网络科学导论 Introduction to Network Science 课程代码 INFO130189 编写时间20194 课程名称 网络科学导论(双语教学) 英文名称 Introduction to network science 学分数 周学时 任课教师 课程负责人 李聪 开课院系 信息学院电子工程系 预修课程 高等数学,概率论,线性代数,C语言 课程性质 本科生专业选修课程 教学目标 从 Internet到WWW、从无线通信网络、大型电力网络到全球交通网络、从生物体中的大 脑、各种新陈代谢网络到到各种经济、政治、社会关系网络等,人们的社会经济活动和日常生 活都在一个充满着各种各样的复杂网络的世界中进行。复杂网络理论所要研究的是各种看上去 互不相同的复杂网络之间的共性和处理它们的普适方法。从20世纪末开始,复杂网络研究正渗 透到从数理学科到生命学科和信息工程学科等众多不同的领域,对复杂网络的定量与定性特征 的科学理解己成为网络时代科学研究中一个极其重要的挑战性课题。本课程将采用全英语教 学,力求以理工科本科生能够理解的方式介绍以复杂网络理论为代表的网络科学的基本概念 基本理论、基本算法及其实际应用,其中包括授课人自己的一些研究工作。主要目的是让学生 通过本课程的学习能了解复杂网络系统学科的基本体系,掌握复杂网络理论的基本概念,培养 学生对网络科学的兴趣。 教材和教学参考资料 作者 教材或参考资料名称 出版社出版年月 Linked: The New Science of Perseus A L. Barabasi 2002 Networks Publishing Small Worlds: The dynamics of Princeton D.J. Watts networks between order and University G Caldarelli A. Large scale structure and dynamics World 2007 of complex networks Scale-free Networks: Complex webs Oxford G Caldarelli in natural, technological, and socialUniversity 2005 Press
网络科学导论 Introduction to Network Science 课程代码 INFO130189 编写时间 2019.4 课程名称 网络科学导论（双语教学） 英文名称 Introduction to Network Science 学分数 2 周学时 2 任课教师 /课程负责人 李聪 开课院系 信息学院电子工程系 预修课程 高等数学，概率论，线性代数，C 语言 课程性质： 本科生专业选修课程 教学目标： 从 Internet 到 WWW、从无线通信网络、大型电力网络到全球交通网络、从生物体中的大 脑、各种新陈代谢网络到到各种经济、政治、社会关系网络等，人们的社会经济活动和日常生 活都在一个充满着各种各样的复杂网络的世界中进行。复杂网络理论所要研究的是各种看上去 互不相同的复杂网络之间的共性和处理它们的普适方法。从 20 世纪末开始，复杂网络研究正渗 透到从数理学科到生命学科和信息工程学科等众多不同的领域，对复杂网络的定量与定性特征 的科学理解已成为网络时代科学研究中一个极其重要的挑战性课题。本课程将采用全英语教 学，力求以理工科本科生能够理解的方式介绍以复杂网络理论为代表的网络科学的基本概念、 基本理论、基本算法及其实际应用，其中包括授课人自己的一些研究工作。主要目的是让学生 通过本课程的学习能了解复杂网络系统学科的基本体系，掌握复杂网络理论的基本概念，培养 学生对网络科学的兴趣。 教材和教学参考资料 作者 教材或参考资料名称 出版社 出版年月 A.L. Barabasi Linked: The New Science of Networks Perseus Publishing 2002 D.J. Watts Small Worlds: The dynamics of networks between order and randomness Princeton University Press 1999 G Caldarelli, A. Vespignani Large scale structure and dynamics of complex networks World Scientific 2007 G. Caldarelli Scale-free Networks: Complex webs in natural, technological, and social sciences Oxford University Press 2005
