O grande volume de dados armazenados em meio digital dificulta a anáalise e extração de informações por um ser humano sem que seja utilizada alguma ferramenta computacional inteligente. A área de Aprendizado de Máquina (AM) estuda e desenvolve algoritmos para o processamento e obtenção automática de conhecimento em dados digitais. Tradicionalmente, os algoritmos de AM modelam os dados analisados com base na abordagem proposicional; entretanto, recentemente com a disponibilidade de conjuntos de dados relacionais novas abordagens têm sido estudadas, como a modelagem utilizando redes complexas. Redes complexas é uma área de pesquisa recente e ativa que têm atraíido a atenção de pesquisadores e tem sido aplicada em diversos domínios. Mais especificamente, o estudo de detecção de comunidades em redes complexas é o tema principal deste trabalho. Detectar comunidades consiste em buscar grupos de vértices densamente conectados entre si em uma rede. Detectar a melhor divisão em comunidades de uma rede é um problema NP-completo, o que requer que o desenvolvimento de soluções viáveis baseiem-se em heurísticas como, por exemplo, medidas de qualidade. Newman prop^os a medida de modularidade Q que tem se mostrado eficiiente na análise de comunidades em redes. Este trabalho apresenta o Algoritmo Multinível de Otimização de Modularidade (AMOM) que é baseado a na otimização da medida de modularidade e integrado na estratégia multinível. A estratégia multinível é composta de três fases: (i) sucessivas compactações da rede inicial com base em contrações de arestas e fus~oes de vértices, (ii) particionamento da rede reduzida utilizando Algoritmo de Otimização de Modularidade (AOM) modificado, e (iii) sucessivas descompactações das redes intermediárias até que se retorne a rede inicial. O principal atrativo da estratégia é viabilizar a utilização de algoritmos custosos no particionamento do grafo compactado, uma vez que neste grafo a quantidade de vértices e arestas é uma fração reduzida em relação ao grafo inicial. O trabalho também propõe dois novos métodos para refinamento dos particionamentos durante a fase de uncoasening. A fiim de avaliar a escalabilidade e eficiiência da metodologia proposta foram realizados experimentos empíricos em redes consideradas benchmark. Os resultados demonstram um significativo ganho de desempenho, mantendo bons resultados qualitativos / Human based analysis of large amount of data is a hard task when no intelligent computer aid is provided. In this context, Machine Learning (ML) algorithms are aimed at automatically processing and obtaining knowledge from data. In general, ML algorithms use a propositional representation of data such as an attribute-value table. However, this model is not suitable for relational information modeling, which can be better accomplished using graphs or networks. In this context, complex networks have been call attention of scientific community recently and many applications in different domains have been developed. In special, one of complex networks research trends is the community detection field which is the main focus of this work. Community detection is the problem of finding dense and disjoint connected groups of vertices in a network. The problem is a well know NP-complete task which requires heuristics approaches, like quality measures, to be addressed. Newman introduced a specific quality measure called modularity that proved to be useful for analysis communities in networks. This work presents a new algorithm, called Multilevel Modularity Optimization Algorithm, based on modularity measure optimization integrated in a multilevel graph partitioning strategy. The multilevel graph partitioning scheme consists of three phases: (i) reduction of the size (coarsen) of original graph by collapsing vertices and edges, (ii) partitioning the coarsened graph, and (iii) uncoarsen it to construct a partition for the original graph. The rationale behind this strategy is to apply a computationally expensive method in a coarsened graph, i.e., with a significantly reduced number of vertices and edges. In addition, it is proposed two new methods that uses modularity and clustering coefficient for partition refinement. Empirical evaluation on benchmarks networks using this approach demonstrate a significant speed up gain compared to the original modularity-based algorithm, keeping a good quality clusters partitioning

No contexto de Redes Complexas, particularmente das redes sociais, grupos de objetos densamente conectados entre si, esparsamente conectados a outros grupos, são denominados de comunidades. Detecção dessas comunidades tornou-se um campo de crescente interesse científico e possui inúmeras aplicações práticas. Nesse contexto, surgiram várias pesquisas sobre estratégias multinível para particionar redes com elevada quantidade de vértices e arestas. O objetivo dessas estratégias é diminuir o custo do algoritmo de particionamento aplicando-o sobre uma versão reduzida da rede original. Uma possibilidade dessa estratégia, ainda pouco explorada, é utilizar heurísticas de refinamento local para melhorar a solução final. A maioria das abordagens de refinamento exploram propriedades gerais de redes complexas, tais como corte mínimo ou modularidade, porém, não exploram propriedades inerentes de domínios específicos. Por exemplo, redes sociais são caracterizadas por elevado coeficiente de agrupamento e assortatividade significativa, consequentemente, maximizar tais características pode conduzir a uma boa solução e uma estrutura de comunidades bem definida. Motivado por essa lacuna, neste trabalho é proposto um novo algoritmo de refinamento, denominado RSim, que explora características de alto grau de transitividade e assortatividade presente em algumas redes reais, em particular em redes sociais. Para isso, adotou-se medidas de similaridade híbridas entre pares de vértices, que utilizam os conceitos de vizinhança e informações de comunidades para interpretar a semelhança entre pares de vértices. Uma análise comparativa