Motivated by multi-subject experiments in neuroimaging studies, we develop a modeling framework for joint community detection in a group of related networks, which can be considered as a sample from a population of networks. The proposed random effects stochastic block model facilitates the study of group differences and subject-specific variations in the community structure. The model proposes a putative mean community structure which is representative of the group or the population under consideration but is not the community structure of any individual component network. Instead, the community memberships of nodes vary in each component network with a transition matrix, thus modeling the variation in community structure across a group of subjects. To estimate the quantities of interest we propose two methods, a variational EM algorithm, and a model-free "two-step" method based on either spectral or non-negative matrix factorization (NMF). Our NMF based method Co-OSNTF is of independent interest and we study its convergence properties to a stationary point. We also develop a resampling-based hypothesis test for differences in community structure in two populations both at the whole network level and node level. The methodology is applied to a publicly available fMRI dataset from multi-subject experiments involving schizophrenia patients. Our methods reveal an overall putative community structure representative of the group as well as subject-specific variations within each group. Using our network level hypothesis tests we are able to ascertain statistically significant difference in community structure between the two groups, while our node level tests help determine the nodes that are driving the difference.


翻译:在神经成形研究的多主题实验的推动下,我们为在一组相关网络中联合社区检测开发了一个模型框架,可被视为网络群集的样本。拟议的随机效应随机随机随机变化区块模型有助于研究群体差异和社区结构中的特定主题差异。模型提出了代表该群体或审议中人口但并非任何单个组成部分网络的社区结构的推定平均社区结构。相反,节点的社区成员在每个组成部分网络中各有过渡矩阵,从而在一组主题中模拟社区结构的差异。为了估计我们提出的两种方法,即变异的EM算法和基于光谱或非负式矩阵因子化的无模式“两步”方法。我们基于NMF-OSNTF的方法具有独立的兴趣,我们研究其与任何单个组成部分网络的趋同特性。我们还针对整个网络层和零位层次两个群体社区结构的差异开发了一种基于闪烁的假设测试。我们采用的方法,用以确定两个群体之间在网络层面的帮助性差异的数量。我们所使用的方法是将一个具有显著的统计变量的多层次的实验室,同时将我们所使用的方法用于公开的统计结构中,将一个具有代表性的系统,将我们的特定结构的模型用于每个群体中,将一个具有代表性的变量的模型用于我们特定的系统。

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在网络中发现社区(称为社区检测/发现)是网络科学中的一个基本问题,在过去的几十年中引起了很多关注。 近年来,随着对大数据的大量研究,另一个相关但又不同的问题(称为社区搜索)旨在寻找包含查询节点的最有可能的社区,这已引起了学术界和工业界的广泛关注,它是社区检测问题的依赖查询的变体。
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