社会科学问题研究的计算实践——3、极化关系下网络结构的稳定平衡性（计算实践：网络结构平衡性的判断）
计算实践：网络结构平衡性的判断
学习资源来自，一个哲学学生的计算机作业 (karenlyu21.github.io)
1、背景问题
本讲的主题是，社会网络在什么情况下是平衡的，什么情况下不是？
在一个社会中，两个人的关系可能是友善的，也可能是互相抱有敌意的。为了模拟这种现象，我们可以把社会网络中某两个节点之间的边，标注为正关系（友）或负关系（敌）。对于网络中的一个三角结构，我们就可以讨论它是否平衡。
- 平衡结构有以下两种。这在直观上也很好理解，如果三个人互为好友（左图），或者两个关系很好的人同时看不上第三个人（右图），是没有其他的因素打破这种关系的，这就可以长时间维持。
- 不平衡结构也是以下两种。如果两个人关系不好但有一个共同朋友（左图），这个共同朋友就很难做人，要么倒向其中一边，要么努力让他俩冰释前嫌。如果三个人互有敌意（右图），敌意稍轻的两个人就有动力联合起来，共同对付第三个人。
在一个社会网络中，如果所有三角关系都是平衡的，那么这个网络就是平衡的；否则，总有力量改变其中的某个三角关系，从而影响网络结构的平衡性。这个定义可以进一步操作化——结构平衡定理：
一个边标注完全图是平衡的，当且仅当它的所有边都是“＋”边或节点集能划分为两个子集，子集内部都是“＋”边，子集之间都是“－”边。
也就是说，这一网络要么全部是正关系，要么可以表示为如下的结构：
简单的归谬法就可以证明这一定理。如果左边的关系中存在负关系，设节点B和节点C之间为“－”边，那么ABC就是“＋＋－”的不稳定关系。如果右边的关系中存在正关系，设节点B和节点C之间为“＋”边，那么ABC就是“＋＋－”的不稳定关系。
可是，社会网络中并非所有节点之间都有边，不是所有边都身处一个或多个三角关系中，逐个考察三角关系的方法不再适用。对于不完全网络图，我们如此理解它的平衡状态：不会因为增加一条标注边，出现不可避免的不平衡三角子图。例如下图，当两个本无关系的人B和D，处在两个潜在的三角关系ABD和BCD中，ABD要求BD为“＋”关系，BCD要求BD为“－”关系。不管加上的BD边是什么，这幅图都会出现不平衡三角子图。
也就是说，一个平衡的不完全网络图，可以通过补充缺失的边（带极性），成为一个平衡的完全网络。根据结构平衡定理，平衡的不完全网络图的定义也可以进一步操作化：
若已有边不全是“＋”，则节点可以分成两组，组内边均为“＋”，跨组边均为“－”。
2、计算实践
2.1、作业描述与算法思路
接续上文，要判断不完全网络图是否平衡，我们已经有了一个操作化定理：
若已有边不全是“＋”，则节点可以分成两组，组内边均为“＋”，跨组边均为“－”。
但这距离算法化还有一定距离。为了算法化，我们还要进一步用到图论的知识：一个含有奇数个“－”的圈的节点不能被分成这样两组：每一组内部的关系都为“＋”，跨组的边均为“－”。
也就是说，如果图中存在一个含有奇数个“－”的圈，就没有可能将其节点安排到两个对立阵营中；反过来，若没有那样的圈，则总是可以将所有节点做两个阵营的划分。根据上述操作化定理，如果图中存在一个含有奇数个“－”的圈，该图就不平衡；反之就平衡。
为了更方便地判定网络中是否存在含有奇数个“－”的圈，我们可以整体考虑内部边均为“＋”的节点子集，因为它们并不会影响自己所在的圈有多少个“－”。把内部边均为“＋”的节点集合为一个“连通分量”，从而把网络简化为“简约图”。这样，简约图里所有的边都是“－”边。例如，下图左侧的不完全社会网络（红边为“＋”、黑边为“－”），就可以表示为右侧的简约图。
现在，我们只需要考虑简约图里有没有长度为奇数的圈。判定方式是“广度优先搜索”（Breadth First Search or BFS）。在下图的例子中，对左侧的图以节点G为起点做广度优先搜索，所有节点被归入到1–3层里。
从广度优先搜索的结果可以看到，圈的形成有两种方式：
- 下位节点（层数更高的节点）与两个上位同层节点都有边（如E与D、F都有边，形成圈GFED）。这种方式方式形成的是偶数边的圈；因为，每个边都是跨层边，对于一组相邻层（如层1和层2），这个圈都会跨两次（如DE和EF就跨了层1和层2两次，形成圈GFED）。
- 同层的两个节点之间有边（如AB，形成圈DEABC）。这种方式则会形成奇数边的圈，除了跨两次相邻层以外，这个圈还在层内有一条边（如AB，形成圈DEABC）。
这样，要判断不完全网络图是否平衡，我们只需要BFS结果中是否存在同层边。
2.2、编程实现与要点说明
首先，我们还是需要调用读取数据文件的函数，把邻接矩阵存储在一个numpy 2d-array array里。
def arrayGen(filename):
f = open(filename, 'r')
r_list = f.readlines() # 返回包含size行的列表, size 未指定则返回全部行
f.close()
A = []
for line in r_list:
if line == '\n':
continue
line = line.strip('\n')
line = line.strip() # 用于移除字符串头尾指定的字符（默认为空格或换行符）或字符序列，不能删除中间字符
row_list = line.split() # 通过指定分隔符对字符串进行切片
for k in range(len(row_list)):
row_list[k] = row_list[k].strip()
row_list[k] = int(row_list[k])
A.append(row_list)
n = len(A[0])
A = np.array(A)
