Centrality measures identify and rank the most influential entities of complex networks. In this paper, we generalize matrix function-based centrality measures, which have been studied extensively for single-layer and temporal networks in recent years to layer-coupled multiplex networks. The layers of these networks can reflect different relationships and interactions between entities or changing interactions over time. We use the supra-adjacency matrix as network representation, which has already been used to generalize eigenvector centrality to temporal and multiplex networks. With a suitable choice of edge weights, the definition of single-layer matrix function-based centrality measures in terms of walks on networks carries over naturally to the multilayer case. In contrast to other walk-based centralities, matrix function-based centralities are parameterized measures, which have been shown to interpolate between (local) degree and (global) eigenvector centrality in the single-layer case. As the explicit evaluation of the involved matrix function expressions becomes infeasible for medium to large-scale networks, we present highly efficient approximation techniques from numerical linear algebra, which rely on Krylov subspace methods, Gauss quadrature, and stochastic trace estimation. We present extensive numerical studies on synthetic and real-world multiplex transportation, communication, and collaboration networks. The comparison with established multilayer centrality measures shows that our framework produces meaningful rankings of nodes, layers, and node-layer pairs. Furthermore, our experiments corroborate the theoretically indicated linear computational complexity of the employed numerical methods for sparse supra-adjacency matrices, which allows the efficient treatment of large-scale networks with the number of node-layer pairs of order $10^7$ or higher.


翻译:在本文中,我们将基于矩阵的基于功能的中央度度量加以概括化,近年来对单层和时间网络进行了广泛研究,以建立分层的多层网络。这些网络的层层可以反映实体之间的不同关系和互动,或随着时间的推移变化的相互作用。我们使用超对称矩阵作为网络的表示方式,这已经被用来对时间和多层网络的偏移中心进行概括化。在适当选择边缘权重的情况下,确定基于单层矩阵的基于功能的中心度量度自然可追溯到多层案例。与其他基于行走的中央点相比,基于矩阵的中央度量度是参数化的衡量方式,这表现在(当地)程度和(全球)一级案例之间的相互交错。我们使用超对称矩阵函数的表示方式,对于中层至大型网络来说,我们从数字直线级的直流直线直线直位处理方法可以自然传到多层案例的处理方式。 与基于Krylov分层的计算方法相比,基于矩阵的中央中心度的中央度中心度中心度测量系是参数,我们目前(地段级)一级和多层的货币级的计算系统结构的计算方法。

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