Die große Menge an Datensätzen, die in den letzten Jahren verfügbar wurden, hat es ermöglicht, sowohl menschlich-getriebene als auch biologische komplexe Systeme in einem beispiellosen Ausmaß empirisch zu untersuchen.
Parallel dazu ist die Vorhersage und Kontrolle epidemischer Ausbrüche für Fragen der öffentlichen Gesundheit sehr wichtig geworden.
In dieser Arbeit untersuchen wir einige wichtige Aspekte von Diffusionsphänomenen und Ausbreitungsprozeßen auf Netzwerken. Wir untersuchen drei verschiedene Probleme im Zusammenhang mit Ausbreitungsprozeßen im überkritischen Regime. Zunächst untersuchen wir die Reaktionsdiffusion auf Ensembles zufälliger Netzwerke, die durch die beobachteten Levy-Flugeigenschaften der menschlichen Mobilität charakterisiert sind.
Das zweite Problem ist die Schätzung der Ankunftszeiten globaler Pandemien. Zu diesem Zweck leiten wir geeignete verborgene Geometrien netzgetriebener Streuprozeße, unter Nutzung der Random-Walk-Theorie, her und identifizieren diese.
Durch die Definition von effective distances wird das Problem komplexer raumzeitlicher Muster auf einfache, homogene Wellenausbreitungsmuster reduziert. Drittens führen wir durch die Einbettung von Knoten in den verborgenen Raum, der durch effective distances im Netzwerk definiert ist, eine neuartige Netzwerkzentralität ein, die ViralRank genannt wird und quantifiziert, wie nahe ein Knoten, im Durchschnitt, den anderen Knoten im Netzwerk ist.
Diese drei Studien bilden einen einheitlichen Rahmen zur Charakterisierung von Diffusions- und Ausbreitungsprozeßen, die sich auf komplexen Netzwerken allgemein abzeichnen, und bieten neue Ansätze für herausfordernde theoretische Probleme, die für die Bewertung künftiger Modelle verwendet werden können. / The large amount of datasets that became available in recent years has made it possible to empirically study humanly-driven, as well as biological complex systems to an unprecedented extent.
In parallel, the prediction and control of epidemic outbreaks have become very important for public health issues.
In this thesis, we investigate some important aspects of diffusion phenomena and spreading processes unfolding on networks.
We study three different problems related to spreading processes in the supercritical regime.
First, we study reaction-diffusion on ensembles of random networks characterized by the observed Levy-flight properties of human mobility.
The second problem is the estimation of the arrival times of global pandemics. To this end, we derive and identify suitable hidden geometries of network-driven spreading processes, leveraging on random-walk theory. Through the definition of network effective distances, the problem of complex spatiotemporal patterns is reduced to simple, homogeneous wave propagation patterns.
Third, by embedding nodes in the hidden space defined by network effective distances, we introduce a novel network centrality, called ViralRank, which quantifies how
close a node is, on average, to the other nodes.
These three studies constitute a unified framework to characterize diffusion and spreading processes unfolding on complex networks in very general settings, and provide new approaches to challenging theoretical problems that can be used to benchmark future models.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/20584 |
| Date | 11 March 2019 |
| Creators | Iannelli, Flavio |
| Contributors | Sokolov, Igor M., Kurths, Jürgen, Vulpiani, Angelo |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | (CC BY-NC-ND 3.0 DE) Namensnennung - Nicht-kommerziell - Keine Bearbeitung 3.0 Deutschland, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/ |
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