Dimensionality reduction and spectral properties of multilayer networks

Network representations are useful for describing the structure of a large variety of complex systems. Although most studies of real-world networks suppose that nodes are connected by only a single type of edge, most natural and engineered systems include multiple subsystems and layers of connectivity. This new paradigm has attracted a great deal of attention and one fundamental challenge is to characterize multilayer networks both structurally and dynamically. One way to address this question is to study the spectral properties of such networks. Here, we apply the framework of graph quotients, which occurs naturally in this context, and the associated eigenvalue interlacing results, to the adjacency and Laplacian matrices of undirected multilayer networks. Specifically, we describe relationships between the eigenvalue spectra of multilayer networks and their two most natural quotients, the network of layers and the aggregate network, and show the dynamical implications of working with either of the two simplified representations. Our work thus contributes in particular to the study of dynamical processes whose critical properties are determined by the spectral properties of the underlying network.Comment: minor changes; pre-published versio

Multiplex Networks Structure and Dynamics

Los estudios tradicionales en teoría de redes complejas, en general, representan la interacción entre dos elementos del sistema a través de un solo enlace. Esta representación resulta ser una simplificación excesiva en la mayoría de los casos de interés práctico y puede llevar a resultados y conclusiones engañosas. Esto se debe a que la mayoría de los sistemas reales poseen una estructura multicapa, ya que en una gran cantidad de casos de estudio reales existen muchos tipos distintos de interacción entre los constituyentes del sistema. Por ejemplo, un sistema de transporte está constituido por múltiples modos de viajes; un sistema biológico incluye múltiples canales de señalización que operan en paralelo; finalmente, una red social está constituida por múltiples tipos de relaciones distintas (de trabajo, de amistad, de parentesco, etc.) que operan vía distintos modos de comunicación en paralelo (en línea, o desconectados). Para representar de manera apropiada estos sistemas, años atrás se introdujo la noción de redes multiplex en campos tan distintos como la ingeniería y la sociología, al mismo tiempo que los instrumentos analíticos desarrollados para describirlas y analizarlas fueron muy escasos. Esta escasez se debía fundamentalmente a un aspecto: aunque muchas características y métricas de las redes tradicionales (de una sola capa) están bien definidas en la teoría tradicional de redes complejas, resulta muy desafiante generalizarlas al caso de redes multicapa, incluso para aquellas que son más simples. El interés por nuevos desarrollos teóricos para es estudio en profundidad de las redes multiplex, por lo tanto, ha ido creciendo sólo en los últimos años, gracias sobre todo a la gran cantidad de datos disponibles sobre sistemas reales que necesitan de una representación multicapa si se quieren describir y entender en profundidad. En esta Tesis desarrollamos un lenguaje matemático formal para representar la redes multiplex en términos de la teoría algébrica de grafos. En particular, introducimos la noción de matriz de supra-adyacencia como generalización de la matriz de adyacencia definida en el caso de una red de una sola capa. Así mismo definimos el supra-Laplaciano de una red multiplex como generalización del Laplaciano. También, se propone una representación agregada de una red multiplex a través de la noción de grafo cociente. Esto permite asociar a la red multiplex original, un grafo de una sola capa en el cual se agregan los distintos tipos de interacciones presentes. Por un lado, a través de este procedimiento se introduce una manera bien definida de agregar capas, y por otro, también permite definir otra red, formada por las capas, que contiene toda la información relativa a la interacción entre las mismas. La importancia de las nuevas definiciones radica en que, gracias a ellas, podemos utilizar algunos teoremas y resultados de teoría espectral de grafos y sus respectivos cocientes para estudiar propiedades espectrales de redes múltiplex y su representación agregada. Finalmente, también introducimos la noción de matriz de caminos asociados a una red multiplex. En una red de una sola capa un camino es una sucesión de nodos adyacentes. En una red multiplex pueden existir distintas nociones de caminos dependiendo de la manera en que se quieran tratar los enlaces entre capas. Dada una noción de camino, a esta resultará asociada una matriz de caminos. Una vez desarrollado el lenguaje formal apto a describir una red multicapa, afrontamos el problema de la generalización de algunas medidas estructurales. En particular tratamos el caso del coeficiente de agrupamiento (tanto local como global) y la centralidad de un subgrafo. Aunque ya existían en la literatura algunas propuestas de generalización del coeficiente de agrupamiento, la mayoría de estas resultaban ser definiciones ad hoc con respecto a casos de estudios particulares, o directamente mal definidas. Las distintas medidas que proponemos en estas tesis son muy generales, bien normalizadas y se reducen a la tradicional medida de coeficiente de agrupamiento para redes de una sola capa cuando el número de capas es uno. En cuanto a la centralidad de subgrafos, utilizamos este caso particular para demonstrar la utilidad de construir sobre nociones básicas (como es la de camino) a la hora de generalizar medidas estructurales.\\ Por otro lado, mucha información respecto a la organización estructural de una red (ya sea multicapa o de una sola capa) está codificada en el espectro de la matriz de adyacencia a ella asociada así como en el del Laplaciano. Por esta razón, estudiamos las propiedades espectrales tanto de la matriz de supra-adyacencia como del supra-Laplaciano. En particular, con respecto a la matriz de supra-adyacencia, estudiamos su autovalor máximo. Éste resulta de interés ya que está en la base de medidas topológicas como la entropía de ensemble de los caminos, así como del estudio de las propiedades críticas de algunos procesos dinámicos. Por ejemplo, el valor crítico del parámetro de difusión en un modelo de propagación epidemias depende del autovalor máximo de la matriz de adyacencia. Para el estudio de este autovalor utilizamos técnicas perturbativas. Podemos definir una capa que llamamos dominante, que será aquella que tenga el mayor autovalor máximo de la matriz de adyacencia asociada a la misma. El autovalor máximo de la matriz de supra-adyacencia resulta ser igual al autovalor máximo de la capa dominante al primer orden perturbativo. Además, la corrección de segundo orden es dependiente de las correlaciones entre nodos que representan el mismo objecto en distintas capas distintas. Adicionalmente, aprovechando los resultados conocidos que relacionan el espectro de un grafo cociente con aquel de su grafo padre, estudiamos el espectro de una red multicapa a partir de su representación agregada. En particular, demostramos que los autovalores del Laplaciano de la red de capas son un subconjunto de los autovalores del supra-Laplaciano de la red multicapa, cuando todos los nodos participan en todos las capas. Este resultado nos permite estudiar la conectividad algébrica de la red multicapa, o sea el primer autovalor no-nulo y obtener algunos resultados tanto exactos como perturbativos sobre este. En concreto, las transiciones estructurales en redes multicapa son de gran interés. En esta tesis presentamos una teoría de estas transiciones que se deriva por completo de la noción de grafo cociente. Finalmente, presentamos un modelo de contagio social y estudiamos la existencia de estados meta-estables macroscópicos en los cuales una fracción finita de nodos resultan contagiados. La existencia de una capa dominante hace que sea esta la que determine el valor crítico del contagio, definido como el valor de este parámetro a partir del cual existe un estado macroscopico de la infección (también para las capas no-dominantes). Este resultado se derivada utilizando el método perturbativo para calcular el autovalor máximo de la matriz de supra-adyacencia. Simulaciones numéricas del modelo confirman los resultados analíticos. Para terminar, en el presente trabajo exponemos nuestras conclusiones a manera de resumen por un lado, y por otra, discutiendo cuáles son los aspectos que a nuestro criterio, podrían ser de interés para futuras investigaciones en este tema

