Louvain算法介紹

Louvain算法
一種基於模塊度的圖算法模型,與普通的基於模塊度和模塊度增益不同的是,該算法速度很快,而且對一些點多邊少的圖,進行聚類效果特別明顯。
算法流程:
1、初始時將每個頂點當作一個社區,社區個數與頂點個數相同。
2、依次將每個頂點與之相鄰頂點合併在一起,計算它們的模塊度增益是否大於0,如果大於0,就將該結點放入該相鄰結點所在社區。
3、迭代第二步,直至算法穩定,即所有頂點所屬社區不再變化。
4、將各個社區所有節點壓縮成爲一個結點,社區內點的權重轉化爲新結點環的權重,社區間權重轉化爲新結點邊的權重。
5、重複步驟1-3,直至算法穩定。

# coding=utf-8
import collections
import random

def load_graph(path):
    G = collections.defaultdict(dict)
    with open(path) as text:
        for line in text:
            vertices = line.strip().split()
            v_i = int(vertices[0])
            v_j = int(vertices[1])
            w = float(vertices[2])
            G[v_i][v_j] = w
            G[v_j][v_i] = w
    return G

class Vertex():
    def __init__(self, vid, cid, nodes, k_in=0):
        self._vid = vid
        self._cid = cid
        self._nodes = nodes
        self._kin = k_in  # 結點內部的邊的權重

class Louvain():
    def __init__(self, G):
        self._G = G
        self._m = 0  # 邊數量
        self._cid_vertices = {}  # 需維護的關於社區的信息(社區編號,其中包含的結點編號的集合)
        self._vid_vertex = {}  # 需維護的關於結點的信息(結點編號,相應的Vertex實例)
        for vid in self._G.keys():
            self._cid_vertices[vid] = set([vid])
            self._vid_vertex[vid] = Vertex(vid, vid, set([vid]))
            self._m += sum([1 for neighbor in self._G[vid].keys() if neighbor > vid])

    def first_stage(self):
        mod_inc = False  # 用於判斷算法是否可終止
        visit_sequence = self._G.keys()
        random.shuffle(list(visit_sequence))
        while True:
            can_stop = True  # 第一階段是否可終止
            for v_vid in visit_sequence:
                v_cid = self._vid_vertex[v_vid]._cid
                k_v = sum(self._G[v_vid].values()) + self._vid_vertex[v_vid]._kin
                cid_Q = {}
                for w_vid in self._G[v_vid].keys():
                    w_cid = self._vid_vertex[w_vid]._cid
                    if w_cid in cid_Q:
                        continue
                    else:
                        tot = sum(
                            [sum(self._G[k].values()) + self._vid_vertex[k]._kin for k in self._cid_vertices[w_cid]])
                        if w_cid == v_cid:
                            tot -= k_v
                        k_v_in = sum([v for k, v in self._G[v_vid].items() if k in self._cid_vertices[w_cid]])
                        delta_Q = k_v_in - k_v * tot / self._m  # 由於只需要知道delta_Q的正負,所以少乘了1/(2*self._m)
                        cid_Q[w_cid] = delta_Q

                cid, max_delta_Q = sorted(cid_Q.items(), key=lambda item: item[1], reverse=True)[0]
                if max_delta_Q > 0.0 and cid != v_cid:
                    self._vid_vertex[v_vid]._cid = cid
                    self._cid_vertices[cid].add(v_vid)
                    self._cid_vertices[v_cid].remove(v_vid)
                    can_stop = False
                    mod_inc = True
            if can_stop:
                break
        return mod_inc

    def second_stage(self):
        cid_vertices = {}
        vid_vertex = {}
        for cid, vertices in self._cid_vertices.items():
            if len(vertices) == 0:
                continue
            new_vertex = Vertex(cid, cid, set())
            for vid in vertices:
                new_vertex._nodes.update(self._vid_vertex[vid]._nodes)
                new_vertex._kin += self._vid_vertex[vid]._kin
                for k, v in self._G[vid].items():
                    if k in vertices:
                        new_vertex._kin += v / 2.0
            cid_vertices[cid] = set([cid])
            vid_vertex[cid] = new_vertex

        G = collections.defaultdict(dict)
        for cid1, vertices1 in self._cid_vertices.items():
            if len(vertices1) == 0:
                continue
            for cid2, vertices2 in self._cid_vertices.items():
                if cid2 <= cid1 or len(vertices2) == 0:
                    continue
                edge_weight = 0.0
                for vid in vertices1:
                    for k, v in self._G[vid].items():
                        if k in vertices2:
                            edge_weight += v
                if edge_weight != 0:
                    G[cid1][cid2] = edge_weight
                    G[cid2][cid1] = edge_weight

        self._cid_vertices = cid_vertices
        self._vid_vertex = vid_vertex
        self._G = G

    def get_communities(self):
        communities = []
        for vertices in self._cid_vertices.values():
            if len(vertices) != 0:
                c = set()
                for vid in vertices:
                    c.update(self._vid_vertex[vid]._nodes)
                communities.append(c)
        return communities

    def execute(self):
        iter_time = 1
        while True:
            iter_time += 1
            mod_inc = self.first_stage()
            if mod_inc:
                self.second_stage()
            else:
                break
        return self.get_communities()

if __name__ == '__main__':
    G = load_graph(r'C:\\Users\\程勇\\Desktop\\similarity.txt')
    algorithm = Louvain(G)
    communities = algorithm.execute()
    # 按照社區大小從大到小排序輸出
    communities = sorted(communities, key=lambda b: -len(b)) # 按社區大小排序
    count = 0
    for communitie in communities:
        count += 1
        print("社區", count, " ", communitie)
    


測試用例文件如圖:

在這裏插入圖片描述

這是部分測試用例的截圖,一行的前兩個數是頂點編號,第三個數是權重。按照每個社區大小順序從大到小打印:

在這裏插入圖片描述

 

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