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 = ( n 2 ) 条候选无向边。模型 G ( n , p ) 为每条候选边 e 取相互独立 公理库 独立性 Statistical independence 从概率表理解独立性,区分两两、相互和条件独立,并用可计算反例澄清零协方差与条件均值的限度。 、服从Bernoulli 分布 公理库 Bernoulli 随机变量 Bernoulli random variable 只取 0 与 1 且成功概率为 p 的基本随机变量。 的指示变量 X e ∼ Bernoulli ( p ) ,并令
E ( G ) = { e : X e = 1 } . 因此每个含 m 条边的标号简单图 公理库 有限简单无向图 Graph · Finite simple undirected graph · 图 由有限顶点集与无序二元顶点子集组成的边集所确定的简单无向图。 H 出现的概率是 p m ( 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 ( N m ) 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 ) v p e ;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 ) v p e / | 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 公理库 期望 Expectation · Expected value 实值或复值随机变量关于概率测度的 Lebesgue 积分,概括加权平均与总体质量平衡。 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 ) X i j X i k X j k , E T = ( n 3 ) p 3 . 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 E I = n ( 1 − p ) n − 1 。这两个计算展示同一阶矩工具的不同作用:E T < 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 公理库 二阶矩方法 Second moment method 从非负变量的二阶矩证明正概率与相对集中,并逐类计算随机图三角形的精确方差、有限分布和密度极限。 进一步按共享边分类,证明精确方差 Var T = ( n 3 ) p 3 ( 1 − p 3 ) + 12 ( n 4 ) p 5 ( 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 p 3 ;按图核同态密度 公理库 图核与三角形密度连续性 Graphon · 图极限核 · Triangle counting continuity 把稠密图写成单位正方形上的对称可测核,以割范数控制三角形密度,并区分同边密度的常值与二部模型。 归一化则是 6 T / n 3 ,有限规模下需保留与 T / ( n 3 ) 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 − 1 N − 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 公理库 概率方法 Probabilistic method 通过证明随机选取对象具有正概率满足性质来推出确定性对象存在。 中最基本的随机组合对象。一阶矩 公理库 一阶矩方法 First moment method 用坏事件计数的期望小于一或 Markov 型界证明好对象存在。 可排除稀有坏结构,二阶矩 公理库 二阶矩方法 Second moment method 从非负变量的二阶矩证明正概率与相对集中,并逐类计算随机图三角形的精确方差、有限分布和密度极限。 处理多个候选结构间的依赖,图连通性 公理库 图连通性 Graph connectivity 用顶点间是否存在路径定义无向图的连通性,并由此划分连通分量。 、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 公理库 矩阵 Bernstein 不等式 Matrix Bernstein inequality · 矩阵伯恩斯坦不等式 用逐项谱范数与矩阵方差控制独立中心化 Hermitian 矩阵和,借助 Lieb 凹性完成非交换指数矩证明,并计算随机图邻接矩阵的统一方向误差。 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.