Community detection is a classic problem in network science with extensive applications in various fields. Among numerous approaches, the most common method is modularity maximization. Despite their design philosophy and wide adoption, heuristic modularity maximization algorithms rarely return an optimal partition or anything similar. We propose a specialized algorithm, Bayan, which returns partitions with a guarantee of either optimality or proximity to an optimal partition. At the core of the Bayan algorithm is a branch-and-cut scheme that solves an integer programming formulation of the modularity maximization problem to optimality or approximate it within a factor. We compare Bayan against 30 alternative community detection methods using structurally diverse synthetic and real networks. Our results demonstrate Bayan's distinctive accuracy and stability in retrieving ground-truth communities of standard benchmark graphs. Bayan is several times faster than open-source and commercial solvers for modularity maximization making it capable of finding optimal partitions for instances that cannot be optimized by any other existing method. Overall, our assessments point to Bayan as a suitable choice for exact maximization of modularity in real networks with up to 3000 edges (in their largest connected component) and approximating maximum modularity in larger instances on ordinary computers. A Python implementation of the Bayan algorithm (the bayanpy library) is publicly available through the package installer for Python (pip).


翻译:社群检测是网络科学中的经典问题,在多个领域具有广泛应用。在众多方法中,最常用的是模块度最大化。尽管启发式模块度最大化算法在设计理念上具有合理性并被广泛采用,但它们极少能返回最优划分或与其接近的划分。我们提出了一种专用算法Bayan,该算法返回的划分能保证最优性,或与最优划分的接近程度。Bayan算法的核心是分支-剪枝方案,该方案将模块度最大化问题转化为整数规划形式并求解至最优,或在一定因子范围内近似求解。我们将Bayan与30种替代社群检测方法在结构多样的合成网络和真实网络上进行了比较。结果表明,Bayan在恢复标准基准图的真实社群方面具有显著的准确性和稳定性。Bayan比用于模块度最大化的开源及商业求解器快数倍,因而能够找到其他现有方法无法优化的实例的最优划分。总体而言,我们的评估表明,Bayan是适用于在最大连通分量边数不超过3000的真实网络上精确最大化模块度,以及在普通计算机上近似最大化更大规模实例模块度的理想选择。Bayan算法的Python实现(bayanpy库)可通过Python包安装器(pip)公开获取。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
70+阅读 · 2022年6月30日
VIP会员
最新内容
《多域战场上反制小型无人机系统》150页
专知会员服务
14+阅读 · 今天7:47
战场人工智能:增强陆地作战能力的发现与要求
专知会员服务
3+阅读 · 今天7:37
以人工智能为中心的指挥控制
专知会员服务
3+阅读 · 今天7:14
《基于深度强化学习的反无人机技术研究》178页
专知会员服务
13+阅读 · 6月10日
“史诗怒火”行动与“AI中心战”模式的浮现
专知会员服务
14+阅读 · 6月10日
【CVPR2026教程】扩散模型的解析理解
专知会员服务
6+阅读 · 6月10日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员