return A, n
filename = input('请输入邻接矩阵文件名：')
array, n = arrayGen(filename)
一个数据文件的例子如下：
0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 1 -1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 -1 0 0 0 0 -1 0 -1 0 0 0 0 0 0
0 1 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 -1 0 -1 0 0 1 0 0 -1 0 0 0 0
0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 -1 0 0 0 0
0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 1 0 0 0
0 0 0 0 0 -1 0 -1 0 -1 0 0 -1 -1 0
0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 1 0 0 -1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 -1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 -1 0
第一步，我们先要把网络简化为简约图。先写一个函数cluster，找出节点i所处的连通分量group，其中所有边都是“＋”边。这个函数用到了递归，我先以i为起点，找到和它以“＋”边相连的节点j，再以j为起点做同样的操作（这其实也是“广度优先搜索”），直到找不到更多以“＋”边相连的节点。
def cluster(array, i, group): # group；连通分量
group.append(i)
for j in range(len(array)):
if j not in group:
if array[i][j] ==1:
cluster(array, j, group)
return group
循环调用cluster函数，每次的搜索起点是还未归入某一连通分量的节点，直到把网络中所有节点都归入某一连通分量。结果存储在groups中。
groups = []
cnt = 0
start = 0
rest = [i for i in range(n)]
while True:
groups.append([])
groups[cnt] = cluster(array, start, groups[cnt])
for j in groups[cnt]:
rest.remove(j)
if rest == []:
break
start = rest[0]
cnt += 1
print('连通分量如下：')
print(groups)
以下是一个输出结果的例子：
连通分量如下：
[[0, 1, 2, 4], [3], [5, 7], [6, 11, 8, 9, 12], [10], [13], [14]]
寻找连通分量的过程，并未一一检查内部的所有边。以特定次序找“＋”得出的节点集合，在另一种找边的次序中可能存在“－”边。因此我们还需要重新检查一下连通分量内部是否有“－”边。如果有的话，我们可以直接确定这一网络不平衡，因为这一连通分量内部有“＋＋－”的不稳定关系。
innerGroup = False
for group in groups:
for a in range(len(group)):
node1_1 = group[a]
if innerGroup == False:
for node1_2 in group[a+1:]:
if array[node1_1][node1_2] == -1:
innerGroup == True
break
if innerGroup == True:
print('*****连通分量内部有负边，该网络不平衡。*****')
print('*****该网络不是平衡网络。*****')
sys.exit(0)
如果连通分量内部没有“－”边，我们就可以使用groups的信息生成简约图array2。我们检查连通分量之间是否有边（只可能是“－”边），从而确定表示简约图的矩阵在每一格应该填什么。有边就填1，无边就填0。
array2 = np.zeros((cnt+1, cnt+1)) # 简约图
for i in range(len(groups)):
group = groups[i]
for j in range(i+1, len(groups)):
next = groups[j]
edgeExist = False
for node1 in group:
if edgeExist == True:
break
for node2 in next:
if array[node1][node2] == -1: # 有边
array2[i][j] == 1 # 定义有边为1
array2[j][i] = 1
edgeExist = True
break
print('简约网络图如下：')
print(array2)
输出如下:
简约网络图如下：
[[0. 1. 1. 0. 0. 0. 0.]
[1. 0. 0. 1. 0. 0. 0.]
[1. 0. 0. 0. 1. 0. 0.]
[0. 1. 0. 0. 1. 0. 1.]
[0. 0. 1. 1. 0. 1. 0.]
[0. 0. 0. 0. 1. 0. 1.]
