,i+1)

( )

2j1

E dj, iIμ(2)j1, i(2i41)i(22i1)

ɡji

( )(

2t1

dt1, i

E dt, iIɡji

|

G1t1dt1,iIɡji

E dt, i Iɡji

12t1 1

E

dt1, iIɡji

E dj, i

rj1

t 12r1 1

Iɡji

t

r

Π

j

11    2r1 1

4i2 e1/(4t1(2t27/(8j1(16j2E(dt, i{ɡ

ji})

(2i1)2i1

tj

1/2

4i2 e1/(4j1/(8t2

(2i1)2i1

tj

1/2

P(ɡji, ɡki|G  )k11I{ɡji}Pɡki|G  k11)=I{ɡji}2k1 dk1, i

2k1-1

P(ɡji, ɡki)= E(dk1, i I{ɡji})

(7)

を示す.なお,本稿ではその証明ではなく,補題の意味を直観的に理解できる説明を与えることにする.

補題 2(Bollobás and Riordan (2004))

 事象EE′を次のように設定する.

       .

 このとき,すべてのtに対して,itjtおよびi′tj′tである.そして集合{i1,…,ir }と{i′1,…,

i′r′ }が共通要素をもたないとき,以下の式が成り立つ.

P(EE′)≤P(E)P(E′).

解説

 事 象Fを        と し, 頂 点 の 集 合Vtを        と す る。 確 率 の 基 本 法則から,以下の式が成り立つ。

        . また,以下の式が成り立つ。

       .

 これは,どちらの条件付確率もjtは     以外の頂点に接続するという条件は同じなので,jt

(1≤tr′)の接続する頂点を選択する際,両式でitの次数の確率分布は同じになるということによる。

したがって,以下の式を得る。

      .

 このとき,       ということが予想されるので,主張は成り立 つと言える。□

 ここで,プロセス(G1tt≥ 0において,頂点iが自分自身を選択しない,すなわち,ループを持たな いように頂点選択のモデルを若干変更して,単調パスi0i1 … ikの存在する確率P(Ai0,i1∩…∩Aik-1, ik) を考える。このとき,事象Ai0,i1∩…∩Ait-2, it-1と事象Ait-1, (2ittk)は独立となるので,PAi0,i1

∩…∩Aik-1 , ik)=PAi0,i1)…P(Aik-1, ik)が成り立つ。このモデルの場合については,次回に議論する。

 次に以下では,各頂点を数直線上の閉区間[1, n]上に位置付けて考える.そして[1, n]上の区間 Ikを[aΔk1)1,aΔk]と定義する.ここで,kは 1≤kna)/Δを満たす整数である.

 さて補題 1 と補題 2 を適用して,単調パスに関する基本的な補題を以下に与える.

補題 3

(1)  a0 とし,Δ2oa)かつkは 2kn-a/Δを満たす整数とする.このとき,区間Ikに含 まれる任意の頂点は,Ik-1に含まれるどの頂点にも接続しない.

E= {r ɡjtit},E′= {ɡjtitt1

r′

t1

Fr ɡjt∈{i1,…,ir

t

1 ′′

VtV

G

1jt1

P(E′)=PFPE′|F)+

( )

1PFP

E′| 

tr

1 ɡjtVt\ i1, , ir′′

} )

  tr

1 ɡjtVt\ i1, , ir′

} )

PE′|E

P

E′|

i1,…,i r′

P(E′)-PE′|EPF

PE′|FP

E′| 

tr

1 ɡjtVt\ i1, , ir′

P(E′|F)≥P

E′| 

t

1 ɡjtVt\ i1, , ir′′

} )

r

(8)

(2)  a0 とし,mは 2 以上の整定数で,かつΔ=oam-1)/m)のとき,長さm以上の単調パスは,

1≤kn-a)/Δを満たすほとんどすべてのIk内には存在しない.

証明

(1)  区間Ikに含まれる頂点jが,Ik-1に含まれる頂点iに接続する事象をAi, jとする.このとき,区 間Ikに含まれる頂点が,Ik-1に含まれる頂点に接続する確率は,補題 1 を用いて以下のように評価 できる.ある正の定数cに対して,

       

         .

