网络科学作为一门不断发展的新兴交叉学科，以图论为基础，在不断吸收了其他专业的最新成果后终于以一门独立的学科出现。网络科学不仅可以作为新兴的网络工程、网络安全等理工科专业的理论基础，还可以作为网络经济、网络营销、社会科学研究的基本理论，而且是公共关系定量分析的重要工具之一。本书是一本很好地将理论和应用相结合的著作，首先系统地介绍了网络科学的发展历程，然后进一步阐述了大量网络分析与规划的实例，内容覆盖了社会关系网、生物网络、电力网络、病毒传播网、互联网等内容，试图为读者描述一种广义的网络模型。
　　本书适用于网络工程、网络通信、网络安全、网络营销、网络信息传媒、公共关系、应用数学等专业必修课，是研究人员、专业人员以及工程、计算、生物领域的技术人员不可缺少的参考资料，也可以作为相关领域研究的高年级和研究生教材。

网络科学
原理与应用
Network Science
Theory and Applications
（美）Ted G. Lewis 著　陈向阳 巨修练 等译
网络科学作为一门新兴的学科越来越引入瞩目。网络科学能帮助读者设计更快、更有弹性的通信网络；能用于调整电力网络、电信网络和飞行航线等基础设施系统；可以为市场动态建模；能帮助理解生物系统中的同步；能用于分析人与人之间的社会互动……
这是第一本全面审视新出现的网络科学的论著。书中研究了各种网络——规则网络、随机网络、小世界网络、影响网络、无标度网络和社会网络等，并将网络过程和行为应用于涌现、传染病、同步和风险方面。本书的独特之处在于将跨计算机科学、生物学、物理学、社会网络分析、经济学和市场营销等多学科的专业概念整合了起来。
本书为网络科学领域提供了全新的理解和阐释，是研究人员、专业人员以及工程、计算、生物领域的技术人员不可缺少的参考资料，也可以作为相关专业高年级本科生和研究生教材。
作者简介
Ted G. Lewis　博士是美国加州蒙特雷海军研究生院的计算机科学教授。他有丰富的工作阅历和广泛的学术研究，作为美国电气和电子工程师协会(IEEE)计算机协会的会员，他还担任《IEEE软件》和《计算机》杂志的总编，并已经编著出版了30余本著作。他曾任伊士曼柯达公司(Eastman Kodak Company)数字策略的副总裁。