S. Bornholdt, H.G. Handbook of Graphs and Networks: Wiley VCH 2003 Schuster From the genome to the internet 汪小帆,李翔,陈关荣 复杂网络:理论及其应用 清华大学出版 2006 社 教学进度安排: 教学内容安排:教学32,课堂小组讨论4,共计36个学时,2学分。双语教学 第一章网络新科学的发展简史与基本概念(4学时) 本章的教学重点在于让学生了解网络科学的发展历程和各个阶段的主要代表性理论,了解网 络新科学的创新突破及其对信息科学等诸多领域的重大影响,让学生理解图论和随机图论的一些 基本概念,着重掌握刻画复杂网络系统结构的主要度量的概念 掌握内容 网络科学的各个发展阶段及其意义; 网络科学理论体系的历史 网络度量基本概念 讲课要点 1-1从七桥问题到随机图 1-2六度分离理论和小世界实验(信函和电子邮件) 1-3刻画小世界和无标度网络的基本度量体系 1-4复杂网络的社团结构和模块性,相关特性,介数和中心度等概念 第二章网络演化模型(6学时) 本章的教学重点在于让学生掌握随机网络ER模型、小世界网络的WS和NW模型、无标度 网络的BA模型、局域世界模型,让学生了解各个代表性网络模型的主要结构特性,并结合实际 网络事例来让学生理解小世界、无标度、局域世界等典型的复杂网络结构性质 掌握内容 随机网络模型及其特性 小世界网络模型及其特性 无标度网络模型及其特性 局域世界网络模型及其特性 现实网络的小世界、无标度、局域世界性质 讲课要点 2-1随机网络ER模型 2-2小世界现象与WS、NW小世界模型 2-3无标度网络及其鲁棒而又脆弱性 24局域世界模型及其性质
S. Bornholdt, H.G. Schuster Handbook of Graphs and Networks: From the Genome to the Internet Wiley VCH 2003 汪小帆，李翔，陈关荣 复杂网络：理论及其应用 清华大学出版 社 2006 教学进度安排： 教学内容安排：教学 32，课堂小组讨论 4，共计 36 个学时，2 学分。双语教学 第一章 网络新科学的发展简史与基本概念（4 学时） 本章的教学重点在于让学生了解网络科学的发展历程和各个阶段的主要代表性理论，了解网 络新科学的创新突破及其对信息科学等诸多领域的重大影响，让学生理解图论和随机图论的一些 基本概念，着重掌握刻画复杂网络系统结构的主要度量的概念。 掌握内容 网络科学的各个发展阶段及其意义； 网络科学理论体系的历史； 网络度量基本概念。 讲课要点 1-1 从七桥问题到随机图 1-2 六度分离理论和小世界实验（信函和电子邮件） 1-3 刻画小世界和无标度网络的基本度量体系 1-4 复杂网络的社团结构和模块性，相关特性，介数和中心度等概念 第二章 网络演化模型（6 学时） 本章的教学重点在于让学生掌握随机网络 ER 模型、小世界网络的 WS 和 NW 模型、无标度 网络的 BA 模型、局域世界模型，让学生了解各个代表性网络模型的主要结构特性，并结合实际 网络事例来让学生理解小世界、无标度、局域世界等典型的复杂网络结构性质。 掌握内容 随机网络模型及其特性 小世界网络模型及其特性； 无标度网络模型及其特性； 局域世界网络模型及其特性 现实网络的小世界、无标度、局域世界性质； 讲课要点 2-1 随机网络 ER 模型 2-2 小世界现象与 WS、NW 小世界模型 2-3 无标度网络及其鲁棒而又脆弱性 2-4 局域世界模型及其性质
