课题基金 / 基金详情

求解复杂网络PageRank中心度的基于网络结构的并行子空间算法

批准号:
12101433
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
沈照力
依托单位:
学科分类:
数值代数
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
沈照力

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
分析数据网络是大数据时代的重要课题,测量节点中心度是其中重要的子问题。众多度量方式中,PageRank中心度有着从生物系统到网络安全的广泛应用。随着科技发展,数据网络逐渐复杂化。一方面,网络节点的数量激增;另一方面,节点之间的连接路数增加,即网络层数增多。提高复杂网络的PageRank中心度计算效率成为需研究的问题。根据现有文献和申请人前期结果,预处理的Krylov子空间算法是单层PageRank问题下最具潜力的算法之一,利用网络结构特征来简化问题也是极具前景的研究方向。本项目拟深入这两个方向并将它们结合:首先研究如何更充分挖掘网络结构特征来简化PageRank问题;然后为简化后的形式设计高效预处理Krylov子空间法,组成2-阶段算法。针对问题的复杂性,研究2-阶段算法的高效并行方案和计算多层PageRank中心度的方案。这将为复杂网络中心度计算提供新线索和实用算法。
英文摘要
The analysis of data network is an important topic in the era of big data, and the measurement of the centralities of network nodes is a widely concerned sub-problem. Among many measurements, PageRank centrality has a lot of important applications in different fields including biological systems, cyber security and so on. With the development of science and technology, data networks are becoming more and more complicated. On the one hand, the numbers of nodes in networks have soared, e.g. networks with more than 1 billion nodes are not uncommon. On the other hand, the number of connections between nodes increases, that is, the number of network layers considered increases. How to efficiently calculate PageRank centralities of complex networks becomes a valuable problem. Recent domestic and international studies show that the preconditioned Krylov subspace algorithm is one of the most potential algorithms for this problem. Besides, exploiting the network structure and the numerical properties of the transition probability matrix to reduce the solution cost is also a promising research direction. This project combines the above two directions. The first step is to study how to fully exploit some attributes in the network structure (node similarity and entry degree distribution) to benefit the computation of PageRank; The second step is to study how to adapt Krylov subspace algorithms to efficiently compute this problem, focusing on utilizing the characteristics of the problem and improving the parallelism. Finally, this project plans to develop an efficient intelligent algorithm that adapts to different network structures, layers, number of damping factors and different hardware environments.
本项目聚焦于单层及多层大规模网络PageRank中心度的高效计算,从问题特征以及数值求解方法两方面进行结合研究。项目分析并统计了来自不同背景的数据网络结构特征(包括特殊节点比例、分块结构、局部低秩结构等)和PageRank线性系统的特殊数值性质。基于这些发现,构建了递归节点5-分类排序算法、2阶段消元算法、弱悬点块分块排序算法以及多步低秩分解算法来降低PageRank模型的计算复杂度,并基于此开发了加速Krylov子空间方法收敛的预处理技术。同时,测试并改进了常用Krylov子空间方法以求解PageRank模型各形式的效率与并行度,包括奇异线性系统、非奇异线性系统与特征向量问题。提出了:FOM算法与Power法嵌套的动态混合框架与外推加速策略;多步分裂内外迭代法MPIO与自适应加权内积Arnoldi法的动态混合框架;构建了加权位移多项式预处理FOM算法求解奇异PageRank问题,修正了领域内既有的理论错误;将切比雪夫多项式加速技术融入简化GMRES算法,开发出效率更优的SGMRES-Chebyshev算法。给出了这些算法的收敛性以及效率分析,并通过充足的数值实验验证了其加速效果。本项目还推进了内积误差影响Arnoldi过程及Krylov方法的分析框架,提出正交性损失的新度量方法。最后,将研究成果拓展至多层网络,提出了度量节点与层中心度的结合入链多样性与PageRank的重力中心度模型及其求解框架。在百万节点级网络中,算法耗时降低显著,并能提供更优质的度量结果。本项目不仅为单层及多层大规模网络的PageRank中心度提供了高效的计算策略,还全面展示了数据网络结构特征、PageRank问题特征以及如何利用这些特征加速问题求解的路径。这些成果加深了对数据网络结构、PageRank模型和Krylov子空间算法的理解,并提高了网络中心度度量的实用性。
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