2.4.4 动态信息传递方法

更新于 2026年10月13日 版权声明
2.4.4 动态信息传递方法

Karrer和Newman[55]在研究SIR 模型时首次提出了动态信息传递(Dynamical Message Passing,DMP)方法,随后这一理论又被Shrestha[56]等人扩展到SIS模型的分析中。动态信息传递方法在保留淬火平均场理论的优点(即充分考虑整个网络的拓扑结构)的同时,也弥补了其不足。在动态信息传递方法中,定义了空穴状态及相应规则:处于空穴状态的节点被禁止向其邻居节点散播病毒,但是可以被邻居节点感染。这样可以防止传染病通过一条边来回传播,避免淬火平均场理论所引起的“回音室”效应,从而避免高估节点处于感染状态的概率。同时,动态信息传递法还考虑了邻居状态之间的某些动态相关性,研究表明,这种理论方法可以准确地刻画树形网络(没有回路)上的传播动力学[55]。

根据动态信息传递方法的规则,令θj→i(t)为在时刻t,当节点i处于空穴状态时,节点j被它的邻居感染的概率,那么在t时刻,易感节点i被感染的概率为图示此时,ρi(t)的演化方程为

图示

式(2-4-16)右边第一项为节点i恢复的概率,第二项为节点i被邻居感染的概率。假设有N 个节点,那么就有N 个上述方程。

同时,θj→i(t)是动态变化的,不难发现,如果节点j从感染状态恢复过来,那么θj→i(t)减小;但如果在节点i 处于空穴状态时,节点j 被它的邻居感染,θj→i(t)将以β[1-图示概率增加。其中,N(j)是节点j 的邻居集合。因此,θj→i(t)的演化方程为

图示

假设网络中有E 条边,考虑到两个节点之间可以互相传播,则形如式(2-4-17)的方程共有2E 个。在初始时刻,只有少数节点处于感染状态,不妨令θj→i(0)→0。又令向量θ(t)的元素是θj→i(t),使用与前几节类似的方法,写出上述方程的矩阵形式:(https://www.daowen.com)

图示

式中,B 为非回溯矩阵,其元素为

图示

Bj→i,l→h的物理意义为:当i≠l时,边l→h 将会影响边j→i。疾病暴发的阈值可以表示为

图示

动态信息传递方法广泛地运用于传播动力学中,这是因为:①这种方法通过使用非回溯矩阵描述了整个网络的信息;②通过假设处于“空穴”状态的节点不传输信息,此法把握住了邻居状态之间的部分动态关联。在树形网络中,使用动态信息传递法得到了很准确的结果。通过大量的数值实验,科学家们发现动态信息传递方法能比较准确地描述真实网络中的SIS和SIR 模型[55-57]。

同时,动态信息传递法也存在着缺陷:①方程多而复杂;②只在树形网络有较高的准确度。

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