On degree-degree correlations in multilayer networks

We propose a generalization of the concept of assortativity based on the tensorial representation of multilayer networks, covering the definitions given in terms of Pearson and Spearman coefficients. Our approach can also be applied to weighted networks and provides information about correlations considering pairs of layers. By analyzing the multilayer representation of the airport transportation network, we show that contrasting results are obtained when the layers are analyzed independently or as an interconnected system. Finally, we study the impact of the level of assortativity and heterogeneity between layers on the spreading of diseases. Our results highlight the need of studying degree-degree correlations on multilayer systems, instead of on aggregated networks.Comment: 8 pages, 3 figure

A polynomial eigenvalue approach for multiplex networks

We explore the block nature of the matrix representation of multiplex networks, introducing a new formalism to deal with its spectral properties as a function of the inter-layer coupling parameter. This approach allows us to derive interesting results based on an interpretation of the traditional eigenvalue problem. More specifically, we reduce the dimensionality of our matrices but increase the power of the characteristic polynomial, i.e, a polynomial eigenvalue problem. Such an approach may sound counterintuitive at first glance, but it allows us to relate the quadratic problem for a 2-Layer multiplex system with the spectra of the aggregated network and to derive bounds for the spectra, among many other interesting analytical insights. Furthermore, it also permits to directly obtain analytical and numerical insights on the eigenvalue behavior as a function of the coupling between layers. Our study includes the supra-adjacency, supra-Laplacian, and the probability transition matrices, which enable us to put our results under the perspective of structural phases in multiplex networks. We believe that this formalism and the results reported will make it possible to derive new results for multiplex networks in the future.Comment: 15 pages including figures. Submitted for publicatio