e sistemática demonstrou que o RSim supera os algoritmos de refinamento habituais em redes com alto coeficiente de agrupamento e assortatividade. Além disso, avaliou-se o RSim em uma aplicação real. Nesse cenário, o RSim supera todos os métodos avaliado quanto a eficiência e eficácia, considerando todos os conjuntos de dados selecionados. / In the context of complex networks, particularly social networks, groups of densely interconnected objects, sparsely linked to other groups are called communities. Detection of these communities has become a field of increasing scientific interest and has numerous practical applications. In this context, several studies have emerged on multilevel strategies for partitioning networks with high amount of vertices and edges. The goal of these strategies is to reduce the cost of partitioning algorithm by applying it on a reduced version of the original network. The possibility for this strategy, yet little explored, is to apply local refinement heuristics to improve the final solution. Most refinement approaches explore general properties of complex networks, such as minimum cut or modularity, however, do not exploit inherent properties of specific domains. For example, social networks are characterized by high clustering coefficient and significant assortativity, hence maximize such characteristics may lead to a good solution and a well-defined community structure. Motivated by this gap, in this thesis, we propose a new refinement algorithm, called RSim, which exploits characteristics of high degree of transitivity and assortativity present in some real networks, particularly social networks. For this, we adopted hybrid similarity measures between pairs of vertices, using the concepts of neighborhood and community information to interpret the similarity between pairs of vertices. A systematic and comparative analysis showed that the RSim statistically outperforms usual refinement algorithms in networks with high clustering coefficient and assortativity. In addition, we assessed the RSim in a real application. In this scenario, the RSim surpasses all evaluated methods in efficiency and effectiveness, considering all the selected data sets.

No contexto de Redes Complexas, particularmente das redes sociais, grupos de objetos densamente conectados entre si, esparsamente conectados a outros grupos, são denominados de comunidades. Detecção dessas comunidades tornou-se um campo de crescente interesse científico e possui inúmeras aplicações práticas. Nesse contexto, surgiram várias pesquisas sobre estratégias multinível para particionar redes com elevada quantidade de vértices e arestas. O objetivo dessas estratégias é diminuir o custo do algoritmo de particionamento aplicando-o sobre uma versão reduzida da rede original. Uma possibilidade dessa estratégia, ainda pouco explorada, é utilizar heurísticas de refinamento local para melhorar a solução final. A maioria das abordagens de refinamento exploram propriedades gerais de redes complexas, tais como corte mínimo ou modularidade, porém, não exploram propriedades inerentes de domínios específicos. Por exemplo, redes sociais são caracterizadas por elevado coeficiente de agrupamento e assortatividade significativa, consequentemente, maximizar tais características pode conduzir a uma boa solução e uma estrutura de comunidades bem definida. Motivado por essa lacuna, neste trabalho é proposto um novo algoritmo de refinamento, denominado RSim, que explora características de alto grau de transitividade e assortatividade presente em algumas redes reais, em particular em redes sociais. Para isso, adotou-se medidas de similaridade híbridas entre pares de vértices, que utilizam os conceitos de vizinhança e informações de comunidades para interpretar a semelhança entre pares de vértices. Uma análise comparativa e sistemática demonstrou que o RSim supera os algoritmos de refinamento habituais em redes com alto coeficiente de agrupamento e assortatividade. Além disso, avaliou-se o RSim em uma aplicação real. Nesse cenário, o RSim supera todos os métodos avaliado quanto a eficiência e eficácia, considerando todos os conjuntos de dados selecionados. / In the context of complex networks, particularly social networks, groups of densely interconnected objects, sparsely linked to other groups are called communities. Detection of these communities has become a field of increasing scientific interest and has numerous practical applications. In this context, several studies have emerged on multilevel strategies for partitioning networks with high amount of vertices and edges. The goal of these strategies is to reduce the cost of partitioning algorithm by applying it on a reduced version of the original network. The possibility for this strategy, yet little explored, is to apply local refinement heuristics to improve the final solution. Most refinement approaches explore general properties of complex networks, such as minimum cut or modularity, however, do not exploit inherent properties of specific domains. For example, social networks are characterized by high clustering coefficient and significant assortativity, hence maximize such characteristics may lead to a good solution and a well-defined community structure. Motivated by this gap, in this thesis, we propose a new refinement algorithm, called RSim, which exploits characteristics of high degree of transitivity and assortativity present in some real networks, particularly social networks. For this, we adopted hybrid similarity measures between pairs of vertices, using the concepts of neighborhood and community information to interpret the similarity between pairs of vertices. A systematic and comparative analysis showed that the RSim statistically outperforms usual refinement algorithms in networks with high clustering coefficient and assortativity. In addition, we assessed the RSim in a real application. In this scenario, the RSim surpasses all evaluated methods in efficiency and effectiveness, considering all the selected data sets.