实验一〔必做):编程实现ER随机网络模型、wS小世界网络模型、BA无标度网络模型, 要求生成规模3000,平均度为4的上述三种网络,并画出其度分布曲线。 第三章网络搜索算法(2学时) 本章的教学重点在于让学生了解网络的信息搜索原理,学习几种典型的网络搜索策略,掌握 其各自的优缺点,了解 Google的 PageRank算法的基本思想,掌握网络的结枃特征对于搜索策略 效率的重要性。 掌握内容 网络搜索的的意义 几种典型的网络搜索策略 PageRank算法的基本思想 讲课要点 3-1 Kleinberg小世界网络的搜索算法 3-2广度优先、随机游走和最大度搜索策略 3 PageRank算法 第四章实际网络的结构特征与建模(4学时) 本章的教学重点在于让学生了解实际网络的结构特征和建模方法,以互联网和脑功能网络为 例进行介绍。期望学生了解互联网的发展过程,了解在不同时期人们对于互联网的结构特征的认 识和建模理论,掌握互联网的复杂网络特征及其对于互联网性能的影响,理解互联网拓扑发生器 的原理,并掌握其基本算法。了解脑功能网络基本特性,以及现有的硏究基础,掌握构建脑网络 模型的方法以及模型特性分析。 掌握内容 互联网的发展历程 互联网在不同尺度下的复杂网络特征 不同阶段的互联网拓扑发生器 基于连接度的互联网拓扑发生器 脑功能网络的基本概念 脑功能网络的结构特征与人类疾病的关系 脑功能网络模型的构建 讲课要点 4-1互联网的发展阶段及其结构特征 4-2互联网随机图和结构产生器 4-3互联网的AB模型和多局域世界模型 4-4脑功能网络的基本概念和特性 4-5脑功能网络模型的构建及性能分析
实验一（必做）：编程实现 ER 随机网络模型、WS 小世界网络模型、BA 无标度网络模型， 要求生成规模 3000，平均度为 4 的上述三种网络，并画出其度分布曲线。 第三章 网络搜索算法（2 学时） 本章的教学重点在于让学生了解网络的信息搜索原理，学习几种典型的网络搜索策略，掌握 其各自的优缺点，了解 Google 的 PageRank 算法的基本思想，掌握网络的结构特征对于搜索策略 效率的重要性。 掌握内容 网络搜索的的意义 几种典型的网络搜索策略 PageRank 算法的基本思想 讲课要点 3-1 Kleinberg 小世界网络的搜索算法 3-2 广度优先、随机游走和最大度搜索策略 3-3 PageRank 算法 第四章 实际网络的结构特征与建模（4 学时） 本章的教学重点在于让学生了解实际网络的结构特征和建模方法，以互联网和脑功能网络为 例进行介绍。期望学生了解互联网的发展过程，了解在不同时期人们对于互联网的结构特征的认 识和建模理论，掌握互联网的复杂网络特征及其对于互联网性能的影响，理解互联网拓扑发生器 的原理，并掌握其基本算法。了解脑功能网络基本特性，以及现有的研究基础，掌握构建脑网络 模型的方法以及模型特性分析。 掌握内容 互联网的发展历程 互联网在不同尺度下的复杂网络特征 不同阶段的互联网拓扑发生器 基于连接度的互联网拓扑发生器 脑功能网络的基本概念 脑功能网络的结构特征与人类疾病的关系 脑功能网络模型的构建 讲课要点 4-1 互联网的发展阶段及其结构特征 4-2 互联网随机图和结构产生器 4-3 互联网的 AB 模型和多局域世界模型 4-4 脑功能网络的基本概念和特性 4-5 脑功能网络模型的构建及性能分析
第五章时间序列分析(2学时) 本章的教学重点在于让学生了解基于网络的时间序列的分析方法,掌握几类典型的时间序列 构成网络的方法,了解如何通过时间序列分析进行疾病预测 掌握内容 时间序列的基本概念 基于网络的时间序列分析方法 网络模体的概念 讲课要点 5-1时间序列的基本概念 5-2基于网络的时间序列分析方法 5-3网络的模体结构 54心脏病室颤预判的应用 第六章网络的演化博弈(4学时 本章的教学重点在于让学生了解博弈的基本概念,掌握博弈中策略、收益矩阵、均衡的概念 网络博弈的分析方法 掌握内容 博弈的基本概念 基本的博弈模型,如囚徒困境、雪堆博弈(SG)、资源分配等 基本的博弈策略,包括TFT,GTFT,WSLS等 合作演化的规则 网络博弈 讲课要点 6-1博弈的基本概念,包括合作、背叛、收益矩阵、纳什均衡等 6-2囚徒困境、雪堆博弈(SG)、资源分配等博弈模型 6-3几类免疫博弈策略TFT,GTFT,WSLS的关系 64合作演化的五个原则 6-5网络博奔的应用 第七章网络传播理论(5学时) 本章的教学重点在于让学生了解网络的信息传播原理,掌握基本的计算机病毒的传染模型 了解不同的网络结构对于传播临界值的影响,掌握基本的沙堆模型,了解网络上发生信息流拥塞 的连锁故障原理。 掌握内容 计算机病毒的SIS传染模型 小世界网络和无标度网络的传染临界值 BTW沙堆模型