在我写本书前言时，“网络科学”可能还不够成熟，目前就宣布将图论、控制论和交叉学科应用结合成一门“科学”还为时过早。的确，我的许多同事也表达了强烈的不同意见——他们认为网络科学是一种时尚，甚至是编造出来的东西。带着这种担心，从2006年起我开始写一系列有关无标度网络、小世界和自同步网络的论文。这一系列论文所表达出的粗糙理念逐渐演变成了目前捧在你手中的这本书。像大多数首次尝试一样，本书不可能没有缺陷。我写作本书是出自对科学的热衷——希望它能成为无偏见的、探索思想的有用资料。或许将来会建立一门几乎涉及每个学科、工程、医学和社会科学领域研究的新的网络科学。
　　只有时间才能证明这种将我们所知的新的网络科学编译成卷的初步尝试是否成功——而本书正是付诸实践之作！但是写作略微超前的主题并不是我的长处。风险在于选择了我称之为网络科学的主题。很显然，我们必须概括如Adamic、Albert、Barabasi、Barrat、Bollobas、Erdos、Granovetter、Kephart、Lin、Liu、Mihail、Milgram、Molloy、Moore、Newman、PastorSatorras、Renyi、Strogatz、Tadic、Wang、Watts、Weigt、White、Zhang和Zhu等先驱们的工作。本书共13章，我在前6章对上述这些作者的工作进行了概括。这些章节从图论基础领域，再到现代网络定义展开。最著名的话题——规则、随机、无标度和小世界网络都有整章的叙述。因此，本书前半部分是沿着发明者们绚丽的足迹追踪网络科学的发展。
　　我的第二个目的是在先驱们已知和已发表的内容基础之上添加新的内容。这里的风险在于我的自命不凡：大胆地假定已知这种新的领域会朝哪个方向发展。第7章介绍网络的新的自组织原则，并演示如何定制设计任意度序列分布的网络。第8章是将Z Wang、Chakrabarti、C Wang和Faloutsos的卓越工作尝试扩展到令人激动的为互联网设计的抗原对策中。这种工作可以用来解释人类传染病以及席卷整个互联网的传染病毒。第9章将Watts的早期工作提高到一个新的水平——强调网络同步仅仅是线性系统稳定性的特殊例子。简单的特征值工具可以用于决定几乎任意线性网络的稳定性和同步性。第10章几乎是全新材料，说明为了使社会网络达成共识需要满足什么条件。事实证明，群组达成共识并不容易！第11章是以Waleed AlMannai的博士论文为基础构建的，他形式化并扩展了我在网络风险方面的研究工作。Al Mannai的理论用来衡量关键基础系统并保护它们免受自然和人为（人造）的攻击，这对美国本土安全的实践已经有了深刻的影响。第12章是对商业模型的探索——将著名的Schumpeter创造性破坏过程与涌现过程关联起来，并将BassFisherPry方程映射到网络上。验证BassFisherPry方程可用于网络是值得欣慰的，但是更进一步，我还将演示如何将这些经典模型扩展应用到多产品市场和寡头垄断上。最后，第13章完全体现了网络科学中的最前沿内容。这一章向读者介绍激动人心的新领域——蛋白质表达网络，并就读者需要考虑的一些新的方向提供一些建议。
　　一般读者可以很容易地跳过有关数学内容，并仍能从将网络应用到各种学科（包括计算机科学与工程、商务、公共卫生（传染病）、互联网病毒防范、社会网络行为、生物学和物理学等）中搜集到很多信息。更加专业的读者和教师可能想要使用由出版商和作者提供的软件工具(tedglewis@frictionfreeeconomycom)。其中包括5个Java应用程序：Networkjar用来探索各类网络并用各种涌现过程实验；Influencejar用于研究影响网络和社会网络分析；NetworkAnalysisjar用来研究网络脆弱性和攻防双方的网络风险问题；NetGainjar用于商业建模；BioNetjar用于生物网络，特别是蛋白质表达网络。可执行代码和源代码都是以开源软件的形式提供的。如果你在大学课程中想要以指导教师的身份分发这些材料，可从出版商的Web站点下载教师手册。
　　本书只起到抛砖引玉的作用，还留下了许多未回答的问题。我希望本书能给新一代的研究人员及其研究工作带来灵感。如果我是正确的，那么术语“网络科学”在将来的十年就不会再存在争议。当然这留给读者作为练习！
　　我要感谢Steve Lieberman，他认真地对公式进行了排版并详细地审阅数遍草稿。还要感谢Rudy Darken和Tom Mackin，他们对我的思考过程带来影响，并帮助我纠正了几个错误构思。Waleed Al Mannai对第11章有很大的影响，并间接地对整本书产生了影响。非常高兴能与这些同事一起合作，历时3年完成了这本书的写作。
Ted GLewis
2008年3月22日

计算机\网络

网络科学作为一门新兴的学科越来越引入瞩目。网络科学能帮助读者设计更快、更有弹性的通信网络；能用于调整电力网络、电信网络和飞行航线等基础设施系统；可以为市场动态建模；能帮助理解生物系统中的同步；能用于分析人们之间的社会互动……

这是第一本全面审视新出现的网络科学的论著。书中研究了各种网络——规则网络、随机网络、小世界网络、影响网络、无标度网络和社会网络等，并将网络过程和行为应用于涌现、传染病、同步和风险方面。本书的独特之处在于将跨计算机科学、生物学、物理学、社会网络分析、经济学和市场营销等多学科的专业概念整合了起来。

本书为网络科学领域提供了全新的理解和阐释，是研究人员、专业人员以及工程、计算、生物领域的技术人员不可缺少的参考资料，也可以作为相关领域研究的高年级和研究生教材。

作者简介
Ted G. Lewis博士是美国加州蒙特雷海军研究生院的计算机科学教授。他有丰富的工作阅历和广泛的学术研究，作为美国电气和电子工程师协会(IEEE)计算机协会的会员，他还担任《IEEE软件》和《计算机》杂志的总编，并已经编著出版了30余本著作。他曾任伊士曼柯达公司(Eastman Kodak Company)数字策略的副总裁。