Layer degradation triggers an abrupt structural transition in multiplex networks

Network robustness is a central point in network science, both from a theoretical and a practical point of view. In this paper, we show that layer degradation, understood as the continuous or discrete loss of links' weight, triggers a structural transition revealed by an abrupt change in the algebraic connectivity of the graph. Unlike traditional single layer networks, multiplex networks exist in two phases, one in which the system is protected from link failures in some of its layers and one in which all the system senses the failure happening in one single layer. We also give the exact critical value of the weight of the intra-layer links at which the transition occurs for continuous layer degradation and its relation to the value of the coupling between layers. This relation allows us to reveal the connection between the transition observed under layer degradation and the one observed under the variation of the coupling between layers.Comment: 8 pages, and 8 figures in Revtex style. Submitted for publicatio

A complex network framework to model cognition: unveiling correlation structures from connectivity

Several approaches to cognition and intelligence research rely on statistics-based model testing, namely, factor analysis. In the present work, we exploit the emerging dynamical system perspective putting the focus on the role of the network topology underlying the relationships between cognitive processes. We go through a couple of models of distinct cognitive phenomena and yet find the conditions for them to be mathematically equivalent. We find a nontrivial attractor of the system that corresponds to the exact definition of a well-known network centrality and hence stresses the interplay between the dynamics and the underlying network connectivity, showing that both of the two are relevant. Correlation matrices evince there must be a meaningful structure underlying real data. Nevertheless, the true architecture regarding the connectivity between cognitive processes is still a burning issue of research. Regardless of the network considered, it is always possible to recover a positive manifold of correlations. Furthermore, we show that different network topologies lead to different plausible statistical models concerning the correlation structure, ranging from one to multiple factor models and richer correlation structures

Round-Robin is Optimal: Lower Bounds for Group Action Based Protocols

An hard homogeneous space (HHS) is a finite group acting on a set with the group action being hard to invert and the set lacking any algebraic structure. As such HHS could potentially replace finite groups where the discrete logarithm is hard for building cryptographic primitives and protocols in a post-quantum world. Threshold HHS-based primitives typically require parties to compute the group action of a secret-shared input on a public set element. On one hand this could be done through generic MPC techniques, although they incur in prohibitive costs due to the high complexity of circuits evaluating group actions known to date. On the other hand round-robin protocols only require black box usage of the HHS. However these are highly sequential procedures, taking as many rounds as parties involved. The high round complexity appears to be inherent due the lack of homomorphic properties in HHS, yet no lower bounds were known so far. In this work we formally show that round-robin protocols are optimal. In other words, any at least passively secure distributed computation of a group action making black-box use of an HHS must take a number of rounds greater or equal to the threshold parameter. We furthermore study fair protocols in which all users receive the output in the same round (unlike plain round-robin), and prove communication and computation lower bounds of $\Omega(n \log_2 n)$ for $n$ parties. Our results are proven in Shoup\u27s Generic Action Model (GAM), and hold regardless of the underlying computational assumptions

Disease Localization in Multilayer Networks

We present a continuous formulation of epidemic spreading on multilayer networks using a tensorial representation, extending the models of monoplex networks to this context. We derive analytical expressions for the epidemic threshold of the SIS and SIR dynamics, as well as upper and lower bounds for the disease prevalence in the steady state for the SIS scenario. Using the quasi-stationary state method we numerically show the existence of disease localization and the emergence of two or more susceptibility peaks, which are characterized analytically and numerically through the inverse participation ratio. Furthermore, when mapping the critical dynamics to an eigenvalue problem, we observe a characteristic transition in the eigenvalue spectra of the supra-contact tensor as a function of the ratio of two spreading rates: if the rate at which the disease spreads within a layer is comparable to the spreading rate across layers, the individual spectra of each layer merge with the coupling between layers. Finally, we verified the barrier effect, i.e., for three-layer configuration, when the layer with the largest eigenvalue is located at the center of the line, it can effectively act as a barrier to the disease. The formalism introduced here provides a unifying mathematical approach to disease contagion in multiplex systems opening new possibilities for the study of spreading processes.Comment: Revised version. 25 pages and 18 figure