Steven H. Strogatz的文章Exploring complex networks综述了动力学网络方面的研究。他把网络分成规则网络和复杂网络两种,而复杂网络分为随机网络,小世界网络和自相似网络。小世界网络和自相似网络都介于规则和随机网络之间。

自相似指的是这样一种性质,系统在不同尺度上看起来性质相同。小世界网络的定义就没有这么明确,只说它是规则和随机网络的中间物。这种不明确性可能来源于对它了解的缺乏。

在考虑网络特征的时候,【1】使用两个特征来衡量网络:

特征路径长度(characteristic path length):在网络中,任选两个节点,连同这两个节点的最少边数,定义为这两个节点的路径长度,网络中所有节点对的路径长度的平均值,定义为网络的特征路径长度。这是网络的全局特征。【2】

聚 合系数(clustering coefficient):假设某个节点有k个边,则这k条边连接的节点(k个)之间最多可能存在的边的个数为k(k-1)/2,用实际存在的边数除以最多可能存在的边数得到的分数值,定义为这个节点的聚合系数。所有节点的聚合系数的均值定义为网络的聚合系数。聚合系数是网络的局部特征,反映了相邻两个人之间朋友圈子的重合度,即该节点的朋友之间也是朋友的程度。【2】

对于规则网络,任意两个点(个体)之间的特征路径长度长(通过多少个体联系在一起),但聚合系数高(你是朋友的朋友的朋友的几率高)。对于随机网络,任意两个点之间的特征路径长度短,但聚合系数低。而小世界网络,点之间特征路径长度小,接近随机网络,而聚合系数依旧相当高,接近规则网络【1】。

【1】发现规则网络具有很高的聚合系数,大世界(large world,意思是特征路径长度很大),其特征路径长度随着n(网络中节点的数量)线性增长,而随机网络聚合系数很小,小世界(small world,意思是特征路径长度小),其特征路径长度随着log(n)增长。【1】中说明,在从规则网络向随机网络转换的过程中,实际上特征路径长度和聚合系数都会下降,到变成随机网络的时候,减少到最少。但这并不是说大的聚合系数一定伴随着大的路径长度,而小的路径长度伴随着小的聚合系数,小世界网络就具有大的聚合系数,而特征路径长度很小。试验表明【1】,少量的short cut的建立能够迅速减少特征路径长度,而聚合系数变化却不大,因为某一个short cut的建立,不仅影响到所连接的节点的特征路径长度,而且影响到他们邻居的路径长度,而对整个网络的聚合系数影响不大。这样,少量的short cut的建立就能使整个网络不知不觉地变成小世界网络。

实际的社会、生态、等网络都是小世界网络,在这样的系统里,信息传递速度快,并且少量改变几个连接,就可以剧烈地改变网络的性能,如对已存在的网络进行调整,如蜂窝电话网,改动很少几条线路,就可以显著提高性能。