陈向阳 巨修练 等译：暂无简介

“我们被困在无法逃避的相互关系网络中，任何事情，如果直接地影响了一个人，就会间接地影响到所有人。”
　　　　——马丁·路德·金
　　目前，网络科学在不断汲取各学科最新成果的基础上继续深入发展、完善，其理论研究方法成为广泛的交叉科学的一种强有力的思想方法。2009年7月24日出版的《科学》杂志刊登专题——“复杂系统与网络”（Complex Systems and Networks），充分地表明网络科学进一步向众多学科渗透并向应用发展。从网络科学的角度来看，无论是自然界还是人类社会，网络都无处不在，从而深刻而广泛地影响着人们的日常生活和科学技术等各种活动。因此，利用网络科学，可以探讨自然界和人类社会的各种各样的复杂系统。网络科学正在与众多新兴科学相互交融和推动，它提供了新的科学发展观和方法论，使决定性与随机性、有序性与无序性、复杂性与简单性，达到了和谐统一，人类的认识产生了新的飞跃，成为人们认识客观世界的工具。在网络科学的思想、理论与方法的大框架下，无论从微观层次，还是宏观和宇宙观层次，人们都可以从全新的网络的角度、观点和方法来探讨世界万物的复杂性问题。
　　为了弥补和丰富国内有关网络科学方面的教材，同时也为了科研需要，我们组织翻译了美国蒙特雷海军研究生院的计算机科学教授特德·刘易斯(Ted Lewis)博士的《网络科学：原理与应用》这本书。本书由陈向阳、巨修练负责翻译，参加翻译的人员还包括徐清、陈晓明、徐茜、蹇贝、孙金余、费滕、李亚玲、孙克华、於照等。机械工业出版社刘立卿编辑、王春华编辑等在审稿过程中做了大量辛苦的工作，在此特别致以衷心的感谢！本书的翻译得到了绿色化工过程教育部重点实验室及武汉工程大学优秀学术著作出版资助项目的资助。
　　在翻译时，由于本书涉及的领域广泛，具体包括应用数学、计算机科学、生物学、物理、化学、医学、社会学、军事等专业，所以挑战在所难免。虽然我们参阅了大量复杂网络的相关译文资料——特别是中科院方锦清对本书的评价、武汉大学陆俊安等发布的网络科学博文，而且花了大量的时间尽力使这本译著完美，但由于自身水平和专业局限，译文中仍会有错误和不到之处。读者在使用本书时若遇到问题或者有好的建议，敬请联系我们（xychensun@yahoocomcn），以期共同做好网络科学的学习和研究。
译者
2011年3月

