实现、动态展示多种社区发现算法，这个Python库助你发现网络图的社区结构
实现、动态展示多种社区发现算法，这个Python库助你发现网络图的社区结构
机器之心报道
编辑：杜伟、陈萍
熟知社区发现算法，你不能错过这个 Python 库。它涵盖 Louvain 算法、Girvan-Newman 算法等多种社区发现算法，还具有可视化功能。
网络是由一些紧密相连的节点组成的，并且根据不同节点之间连接的紧密程度，网络也可视为由不同簇组成。簇内的节点之间有着更为紧密的连接，不同簇之间的连接则相对稀疏。这种簇被称为网络中的社区结构（community structure）。
由此衍生出来的社区发现（community detection）算法用来发现网络中的社区结构，这类算法包括 Louvain 算法、Girvan-Newman 算法以及 Bron-Kerbosch 算法等。
最近，机器之心在 GitHub 上发现了一个可以发现图中社区结构的 Python 库 communities，该库由软件工程师 Jonathan Shobrook 创建。
项目地址：https://github.com/shobrook/communities
首先，该库可以实现以下几种社区发现算法：
- Louvain 算法
- Girvan-Newman 算法
- 层次聚类
- 谱聚类
- Bron-Kerbosch 算法
其次，用户还可以使用 communities 库来可视化上述几种算法，下图为空手道俱乐部（Zachary's karate club）网络中 Louvain 算法的可视化结果：
该库的安装方法也非常简单，可采用 pip 的方式安装 communities，代码如下：
$ pip install communities对于这个 Python 库，很多网友给予了高度评价，表示会去尝试。
算法详解
Louvain 算法
louvain_method(adj_matrix : numpy.ndarray, n : int = None) -> list该算法来源于文章《Fast unfolding of communities in large networks》，简称为 Louvian。
作为一种基于模块度（Modularity）的社区发现算法，Louvain 算法在效率和效果上都表现比较好，并且能够发现层次性的社区结构，其优化的目标是最大化整个图属性结构（社区网络）的模块度。
Louvain 算法对最大化图模块性的社区进行贪婪搜索。如果一个图具有高密度的群体内边缘和低密度的群体间边缘，则称之为模图。
示例代码如下：
from communities.algorithms import louvain_methodad
j_matrix = [...]
communities, _ = louvain_method(adj_matrix)Girvan-Newman 算法
girvan_newman(adj_matrix : numpy.ndarray, n : int = None) -> list该算法来源于文章《Community structure in social and biological networks》。
Girvan-Newman 算法迭代删除边以创建更多连接的组件。每个组件都被视为一个 community，当模块度不能再增加时，算法停止去除边缘。
示例代码如下：
from communities.algorithms import girvan_newman
adj_matrix = [...]
communities, _ = girvan_newman(adj_matrix)层次聚类
hierarchical_clustering(adj_matrix : numpy.ndarray, metric : str = "cosine", linkage : str = "single", n : int = None) -> list层次聚类实现了一种自底向上、分层的聚类算法。每个节点从自己 的社区开始，然后，随着层次结构的建立，最相似的社区被合并。社区会一直被合并，直到在模块度方面没有进一步的进展。
示例代码如下：
from communities.algorithms import hierarchical_clustering
adj_matrix = [...]
communities = hierarchical_clustering(adj_matrix, metric="euclidean", linkage="complete")谱聚类
spectral_clustering(adj_matrix : numpy.ndarray, k : int) -> list这种类型的算法假定邻接矩阵的特征值包含有关社区结构的信息。
示例代码如下：
from communities.algorithms import spectral_clustering
adj_matrix = [...]
communities = spectral_clustering(adj_matrix, k=5)Bron-Kerbosch 算法
bron_kerbosch(adj_matrix : numpy.ndarray, pivot : bool = False) -> listBron-Kerbosch 算法实现用于最大团检测（maximal clique detection）。图中的最大团是形成一个完整图的节点子集，如果向该子集中添加其他节点，则它将不再完整。将最大团视为社区是合理的，因为团是图中连接最紧密的节点群。因为一个节点可以是多个社区的成员，所以该算法有时会识别重叠的社区。
示例代码如下：
from communities.algorithms import bron_kerbosch
adj_matrix = [...]
communities = bron_kerbosch(adj_matrix, pivot=True)可视化
绘图
draw_communities(adj_matrix : numpy.ndarray, communities : list, dark : bool = False, filename : str = None, seed : int = 1)可视化图（graph），将节点分组至它们所属的社区和颜色编码中。返回代表绘图的 matplotlib.axes.Axes。示例代码如下：
from communities.algorithms import louvain_method
from communities.visualization import draw_communities
adj_matrix = [...]
communities, frames = louvain_method(adj_matrix)
draw_communities(adj_matrix, communities)可视化图如下：
Louvain 算法的动图展示
louvain_animation(adj_matrix : numpy.ndarray, frames : list, dark : bool = False, duration : int = 15, filename : str = None, dpi : int = None, seed : int = 2)Louvain 算法在图中的应用可以实现动图展示，其中每个节点的颜色代表其所属的社区，并且同一社区中的节点聚类结合在一起。
示例代码如下：
from communities.algorithms import louvain_method
from communities.visualization import louvain_animation
adj_matrix = [...]
communities, frames = louvain_method(adj_matrix)
louvain_animation(adj_matrix, frames)动图展示如下：
参考链接：
https://www.codenong.com/cs105912940/
https://www.reddit.com/r/MachineLearning/comments/lozys9/p_i_made_communities_a_library_of_clustering/
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