(2)  確率変数Xi0 i0を始点とするIk内の長さmの単調パスの個数とする(なお,単調パスはコン ポーネントとは限らない).また,XkIk内の長さmの単調パスの個数とし,Xi0 i1imIk内の 頂点i0i1imに対して,単調パスi0 i1imが存在すれば 1,そうでなければ 0 をとる確率変 数とする.さらに単調パスi0 i1imIkに含まれることをi0 i1imIkと表し,Ax, yIk内の頂 点xyが接続する事象とすれば,補題 1 と 2 を用いて以下を得る.

       であり,ある正の定数cに対して,

      

           

                    .

 ここで,      とする.ただし,Kn-a)/Δである.このとき,以下を得る.

      

              

              .

よって,Markovの不等式から主張を得る.□

 例えば,alognとすれば,補題 3 の(1)の条件は,Δ2ologn),(2)の条件は,Δo((lognm-1)/m

となる.

k

i

Ik1

jI Ai j

k iI k1

∑ ∑

jI

k

k

) (

Ai j ciI

k1

∑ ∑

jI

k

k

1ij

P P

c a∆k 1 dx ak1) c∆2 ak2)

x

ak1)

ak2) 1x dx≤ =o(1)

k

k

k

Xi0

i0 i1

imIk

k Xi0 ki1im

i

0Ik

( )

XkE

( )

Xi0k

i

0Ik i

0 i1imIk

E E

Xi0 ki1im

i

0Ik i

0 i1imIkP

Ai0ki1…∩Aimk1im

i

0Ik i

0 i1imIkP

Ai0k i1

P

Aimk1 im

ac∆k-1)

m

X

k1

K Xk

E(X)=

k1

K EXk

kK1

ac∆k1)

m

cm

0K

∆a 1 x1

( )

mdx

mc1

m

∆a

1

( )

1 m1 o(1)

∆n

1

( )

1 m1

(9)

 次に,本稿の目的である定理 1 および定理 2 を導くために,頂点ik+1のみ区間Iσ[1, σ]に入るよ

うな,i0を始点とする長さk1 の単調パスi0ik+1が存在する確率の上限を評価する不等式を与える.

なお,これに関連して,単調パスの存在する確率の上限および下限を評価する別の補題を次回でも議論 する.

補題 4

 c0およびc1を正の定数とし,σ→∞とする.頂点ik1のみ区間Iσ[1, σ]に入るような,i0を始点 とする長さk1 の単調パスi0ik1が存在する確率P  は以下の不等式を満たす.

        .

 このとき,      (2≤rk)である.

証明

 G1nにおいて,頂点xyが接続する事象をAx, yとする.そして,頂点ik1のみ区間Iσ[1, σ]に 入るような,始点をi0,終点をik1とする長さk1 の単調パスi0ik1が存在する確率をP  とす る.そして補題 1 と補題 2 を用いて以下を得る.

 ある正の定数c0およびc1に対して,k=0 の場合,主張は明らかに成り立つ.k1 の場合は,

        

         

       

      

         

           k1

i0Iσ 1

kr

ik0I1σi 2

0

1+cσ0

( )

k

r=k0arlog i0kr σ

2c1 P

e1 e

r1

a01, a10, ar

k1

i0Iσ

Pik0I1σP ni

Ai0 i1Ai1 i2Aik ik1

))

0>>

ik>σik1≥1

ni P

Ai0 i1Ai1 i2Aik ik1

0>>

ik>σik11 i01

i1

σk i i11 P

Ai0 i1

2

σk1 iik11 k

σ1 i σ

k

11 P

Ai1 i2

P

Aik ik1

c1 12 1

cσ0

i i01

1

σk i i11

2

σk1 iik11 k

σ1 i σ

k

11 i10i1 i11i2 ik1ik1

( )

k

i1

k1

1

2 1

cσ0

c1 i0

i01

i1

σk i i11

2

σk1 iik11

k

σ1 i σ

k

11

i11 i12i1k

( )

k

ci1

0

12 1

cσ0

i i01

1

σk i i11

2

σk1 iik11

k

σ1i11 i12i1k

1+

1σ 1x dx

( )

k

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