出版者的话
译者序
前言
第1章网络科学的起源
11什么是网络科学
12网络科学简史
121网前阶段 (1736—1966)
122中期网络阶段(1967—1998)
123现代阶段（1998—）
13总则
第2章图
21图的集合论定义
211节点、链路和映射函数
212节点度和hub
213路径和回路
214连通性和组件
215直径、半径和中心性
216介数和紧度
22图的矩阵代数定义
221连接矩阵
222邻接矩阵
223拉普拉斯矩阵
224路径矩阵
23哥尼斯堡七桥图
231欧拉路径和欧拉回路
232哥尼斯堡七桥问题的正式定义
233欧拉解
24图的谱属性
241谱半径
242谱隙
25图的类型
251杠铃形、线形和环形图
252结构化图与随机图
253k-规则图
254图密度
26拓扑结构
261度序列
262图的熵
263无标度拓扑
264小世界拓扑
27软件中的图实现
271Java节点和链路
272Java 网络
练习
第3章规则网络
31直径、中心性和平均路径长度
32二叉树网络
321二叉树网络的熵
322二叉树网络的路径长度
323二叉树网络的链路效率
33超环形网络
331超环形网络的平均路径长度
332超环形网络的链路效率
34超立方网络
341超立方网络的平均路径长度
342超立方网络的链路效率
练习
第4章随机网络
41随机网络的生成
411Gilbert随机网络
412ErdosRenyi随机网络
413锚定随机网络
42随机网络的度分布
43随机网络的熵
431随机网络熵的建模
432随机网络的平均路径长度
433随机网络的聚类系数
434随机网络的链路效率
44随机网络的属性
441随机网络的直径
442随机网络的半径
443利用Java计算紧度
444随机网络中的紧度
45随机网络中的弱联系
46规则网络的随机性
47分析
练习
第5章小世界网络
51生成一个小世界网络
511WattsStrogatz (WS)过程
512一般的WS过程
513小世界网络的度序列
52小世界网络属性
521熵与重联概率
522熵与密度
523小世界网络的路径长度
524小世界网络的聚类系数
525小世界中的紧度
53相变
531路径长度和相变
532材料中的相变
54小世界网络中的导航
55小世界网络中的弱联系
56分析
练习
第6章无标度网络
61生成一个无标度网络
611BarabasiAlbert(BA)网络
612生成BA网络
613无标度网络幂律分布
62无标度网络的属性
621BA网络熵
622hub度与密度对应关系
623BA网络平均路径长度
624BA网络紧度
625无标度网络聚类系数
63无标度网络中的导航
631最大度导航与密度对应关系
632最大度导航与hub度的对应关系
633在无标度Pointville网络中的弱联系
64分析
641熵
642路径长度和通信
643聚类系数
644hub度
练习
第7章涌现
71什么是网络涌现
711开环涌现
712反馈循环涌现
72科学中的涌现
721社会科学中的涌现
722物理科学中的涌现
723生物中的涌现
73遗传进化
731hub涌现
732聚类涌现
74设计者网络
741度序列涌现
742生成给定的度序列的网络
75排列网络涌现
751排列微规则
752排列和聚类系数
76涌现的一个应用
761随机排列的链路优化
762确定性排列的优化
763最小长度涌现模型
764二维布局
练习
第8章传染病
81传染病模型
811KermackMcKendrick模型
812传染病阈值
813易感-感染-消亡（SIR）模型
814结构化网络峰值感染密度
815易感-感染-易感(SIS)传染病
82网络中持续稳定的传染病
821随机网络传染病阈值
822一般网络中的传染病阈值
823一般网络中的固定点感染密度
83网络传染病仿真软件
84对策
841对策的算法
842接种策略对策
843Java抗原仿真
练习
第9章同步
91同步或不同步
911混沌映射
912网络稳定性
92蟋蟀社会网络
921蟋蟀社会网络的同步性质
922更加通用的模型：Atay网络
923Atay网络的稳定性
93基尔霍夫网络
931基尔霍夫网络模型
932基尔霍夫网络的稳定性
94Pointville电网
练习
第10章影响网络
101对buzz的剖析
1011buzz网络
1012buzz网络仿真器
1013buzz网络的稳定性
102社会网络的有用性
1021两方谈判
1022Inets状态方程
1023Inets的稳定性
1024Inets的共识
1025计算影响的Java方法
103 Inets中的冲突
1031冲突度
1032计算冲突度的Java方法
104命令层次结构
105Inets中的有用性涌现
1051加权涌现
1052加权涌现的Java方法
1053加权涌现的稳定性
1054链路涌现
练习
第11章脆弱性
111网络风险
1111将节点作为目标
1112将链路作为目标
112关键节点分析
1121杠铃模型
1122网络风险最小化
1123指数成本模型
1124攻击者-防御者模型
1125Java军备竞赛方法
113博弈论的考虑
114一般的攻击者-防御者网络风险问题
115关键链路分析
1151链路弹性
1152链路弹性模型
1153流弹性
1154流启发式的Java方法
1155网络流资源分配
1156结构化网络中的最大流量
116基尔霍夫网络的稳定性弹性
练习
第12章NetGain网络
121经典扩散方程
1211市场扩散方程
1212简单NetGain网络
122多产品网络
123NetGain网络涌现的Java方法
124新兴市场网络
1241新生市场的涌现
1242新兴市场固定点
125创造性破坏网络
1251创造性破坏的涌现
1252平方根律固定点
126企业并购网络
1261合并节点的Java方法
1262合并加速创造性破坏
练习
第13章生物学
131静态模型
1311无标度属性
1312小世界效应
132动态分析
1321线性连续网络
1322布尔网络
133蛋白质表达网络
134质量动力学建模
1341质量动力学状态方程
1342有界的质量动力学网络
练习
参考文献