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Predicting network dynamics without requiring the knowledge of the interaction graph

子空间拓扑 计算机科学 网络拓扑 拓扑(电路) 网络动力学 图形 非线性系统 复杂网络 动态网络分析 生物网络 理论计算机科学 数学 人工智能 离散数学 组合数学 物理 操作系统 万维网 量子力学 计算机网络
作者
Bastian Prasse,Piet Van Mieghem
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:119 (44) 被引量:1
标识
DOI:10.1073/pnas.2205517119
摘要

A network consists of two interdependent parts: the network topology or graph, consisting of the links between nodes and the network dynamics, specified by some governing equations. A crucial challenge is the prediction of dynamics on networks, such as forecasting the spread of an infectious disease on a human contact network. Unfortunately, an accurate prediction of the dynamics seems hardly feasible, because the network is often complicated and unknown. In this work, given past observations of the dynamics on a fixed graph, we show the contrary: Even without knowing the network topology, we can predict the dynamics. Specifically, for a general class of deterministic governing equations, we propose a two-step prediction algorithm. First, we obtain a surrogate network by fitting past observations of every nodal state to the dynamical model. Second, we iterate the governing equations on the surrogate network to predict the dynamics. Surprisingly, even though there is no similarity between the surrogate topology and the true topology, the predictions are accurate, for a considerable prediction time horizon, for a broad range of observation times, and in the presence of a reasonable noise level. The true topology is not needed for predicting dynamics on networks, since the dynamics evolve in a subspace of astonishingly low dimension compared to the size and heterogeneity of the graph. Our results constitute a fresh perspective on the broad field of nonlinear dynamics on complex networks.

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