O grande volume de dados armazenados em meio digital dificulta a anáalise e extração de informações por um ser humano sem que seja utilizada alguma ferramenta computacional inteligente. A área de Aprendizado de Máquina (AM) estuda e desenvolve algoritmos para o processamento e obtenção automática de conhecimento em dados digitais. Tradicionalmente, os algoritmos de AM modelam os dados analisados com base na abordagem proposicional; entretanto, recentemente com a disponibilidade de conjuntos de dados relacionais novas abordagens têm sido estudadas, como a modelagem utilizando redes complexas. Redes complexas é uma área de pesquisa recente e ativa que têm atraíido a atenção de pesquisadores e tem sido aplicada em diversos domínios. Mais especificamente, o estudo de detecção de comunidades em redes complexas é o tema principal deste trabalho. Detectar comunidades consiste em buscar grupos de vértices densamente conectados entre si em uma rede. Detectar a melhor divisão em comunidades de uma rede é um problema NP-completo, o que requer que o desenvolvimento de soluções viáveis baseiem-se em heurísticas como, por exemplo, medidas de qualidade. Newman prop^os a medida de modularidade Q que tem se mostrado eficiiente na análise de comunidades em redes. Este trabalho apresenta o Algoritmo Multinível de Otimização de Modularidade (AMOM) que é baseado a na otimização da medida de modularidade e integrado na estratégia multinível. A estratégia multinível é composta de três fases: (i) sucessivas compactações da rede inicial com base em contrações de arestas e fus~oes de vértices, (ii) particionamento da rede reduzida utilizando Algoritmo de Otimização de Modularidade (AOM) modificado, e (iii) sucessivas descompactações das redes intermediárias até que se retorne a rede inicial. O principal atrativo da estratégia é viabilizar a utilização de algoritmos custosos no particionamento do grafo compactado, uma vez que neste grafo a quantidade de vértices e arestas é uma fração reduzida em relação ao grafo inicial. O trabalho também propõe dois novos métodos para refinamento dos particionamentos durante a fase de uncoasening. A fiim de avaliar a escalabilidade e eficiiência da metodologia proposta foram realizados experimentos empíricos em redes consideradas benchmark. Os resultados demonstram um significativo ganho de desempenho, mantendo bons resultados qualitativos / Human based analysis of large amount of data is a hard task when no intelligent computer aid is provided. In this context, Machine Learning (ML) algorithms are aimed at automatically processing and obtaining knowledge from data. In general, ML algorithms use a propositional representation of data such as an attribute-value table. However, this model is not suitable for relational information modeling, which can be better accomplished using graphs or networks. In this context, complex networks have been call attention of scientific community recently and many applications in different domains have been developed. In special, one of complex networks research trends is the community detection field which is the main focus of this work. Community detection is the problem of finding dense and disjoint connected groups of vertices in a network. The problem is a well know NP-complete task which requires heuristics approaches, like quality measures, to be addressed. Newman introduced a specific quality measure called modularity that proved to be useful for analysis communities in networks. This work presents a new algorithm, called Multilevel Modularity Optimization Algorithm, based on modularity measure optimization integrated in a multilevel graph partitioning strategy. The multilevel graph partitioning scheme consists of three phases: (i) reduction of the size (coarsen) of original graph by collapsing vertices and edges, (ii) partitioning the coarsened graph, and (iii) uncoarsen it to construct a partition for the original graph. The rationale behind this strategy is to apply a computationally expensive method in a coarsened graph, i.e., with a significantly reduced number of vertices and edges. In addition, it is proposed two new methods that uses modularity and clustering coefficient for partition refinement. Empirical evaluation on benchmarks networks using this approach demonstrate a significant speed up gain compared to the original modularity-based algorithm, keeping a good quality clusters partitioning