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模型Model

Erdős–Rényi 随机图

Erdős–Rényi random graph · G(n,p) · G(n,m)

在固定标号顶点集上独立采样边或均匀采样固定边数的随机图模型。

形式陈述 ​

取整数 n≥2、参数 p∈[0,1],固定标号顶点集 [n]={1,…,n},共有 N=(n2) 条候选无向边。模型 G(n,p) 为每条候选边 e 取相互独立、服从Bernoulli 分布的指示变量 Xe∼Bernoulli(p),并令

E(G)={e:Xe=1}.

因此每个含 m 条边的标号简单图 H 出现的概率是 pm(1−p)N−m,总边数服从 Bin(N,p);任一固定顶点的度服从 Bin(n−1,p),期望为 (n−1)p。

对整数 0≤m≤N,模型 G(n,m) 则在全部 (Nm) 个含恰好 m 条边的标号简单图中均匀取一个。它的边数恒为 m,各边边缘概率都是 m/N,当 0<m<N 时,不同边的指示变量不独立;m=0,N 时它们是常数,退化地相互独立。两种模型在合适的参数尺度下可对许多单调性质给出相近渐近结论,却不是同一个有限分布,也不能逐个样本视为相等。

若固定简单图 F 有 v 个顶点、e 条边,从其固定顶点集到 [n] 的保边单射数期望为 (n)vpe;按 F 的自同构识别这些单射后,普通子图副本数的期望才是 (n)vpe/|Aut(F)|。这里不要求非边映成非边,所以不是诱导副本计数。公式来自指示变量的期望线性性,不要求不同副本彼此独立。

直觉

G(n,p) 可以看成同时拨动 N 个独立开关,每个开关决定一条边是否存在。模型只在最底层边选择上独立;连通、出现三角形、存在孤立点等全局事件共享大量开关,通常强烈相关。G(n,m) 则先锁定开关总数再随机选择位置:选中一条边会略微降低另一条边被选中的条件概率,这正是固定总量带来的依赖。

随机图的阈值描述的是随 n 增大、参数 p=p(n) 改变时,某个单调性质从高概率不出现转为高概率出现的尺度。它不是声称有限 n 上存在没有过渡区的物理相变,也不是每个性质都共享同一阈值。

例子与边界

三角形数可写为

T=∑{i,j,k}∈([n]3)XijXikXjk,ET=(n3)p3.

固定顶点成为孤立点的概率是 (1−p)n−1,所以孤立点数 I 满足 EI=n(1−p)n−1。这两个计算展示同一阶矩工具的不同作用:ET<1 可帮助证明存在无三角形样本,孤立点期望接近零则提示连通性阈值附近的障碍,但单凭期望很大并不能保证变量以高概率为正,通常还需要二阶矩或集中论证。

二阶矩页进一步按共享边分类,证明精确方差 VarT=(n3)p3(1−p3)+12(n4)p5(1−p),并列全 G(4,1/2) 的三角形数分布,复算方差 5/8。固定 p 时,三角形比例趋于 p3;按图核同态密度归一化则是 6T/n3,有限规模下需保留与 T/(n3) 的系数差。

两条相邻边在 G(n,p) 中独立;当 n≥4 且 0<p<1 时,“三角形 123 出现”和“三角形 124 出现”共享边 12,并不独立。在 G(n,m) 中,若 N≥2 且 m≥1,任意两条不同边 e,f 满足

Pr(f∈E∣e∈E)=m−1N−1,

通常不等于 m/N。退化参数 p=0,1 分别给出空图和完全图,仍是合法模型。这里默认标号、简单、无向图;无标号随机图或允许自环、重边的模型拥有不同样本空间。

推论与应用

Erdős–Rényi 模型是概率方法中最基本的随机组合对象。一阶矩可排除稀有坏结构,二阶矩处理多个候选结构间的依赖,图连通性、巨分量、着色数与固定子图出现都可据此研究各自的渐近尺度。

模型还提供算法与网络的平均情形基线,但真实网络若有重尾度分布、聚团或社区结构,就不应因边缘密度相同而直接套用 G(n,p)。选择模型时应先问独立边与同质顶点是否符合机制,再解释由模型得到的概率结论。

若目标是邻接矩阵的全部方向误差,矩阵 Bernstein 不等式把 G(n,p) 的每条候选边写成独立中心化对称矩阵,算出方差参数 (n−1)p(1−p),从而控制 ‖A−p(J−I)‖2。该页完整计算 G(1000,0.1) 的置信阈值;固定边数的 G(n,m) 因缺少边独立性,不能原样套入。

参考资料
  • Béla Bollobás, Random Graphs, 2nd ed., Cambridge University Press, 2001, Chapters 1–4.
  • Noga Alon and Joel H. Spencer, The Probabilistic Method, 4th ed., Wiley, 2016, Chapters 1–4.
关系图谱15 个相邻概念 · 2 类关系

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