[0. 0. 0. 1. 0. 1. 0.]]
接着，我们对简约图做广度优先搜索：输入起点节点，输出搜索结果（每一层有哪些节点layers，节点之间的边有哪些layerCon）。这一过程依靠函数bfs完成。
layers = []
layerCon = []
counted = [0] # 已经被搜到的节点
def bfs(i_list, layerNum, array = array2):
global layers
global layerCon
global counted
layers.append([]) # 新建一层
layerCon.append([])
搜索时，我用到了递归，搜索到下一层的节点j_list后，再以j_list里的节点为起点搜索再下一层，直到搜不到更多节点j_list == []。
j_list = [] # 下一层的节点
for i in i_list:
layers[layerNum].append(i)
if len(counted) == len(array):
break
for j in range(len(array[i])):
if j not in counted:
if array[i][j] == 1:
layerCon[layerNum].append([i, j])
j_list.append(j)
j_set = set(j_list)
j_list = list(j_set) # 去除重复节点
for j in j_list:
counted.append(j)
layerNum += 1
if j_list != []:
bfs(j_list, layerNum) # 递归, 从下一层开始
return layers, layerCon
layers, layerCon = bfs([0], 0)
print('layers:')
print(layers)
print('层间边：')
print(layerCon)
输出结果如下:
layers:
[[0], [1, 2], [3, 4], [5]]
层间边：
[[[0, 1], [0, 2]], [[1, 3], [2, 4]], [[3, 6], [4, 5]], []]
有了搜索结果，我们就可以两两检查每层内的节点，判断层间边是否存在。
innerLayer = False
for layer in layers:
layerI = layers.index(layer)
for x in range(len(layer)):
i = layer[x]
for j in layer[x+1]:
if array2[i][j] == 1: # i与j之间有层间边
innerLayer = True
if innerLayer == True:
print('*****层内有边，该网络不平衡。*****')
else:
print('*****无层内边。*****')
if innerLayer == False:
print('*****该网络为平衡网络。*****')
else:
print('*****该网络不是平衡网络。*****')
存在层内边时，我们还可以用一个函数circleSpotter找出奇数圈：输入两个起点节点编码（初始为存在层内边的两个节点编码i和j）、它们在哪一层layerI、已经找到的奇数圈节点oddCir（初始为[i,j]）、广度优先搜索的结果layers和layerCon；返回所有奇数圈节点。
def circleSpotter(i, j, layerI, oddCir, layerCon = layerCon, layers = layers):
定义一个局部函数nodeAdder，它的作用是，当我们找到起点节点所在的层内边edge后（如i→i2），我们把i2加入oddCir当中，并把i2确定为新的起点节点，以便进行下一轮搜索。
def nodeAdder(edge, x):
for node in edge:
if node != i and node in layers[layerI-1]:
oddCir.append(node)
i2 = node
return oddCir, i2
给定i和j，分别调用nodeAdder函数，沿着i和j所在的层间边，确定下一组起点节点（在更高层）i2和j2。
i_counted = False
j_counted = False
for edge in layerCon[layerI-1]:
if i in edge:
if i_counted == True:
continue
oddCir, i2 = nodeAdder(edge, i)
i_counted = True
elif j in edge:
if j_counted == True:
continue
oddCir, j2 = nodeAdder(edge, j)
j_counted = True
以i2和j2为新的起点节点继续搜索（递归），直到两条搜索线路汇集于同一点i2 == j2。
layerI -= 1
if i2 != j2:
circleSpotter(i2, j2, layerI, oddCir) # 递归， 从上一层开始
oddCirSet = set(oddCir)
oddCir = list(oddCirSet) # 确保没有重复
return oddCir
对于每一条层间边，我们都可以调用circleSpotter函数，找出它所在的奇数圈。下述代码中自oddcnt += 1始。
注：对oddcnt、oddCirs做ignore unresolved reference操作，否则会报错
for layer in layers:
layerI = layers.index(layer)
for x in range(len(layer)):
i = layer[x]
for j in layer[x+1:]:
if array2[i][j] == 1:
innerLayer = True
oddcnt += 1
oddCirs.append([i, j])
oddCir = oddCirs[oddcnt]
oddCir = circleSpotter(i, j, layerI, oddCir)
oddCirs[oddcnt] = oddCir
输出结果如下:
*****层内有边，该网络不平衡。*****
构成奇数边数的圆的节点如下：
[[0, 1, 2, 3, 4]]
*****该网络不是平衡网络。*****
3、完整代码
极化关系下网络结构的稳定平衡性
import numpy as np
import sys
def arrayGen(filename):
f = open(filename, 'r')
r_list = f.readlines() # 返回包含size行的列表, size 未指定则返回全部行
f.close()
array = []
for line in r_list:
if line == '\n':
continue
line = line.strip('\n')
line = line.strip() # 用于移除字符串头尾指定的字符（默认为空格或换行符）或字符序列，不能删除中间字符
row_list = line.split() # 通过指定分隔符对字符串进行切片
for k in range(len(row_list)):
row_list[k] = row_list[k].strip()
row_list[k] = int(row_list[k])
