The Moran process is a classic stochastic process that models invasion dynamics on graphs. A single "mutant" (e.g., a new opinion, strain, social trait etc.) invades a population of residents spread over the nodes of a graph. The mutant fitness advantage $\delta\geq 0$ determines how aggressively mutants propagate to their neighbors. The quantity of interest is the fixation probability, i.e., the probability that the initial mutant eventually takes over the whole population. However, in realistic settings, the invading mutant has an advantage only in certain locations. E.g., a bacterial mutation allowing for lactose metabolism only confers an advantage on places where dairy products are present. In this paper we introduce the positional Moran process, a natural generalization in which the mutant fitness advantage is only realized on specific nodes called active nodes. The associated optimization problem is fixation maximization: given a budget $k$, choose a set of $k$ active nodes that maximize the fixation probability of the invading mutant. We show that the problem is NP-hard, while the optimization function is not submodular, thus indicating strong computational hardness. Then we focus on two natural limits. In the limit of $\delta\to\infty$ (strong selection), although the problem remains NP-hard, the optimization function becomes submodular and thus admits a constant-factor approximation using a simple greedy algorithm. In the limit of $\delta\to 0$ (weak selection), we show that in $O(m^\omega)$ time we can obtain a tight approximation, where $m$ is the number of edges and $\omega$ is the matrix-multiplication exponent. Finally, we present an experimental evaluation of the new algorithms together with some proposed heuristics.


翻译:摩尔进程是一个典型的随机过程, 它在图形上模拟入侵动态。 单一的“ 变种” (例如, 新意见、 压力、 社会特性等) 侵入了分布在图表节点上的居民群体。 变种健身优势 $\delta\geq 0$ 确定变种人是如何向邻居传播的。 利息的数量是固定概率, 即初始变种最终占整个人口的概率。 但是, 在现实环境中, 入侵变种只在某些地方有优势。 例如, 允许乳糖代谢的细菌突变会给奶制品出现的地方带来优势。 在这个文件中, 变种健身优势在特定的节点上是如何传播的。 相关的优化问题是固定最大化: 以美元计数, 选择一套以美元为单位的活跃节点。 我们显示, 细菌变种的细菌变种突变种突变种的细菌变种突变种突变种突变种突变种突变种的细菌突变种变种变种变种变种, 也就是以美元为硬的货币变种变种变种变种变种。

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