第九单元 网络
大家好 这一单元我们将快速学习有关网络的科学
这也是复杂系统科学中 发展最快的一个分类
在这一单元中 我们将调查网络出现的一些不同方式
包括自然界中 社会中以及技术中
我们将一起见识一些目前网络科学家正在使用的概念
理解网络具有怎样的表现和结构
以及这些概念对我们的日常生活又有什么样的启示
让我们开始吧
9.1 前言
什么是网络？
网络是普遍存在的
网络科学的发展非常迅猛
让我们先来看看自然界 社会和技术领域中 网络的例子
这是一张秀丽隐杆线虫（c elegans）的神经网络图
这是一种非常小的虫子 大约只有300个神经元
这张图中有所有这300个神经元
图中的每个球都代表一个神经元
球之间的连线代表神经元间的突触或缝隙链接
这是神经网络很有代表性的一个例子
每个网络都包括很多个节点 以及节点间的链接
在这幅图中 节点的大小代表了连接到这个节点的链接数量
你能从这幅图中看到很多典型的网络结构
链接的分布并不是统一的
这意味着对某些节点来说 可能有很多很多的链接与它们相连
这个节点跟其他很多节点都相连 通常被称为中枢 （hubs）
这是另一种网络 食物链
每一个节点都是一种动物 某个物种
一个节点连接另一个节点 表示第二种动物以第一种动物为食
比如这个节点 松鼠 被狐狸所捕食
因此松鼠指向狐狸
同样你也会发现一些中枢
比如这个网络中 狐狸就是一个中枢
有很多链接指向狐狸
另一个生物网络的例子是代谢网络（metabolic network）
在代谢过程中 每一个节点代表一种化学物质
两种化学物质相连 表示在细胞中 发生了代谢相互作用
一种化学物质产生了另一种化学物质
同样地 这里你也能看到一些中枢
有很多指向它们的链接
在这里这些东西都是由很多化学相互作用产生的
这种可视化的网络结构让我们能够很直观地感受到
在一个系统中 不同类型的组成部分是很重要的
比如说 中枢 好像是这个系统中非常重要的部分
如果一个中枢被破坏了 这个系统会发生灾难性的变化
也许最常见的一种网络
是飞机的航线图 这里我们有某条具体的航线
一个中枢是休斯顿 另一个中枢是纽约
有很多其他的城市 每一个节点都代表一个城市
每一条链接都表示在相连的两个城市间有航线直达
有一些城市发出的航线很少
一小部分城市却有很多航线发出或进入
同样地 这幅图也体现出中枢的重要性
比如说 如果某一个中枢的天气糟糕 比如说休斯顿
那么整个网络中的航线都将受到影响
这也是一个我们都依赖的网络
表示的是北美的整个互联网
每一个节点都表示一个服务器
连线表示服务器间的通路
你可以发现有很多个中枢
同样地 如果说 比如这个中枢被攻击了
或者说瘫痪了 那么整个网络都会受到影响
这是另一个网络的例子 美国的电力网
节点代表配电站 之间的连线表示高压输电线
在经济学中 我们也有网络
比如银行的网络 每个节点都是一个银行
银行都互相连接 如果它们之间有很强的联系
比如互相之间都有比较大额的借贷
在2008年经济危机的时候 这个网络估计可能崩溃了
JP 摩根大通（JPMorgan Chase）就是一个中枢
如果这个节点被破坏的话
整个网络都会受到影响
我们对万维网（The World Wide Web）都非常熟悉了
这些节点表示不同网站的主页
这些连线代表超链接
这个网络的这一小部分围绕着维基百科（Wikipedia）
同样 在这里你也能看到类似的中枢结构
这些中枢结构都有很多超链接连入和连出
而不是中枢结构的那些节点则没有太多的输入输出连接
另一个例子是社会网络
这是在脸书（Facebook）中朋友圈的网络
在最近二十年中 围绕网络学这一交叉学科的研究逐步发展起来
在这一新兴学科出现以前
有关网络的研究是在某个其他的学科中进行的
比如说 在数学中 网络被称为图形
并且还产生了专门的理论——图论（graph theory）
社会学家研究的是社会网络
经济学家则研究经济和商业网络 等等
但这些领域都显得非常独立
这些各领域的科学家都有自己的学科方向
都专注于自己领域中的网络研究而很少有交流
但近年来 人们开始把网络作为一个更一般的学科进行研究
人们想知道 这些复杂网络有什么共同特征吗
如果有的话 为什么会有这些共同特征呢
最后 是否能够构建一种关于网络的理论
也就是在不同的网络表现形式中
研究它们的结构 发展和动态分析
这些都是有待解决的问题
在这一单元中 我们将简单了解科学家们是如何回答这些问题的
先做一个预告 这个列表上面是已经提出的网络的共同特征
我们稍后将会重点学习这些内容
包括小世界性质（small world property）
长尾分布（long-tailed degree distribution）
其中一个特例是无标度结构（scare-free structure）
我们还要介绍网络中聚类（clustering）和社区的概念
我们要看看某种具体的结构如何能使网络表现强健
又是如何能使网络表现脆弱的