array.append(row_list)
n = len(array[0])
array = np.array(array)
return array, n
filename = input('请输入邻接矩阵文件名：')
array, n = arrayGen(filename)
def cluster(array, i, group): # group；连通分量
group.append(i)
for j in range(len(array)):
if j not in group:
if array[i][j] ==1:
cluster(array, j, group)
return group
groups = []
cnt = 0
start = 0
rest = [i for i in range(n)]
while True:
groups.append([])
groups[cnt] = cluster(array, start, groups[cnt])
for j in groups[cnt]:
rest.remove(j)
if rest == []:
break
start = rest[0]
cnt += 1
print('连通分量如下：')
print(groups)
innerGroup = False
for group in groups:
for a in range(len(group)):
node1_1 = group[a]
if innerGroup == False:
for node1_2 in group[a+1:]:
if array[node1_1][node1_2] == -1:
innerGroup = True
break
if innerGroup == True:
print('*****连通分量内部有负边，该网络不平衡。*****')
print('*****该网络不是平衡网络。*****')
sys.exit(0)
array2 = np.zeros((cnt+1, cnt+1)) # 简约图
for i in range(len(groups)):
group = groups[i]
for j in range(i+1, len(groups)):
next = groups[j]
edgeExist = False
for node1 in group:
if edgeExist == True:
break
for node2 in next:
if array[node1][node2] == -1: # 有边
array2[i][j] = 1 # 定义有边为1
array2[j][i] = 1
edgeExist = True
break
print('简约网络图如下：')
print(array2)
layers = []
layerCon = []
counted = [0] # 已经被搜到的节点
def bfs(i_list, layerNum, array = array2):
global layers
global layerCon
global counted
layers.append([]) # 新建一层
layerCon.append([])
j_list = [] # 下一层的节点
for i in i_list:
layers[layerNum].append(i)
if len(counted) == len(array):
break
for j in range(len(array[i])):
if j not in counted:
if array[i][j] == 1:
layerCon[layerNum].append([i, j])
j_list.append(j)
j_set = set(j_list)
j_list = list(j_set) # 去除重复节点
for j in j_list:
counted.append(j)
layerNum += 1
if j_list != []:
bfs(j_list, layerNum) # 递归, 从下一层开始
return layers, layerCon
oddCirs = []
oddcnt = -1
innerLayer = False
layers, layerCon = bfs([0], 0)
print('layers:')
print(layers)
print('层间边：')
print(layerCon)
for layer in layers:
layerI = layers.index(layer)
for x in range(len(layer)):
i = layer[x]
for j in layer[x+1:]:
if array2[i][j] == 1: # i与j之间有层间边
innerLayer = True
def circleSpotter(i, j, layerI, oddCir, layerCon = layerCon, layers = layers):
def nodeAdder(edge, x):
for node in edge:
if node != i and node in layers[layerI-1]:
oddCir.append(node)
i2 = node
return oddCir, i2
i_counted = False
j_counted = False
for edge in layerCon[layerI-1]:
if i in edge:
if i_counted == True:
continue
oddCir, i2 = nodeAdder(edge, i)
i_counted = True
elif j in edge:
if j_counted == True:
continue
oddCir, j2 = nodeAdder(edge, j)
j_counted = True
layerI -= 1
if i2 != j2:
circleSpotter(i2, j2, layerI, oddCir) # 递归， 从上一层开始
oddCirSet = set(oddCir)
oddCir = list(oddCirSet) # 确保没有重复
return oddCir
for layer in layers:
layerI = layers.index(layer)
for x in range(len(layer)):
i = layer[x]
for j in layer[x+1:]:
if array2[i][j] == 1:
innerLayer = True
oddcnt += 1
oddCirs.append([i, j])
oddCir = oddCirs[oddcnt]
oddCir = circleSpotter(i, j, layerI, oddCir)
oddCirs[oddcnt] = oddCir
if innerLayer == True:
print('*****层内有边，该网络不平衡。*****')
print('构成奇数边数的圆的节点如下：')
print(oddCirs)
else:
print('*****无层内边。*****')
if innerLayer == False:
print('*****该网络为平衡网络。*****')
else:
print('*****该网络不是平衡网络。*****')
