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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.55.2010.tde-17052010-155334
Documento
Autor
Nome completo
Mariá Cristina Vasconcelos Nascimento
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2010
Orientador
Banca examinadora
Carvalho, André Carlos Ponce de Leon Ferreira de (Presidente)
França, Paulo Morelato
Oliveira, Suely Pereira de
Pureza, Vitória Maria Miranda
Toledo, Franklina Maria Bragion de
Título em português
Metaheurísticas para o problema de agrupamento de dados em grafo
Palavras-chave em português
Agrupamento de dados em grafos
Clustering Coefficient
Detecção de comunidades
GRASP
Modularidade
Resumo em português
O problema de agrupamento de dados em grafos consiste em encontrar clusters de nós em um dado grafo, ou seja, encontrar subgrafos com alta conectividade. Esse problema pode receber outras nomenclaturas, algumas delas são: problema de particionamento de grafos e problema de detecção de comunidades. Para modelar esse problema, existem diversas formulações matemáticas, cada qual com suas vantagens e desvantagens. A maioria dessas formulações tem como desvantagem a necessidade da definição prévia do número de grupos que se deseja obter. Entretanto, esse tipo de informação não está contida em dados para agrupamento, ou seja, em dados não rotulados. Esse foi um dos motivos da popularização nas últimas décadas da medida conhecida como modularidade, que tem sido maximizada para encontrar partições em grafos. Essa formulação, além de não exigir a definição prévia do número de clusters, se destaca pela qualidade das partições que ela fornece. Nesta Tese, metaheurísticas Greedy Randomized Search Procedures para dois modelos existentes para agrupamento em grafos foram propostas: uma para o problema de maximização da modularidade e a outra para o problema de maximização da similaridade intra-cluster. Os resultados obtidos por essas metaheurísticas foram melhores quando comparadas àqueles de outras heurísticas encontradas na literatura. Entretanto, o custo computacional foi alto, principalmente o da metaheurística para o modelo de maximização da modularidade. Com o passar dos anos, estudos revelaram que a formulação que maximiza a modularidade das partições possui algumas limitações. A fim de promover uma alternativa à altura do modelo de maximização da modularidade, esta Tese propõe novas formulações matemáticas de agrupamento em grafos com e sem pesos que visam encontrar partições cujos clusters apresentem alta conectividade. Além disso, as formulações propostas são capazes de prover partições sem a necessidade de definição prévia do número de clusters. Testes com centenas de grafos com pesos comprovaram a eficiência dos modelos propostos. Comparando as partições provenientes de todos os modelos estudados nesta Tese, foram observados melhores resultados em uma das novas formulações propostas, que encontrou partições bastante satisfatórias, superiores às outras existentes, até mesmo para a de maximização de modularidade. Os resultados apresentaram alta correlação com a classificação real dos dados simulados e reais, sendo esses últimos, em sua maioria, de origem biológica
Título em inglês
Metaheuristics for the graph clustering problem
Palavras-chave em inglês
Clustering coefficient
Community detection
Graph clustering
GRASP
Modularity
Resumo em inglês
Graph clustering aims at identifying highly connected groups or clusters of nodes of a graph. This problem can assume others nomenclatures, such as: graph partitioning problem and community detection problem. There are many mathematical formulations to model this problem, each one with advantages and disadvantages. Most of these formulations have the disadvantage of requiring the definition of the number of clusters in the final partition. Nevertheless, this type of information is not found in graphs for clustering, i.e., whose data are unlabeled. This is one of the reasons for the popularization in the last decades of the measure known as modularity, which is being maximized to find graph partitions. This formulation does not require the definition of the number of clusters of the partitions to be produced, and produces high quality partitions. In this Thesis, Greedy Randomized Search Procedures metaheuristics for two existing graph clustering mathematical formulations are proposed: one for the maximization of the partition modularity and the other for the maximization of the intra-cluster similarity. The results obtained by these proposed metaheuristics outperformed the results from other heuristics found in the literature. However, their computational cost was high, mainly for the metaheuristic for the maximization of modularity model. Along the years, researches revealed that the formulation that maximizes the modularity of the partitions has some limitations. In order to promote a good alternative for the maximization of the partition modularity model, this Thesis proposed new mathematical formulations for graph clustering for weighted and unweighted graphs, aiming at finding partitions with high connectivity clusters. Furthermore, the proposed formulations are able to provide partitions without a previous definition of the true number of clusters. Computational tests with hundreds of weighted graphs confirmed the efficiency of the proposed models. Comparing the partitions from all studied formulations in this Thesis, it was possible to observe that the proposed formulations presented better results, even better than the maximization of partition modularity. These results are characterized by satisfactory partitions with high correlation with the true classification for the simulated and real data (mostly biological)
 
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Tese_Nascimento.pdf (5.51 Mbytes)
Data de Publicação
2010-05-17
 
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