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Global robustness versus local vulnerabilities in complex synchronous networks

Résumé

In complex network-coupled dynamical systems, two questions of central importance are how to identify the most vulnerable components and how to devise a network making the overall system more robust to external perturbations. To address these two questions, we investigate the response of complex networks of coupled oscillators to local perturbations. We quantify the magnitude of the resulting excursion away from the unperturbed synchronous state through quadratic performance measures in the angle or frequency deviations. We find that the most fragile oscillators in a given network are identified by centralities constructed from network resistance distances. Further defining the global robustness of the system from the average response over ensembles of homogeneously distributed perturbations, we find that it is given by a family of topological indices known as generalized Kirchhoff indices. Both resistance centralities and Kirchhoff indices are obtained from a spectral decomposition of the stability matrix of the unperturbed dynamics and can be expressed in terms of resistance distances. We investigate the properties of these topological indices in small-world and regular networks. In the case of oscillators with homogeneous inertia and damping coefficients, we find that inertia only has small effects on robustness of coupled oscillators. Numerical results illustrate the validity of the theory.

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Réseau complexe
En théorie des graphes, un réseau complexe est un réseau possédant une architecture et une topologie complexe et irrégulière. Comme tous les réseaux, ils sont composés de nœuds (ou sommets ou points) représentant des objets, interconnectés par des liens (ou arêtes ou lignes). Ces réseaux sont des représentations abstraites des relations principalement présentes dans la vie réelle dans une grande diversité de systèmes biologiques et technologiques.
Théorie des réseaux
vignette|Graphe partiel de l'internet, basé sur les données de opte.org du 15 janvier 2005 (voir description de l'image pour plus de détails) La théorie des réseaux est l'étude de graphes en tant que représentation d'une relation symétrique ou asymétrique entre des objets discrets. Elle s'inscrit dans la théorie des graphes : un réseau peut alors être défini comme étant un graphe où les nœuds (sommets) ou les arêtes (ou « arcs », lorsque le graphe est orienté) ont des attributs, comme une étiquette (tag).
Réseau social
En sciences humaines et sociales, l'expression réseau social désigne un agencement de liens entre des individus ou des organisations, constituant un groupement qui a un sens : la famille, les collègues, un groupe d'amis, une communauté, etc. L'anthropologue australien John Arundel Barnes a introduit l'expression en 1954. L'analyse des réseaux sociaux est devenue une spécialité universitaire dans le champ de la sociologie, se fondant sur la théorie des réseaux et l'usage des graphes.
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