第五章 时间序列分析（2 学时） 本章的教学重点在于让学生了解基于网络的时间序列的分析方法，掌握几类典型的时间序列 构成网络的方法，了解如何通过时间序列分析进行疾病预测 掌握内容 时间序列的基本概念 基于网络的时间序列分析方法 网络模体的概念 讲课要点 5-1 时间序列的基本概念 5-2 基于网络的时间序列分析方法 5-3 网络的模体结构 5-4 心脏病室颤预判的应用 第六章 网络的演化博弈（4 学时） 本章的教学重点在于让学生了解博弈的基本概念，掌握博弈中策略、收益矩阵、均衡的概念， 网络博弈的分析方法 掌握内容 博弈的基本概念， 基本的博弈模型，如囚徒困境、雪堆博弈（SG）、资源分配等 基本的博弈策略，包括 TFT，GTFT，WSLS 等 合作演化的规则 网络博弈 讲课要点 6-1 博弈的基本概念，包括合作、背叛、收益矩阵、纳什均衡等 6-2 囚徒困境、雪堆博弈（SG）、资源分配等博弈模型 6-3 几类免疫博弈策略 TFT，GTFT，WSLS 的关系 6-4 合作演化的五个原则 6-5 网络博弈的应用 第七章 网络传播理论（5 学时） 本章的教学重点在于让学生了解网络的信息传播原理，掌握基本的计算机病毒的传染模型， 了解不同的网络结构对于传播临界值的影响，掌握基本的沙堆模型，了解网络上发生信息流拥塞 的连锁故障原理。 掌握内容 计算机病毒的 SIS 传染模型 小世界网络和无标度网络的传染临界值 BTW 沙堆模型
讲课要点 7-1传播过程中的网络状态 7-2网络的SIS传染模型 7-3小世界网络和无标度网络的传染临界值 7-4中继故障的沙堆模型 7-5网络鲁棒性和脆弱性分析 实验二(选做)ε根据互联网拓扑发生器的AB模型生成一个规模为3000,平均度为4的模拟 网络,并在第三、五章中任选一种搜索策略、SIS模型或BTW模型来进一步观察相应的性质。 第八章同步与网络同步(5学时 本章的教学重点在于让学生理解同步现象的广泛存在和重要意义,掌握的主-从同步方法的基 本思想,了解网络中的同步原理,掌握网络同步能力的概念以及不同的网络结构对于同步能力的 影响。 掌握内容 同步现象 两个系统之间的主从同步方法 网络中各个子系统之间的同步原理 网络的同步能力 讲课要点 8-1信息科学领域的各种同步现象 8-2主-从同步方法 8-3网络中的同步现象及其同步原理 84网络同步能力的刻画 课时安排 大纲规定的课堂教学课时为36学时,其中第一章“网络新科学的发展简史及其基本概念”为 4学时,第二章“网络演化模型”为6学时,第三章“网络搜索算法”为2学时,第四章“实际 网络的结构特征与建模”为4学时,第五章“时间序列分析”为2学时,第六章“网络的演化博 弈”为4学时,第七章“网络传播理论”为5学时,第八章“同步与网络同步”5个学时,安排 4个学时作为课堂由学生分组讨论并演示。实际学时分配可根据实际情况略做调整 本课程另安排实验两个,由学生课后完成 考核方式 实验报告20%+课堂表现(作报告和讨论)和作业30%+课程论文50%
讲课要点 7-1 传播过程中的网络状态 7-2 网络的 SIS 传染模型 7-3 小世界网络和无标度网络的传染临界值 7-4 中继故障的沙堆模型 7-5 网络鲁棒性和脆弱性分析 实验二（选做）：根据互联网拓扑发生器的 AB 模型生成一个规模为 3000，平均度为 4 的模拟 网络，并在第三、五章中任选一种搜索策略、SIS 模型或 BTW 模型来进一步观察相应的性质。 第八章 同步与网络同步（5 学时） 本章的教学重点在于让学生理解同步现象的广泛存在和重要意义，掌握的主-从同步方法的基 本思想，了解网络中的同步原理，掌握网络同步能力的概念以及不同的网络结构对于同步能力的 影响。 掌握内容 同步现象 两个系统之间的主-从同步方法 网络中各个子系统之间的同步原理 网络的同步能力 讲课要点 8-1 信息科学领域的各种同步现象 8-2 主-从同步方法 8-3 网络中的同步现象及其同步原理 8-4 网络同步能力的刻画 课时安排 大纲规定的课堂教学课时为 36 学时，其中第一章“网络新科学的发展简史及其基本概念”为 4 学时，第二章“网络演化模型”为 6 学时，第三章“网络搜索算法”为 2 学时，第四章“实际 网络的结构特征与建模”为 4 学时，第五章“时间序列分析”为 2 学时，第六章“网络的演化博 弈”为 4 学时， 第七章“网络传播理论”为 5 学时，第八章“同步与网络同步”5 个学时，安排 4 个学时作为课堂由学生分组讨论并演示。实际学时分配可根据实际情况略做调整。 本课程另安排实验两个，由学生课后完成。 考核方式： 实验报告 20% + 课堂表现（作报告和讨论）和作业 30%+ 课程论文 50%
