Wenn ein Netzwerk unterbrochen wird, brechen sie mehr

(ISNS)--aus dem World Wide Web an das elektrische Netz, Netzwerke sind notorisch schwer zu kontrollieren. Eine Störung, nur ein Teil des Systems kann verbreitete sich schnell und beeinflussen die ganze Sache. Aber dieses Problem ist eine eigene Lösung: durch die selektiv Schädigung Teil des Netzes, können wir das gesamte System in einen besseren Zustand bringen.

Warum ist es so wichtig, Netzwerke zu manipulieren? Diese komplexen Systeme durchdringen unseren Alltag von TK-Anlagen mit den verbundenen Neuronen, die Erinnerungen in Ihrem Gehirn bilden.

Stieß ein paar Knoten eines Netzwerks kann leider das gesamte System zu Fehlfunktionen führen. Das Stromnetz zu nehmen: ein paar abgeschossenen Stromleitungen können weit verbreitete Stromausfälle auslösen. Und es braucht viel Arbeit und teure Materialien, die defekten Komponenten zu beheben.

Anstatt zu ersetzen die beschädigten Leinen, könnte was passiert, wenn wir macht, das gesamte Netz wiederherstellen, indem strategisch noch mehr Linien trennen? Das ist nur was Forscher an der Northwestern University in Evanston, Illinois, Ziel zu tun, aber für mehr als nur das elektrische Netz. In einer Publikation in Nature Communicationsbeschrieben Wissenschaftler eine neue Methode zur Steuerung von eines komplexen Netzwerks.

Die Technik nutzt ein Netzwerk wie vernetzt ist. "Weil diese Systeme miteinander verbunden sind, eine Störung, die möglicherweise schädlichen, wie eine Krankheit, durch das System und Affekt Dinge hinausgehen, die zunächst in Angriff genommen wurden, ausbreiten kann", erklärte das Papier Erstautor, nordwestlichen Doktorand Sean Cornelius.

Doch ist es diese sehr Verbindungen, aus denen ein Netzwerk viel leichter zu manipulieren. "Es im allgemeinen möglich, Feuer mit Feuer zu bekämpfen", so Cornelius. "Auf die gleiche Weise können Sie ein System in einen falschen Weg zu stoßen und Schaden anrichten, was passiert, wenn Sie waren in der Lage, es in einer Weise, die es zu heilen, zu belästigen?"

Nehmen Sie das Netz der Interaktionen innerhalb einer Zelle. Wenn Sie out ein wichtiges gen Knock, wird die Zelle Wachstum erheblich beschädigt. Es ist jedoch möglich, diese Schäden zu reparieren, nicht durch Ersetzen der verlorenen Gens, das welches eine sehr anspruchsvolle Aufgabe ist, sondern durch weitere Gene zu entfernen.

Der Schlüssel besteht darin, die konkreten Änderungen, die ein Netzwerk von den unerwünschten Zustand A zu den bevorzugten Zustand B. Cornelius mathematischen Modell bringen würde bietet eine allgemeine Methode, um diese Änderungen in jedem Netz, aus den Stoffwechsel einer einzelnen Zelle, eine gesamte Nahrungsnetz zu lokalisieren.

Beispielsweise tritt eine invasiven Arten ein Ökosystems, konkurriert sie mit den einheimischen Kreaturen für Ressourcen. Die naheliegende Lösung wäre, die Eindringlinge--auszurotten, aber dies kann unglaublich schwierig sein. Stattdessen Cornelius vorgeschlagen, könnte Sie die Nahrungsquelle der Invasoren, töten, fahren sie vom Aussterben bedroht. In diesem Fall würde ein paar Arten geopfert werden, um das Ökosystem als Ganzes zu speichern.

Früherer Forschungen auf bestimmte Systeme, wie Zellen und Ökosysteme, ähnliche Methoden angewendet, aber die neue Studie befasst sich mit Netzwerken im Allgemeinen. "Zuvor, unsere Forschung auf bestimmten Systemen konzentriert hatte", sagte Cornelius, "aber gab es keine verbindenden Theorie zu zeigen, dass dies möglich sein sollte in der Regel Netzwerke. Wir hoffen, dass unsere Methode ist breit anwendbar, was auch immer Ihr bevorzugte Netzwerk erweisen könnte."

Um die Genauigkeit zu verbessern, verwendet die neue Methode ein komplexes Netzwerk-Modell. "sie haben einige neuartige Dinge, die sie mit nicht-linearen Analyse tun", kommentiert ein anderer Netzwerk-Forscher, Frank Doyle von der University of California, Santa Barbara. Netzwerke sind nicht-lineare Systeme, aber Doyle und viele andere Forscher sie ungefähre als linear sind.

In einem linearen System erzeugt eine kleine Änderung eine kleine Antwort. Zum Beispiel, wenn Sie das Thermostat ein wenig aufdrehen, Ihre Umgebung sollen etwas aufwärmen. Aber in bestimmten Bürogebäuden, es kann fühle als ob Anpassung das Thermostat von wenigen Grad nimmt den gesamten Raum von unerträglich kalt zu schwül. Diese unverhältnismäßig große Antwort ist typisch für nicht-lineare Systeme und macht sie sehr schwer zu mathematisch zu modellieren.

Ein weiteres Merkmal eines nichtlinearen Systems ist, dass es Stabilität in mehr als einem möglichen Zustand erreichen kann, die wirklich praktisch für Cornelius Team kam. "Da gibt es mehrere mögliche Ergebnisse, wir machen eine vernünftige Anpassung im Netzwerk den Übergang von einem schlechten zu einem guten Zustand erreichen könnten," Cornelius hingewiesen. "Obwohl nicht-Linearität Dinge erschwert, bietet es auch einen Mechanismus zur Steuerung des Netzwerks."

Aber ob Sie eine nicht-lineare oder ein lineares Modell wählen, beide vereinfachen realen Umständen. "Die nicht-Linearität ist ein Schritt in die richtige Richtung, aber es gibt andere Komplexität in diesen Netzwerken, in der Natur, die wirklich sehr schwierig machen," Doyle betont. "Eine Methode, die ein mathematisches Modell ist per Definition eine Näherungsmethode."

In Science News Service wird unterstützt durch das American Institute of Physics. Sophie Bushwick ist ein freier Wissenschaftsjournalist mit Sitz in New York City. Ihre Arbeiten erschienen in zahlreichen Print- und Online-Outlets.