课程网络资源: 参见 Learing 教师教学、科研情况简介 李聪,女,复旦大学信息科学与工程学院电子工程系副研究员,硕士生导师。2014年获得荷兰代 尔夫特理工大学博士学位。主要研究领域:网络描述及性能分析、网络动力学图谱分析、网络设 计等,现主持1项国家自然科学基金青年基金项目,1项上海市自然科学基金项目,国家自然科学 基金重点项目(子课题负责人)。在国际期刊和会议论文集发表SCEI论文20多篇,出版中英文 专著1部,为1本国际学术专著撰写书章,1本合著获得国家科学技术学术著作基金(待出版)。现 担任 NetSci China Chapter副秘书长,中国中医药信息学会中医诊断信息分会常务理事,中国工业 与应用数学学会复杂系统与复杂网络专委会委员,中国指挥与控制学会网络科学与工程专委会委 员,上海市自动化学会自动化理论专委会秘书等。担任多本SCI期刊审稿人工作 李翔,男,复旦大学信息科学与工程学院电子工程系教授,博士生导师,国家杰出青年基金获得 者,国家“万人计划”领军人才,上海市领军人才,上海市优博/优硕导师。现任复旦大学学术规 范委员会委员,复旦大学电子科学与技术博士后流动站长,复旦大学信息科学与工程学院智慧网 络与系统研究中心主任,复旦大学信息科学与工程学院学术委员会委员。主要研究方向:复杂网 络理论与应用,多自主体系统控制理论与应用,时间序列分析与移动健康个性化系统等。在复杂 网络科学领域出版学著4部和国际权威SCI期刊论文80余篇,获同行引用超5000次。现任国际期刊 复杂网络期刊( Journal of complex networks)副主编、 IEEE Circuits and Systems Society Newsletters 副主编, IEEE Transactions on Network Science and engineering客座主编等。现任中国工业与应用 数学学会复杂网络与系统控制专业委员会副主任,上海市自动化学会自动化理论专委会主任等。 获国家自然科学二等奖,IEE电路与系统学会 Guillemin- Cauer奖、上海市自然科学一等奖、上海 市第五届十大青年科技英才、中国自动化学会首届青年科学家奖等
课程网络资源： 参见 Elearing 教师教学、科研情况简介： 李聪，女，复旦大学信息科学与工程学院电子工程系副研究员，硕士生导师。2014年获得荷兰代 尔夫特理工大学博士学位。主要研究领域：网络描述及性能分析、网络动力学图谱分析、网络设 计等，现主持1项国家自然科学基金青年基金项目，1项上海市自然科学基金项目，国家自然科学 基金重点项目（子课题负责人）。在国际期刊和会议论文集发表SCI/EI论文20多篇，出版中英文 专著1部，为1本国际学术专著撰写书章，1本合著获得国家科学技术学术著作基金（待出版）。现 担任NetSci China Chapter副秘书长，中国中医药信息学会中医诊断信息分会常务理事，中国工业 与应用数学学会复杂系统与复杂网络专委会委员，中国指挥与控制学会网络科学与工程专委会委 员，上海市自动化学会自动化理论专委会秘书等。担任多本SCI期刊审稿人工作。 李翔，男，复旦大学信息科学与工程学院电子工程系教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得 者，国家“万人计划”领军人才，上海市领军人才，上海市优博/优硕导师。现任复旦大学学术规 范委员会委员，复旦大学电子科学与技术博士后流动站长，复旦大学信息科学与工程学院智慧网 络与系统研究中心主任，复旦大学信息科学与工程学院学术委员会委员。主要研究方向：复杂网 络理论与应用，多自主体系统控制理论与应用，时间序列分析与移动健康个性化系统等。在复杂 网络科学领域出版学著4部和国际权威SCI期刊论文80余篇，获同行引用超5000次。现任国际期刊 复杂网络期刊（Journal of complex networks）副主编、IEEE Circuits and Systems Society Newsletters 副主编，IEEE Transactions on Network Science and Engineering客座主编等。现任中国工业与应用 数学学会复杂网络与系统控制专业委员会副主任，上海市自动化学会自动化理论专委会主任等。 获国家自然科学二等奖，IEEE电路与系统学会Guillemin-Cauer奖、上海市自然科学一等奖、上海 市第五届十大青年科技英才、中国自动化学会首届青年科学家奖等