利用動力學(xué)分析方法理解、刻畫、解析、控制復(fù)雜系統(tǒng)是復(fù)雜性科學(xué)的前沿問題,也是研究復(fù)雜系統(tǒng)的最終目標(biāo),在生命系統(tǒng)、社會系統(tǒng)等所有的復(fù)雜系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。在地球最具有代表性的一類復(fù)雜系統(tǒng)是生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)的概念尺度很廣,小到人的肉眼不可見的微生物,大到江河湖海。在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部,每個組元、物種、環(huán)境聯(lián)合起來發(fā)揮整體作用。在所有的生態(tài)系統(tǒng)中,微生物系統(tǒng)因?yàn)閿?shù)量巨大,分布廣泛,對維持人體、動植物、生態(tài)環(huán)境健康運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用,越來越受到研究者的關(guān)注。同時隨著測序手段的進(jìn)步和測序費(fèi)用的下降,積累了愈來愈多的微生物數(shù)據(jù),為深入理解微生物系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。本文以復(fù)雜系統(tǒng)理論、系統(tǒng)動力學(xué)為指導(dǎo),綜合運(yùn)用圖論、運(yùn)籌學(xué)、概率論、矩陣論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真等多學(xué)科領(lǐng)域知識,從“建模預(yù)測控制”的角度,本文研究核心圍繞“微生物網(wǎng)絡(luò)推斷及其調(diào)控物種生長”展開。論文整體分為三步走:第一步通過復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)建模將生態(tài)系統(tǒng)刻畫成一類帶有動力學(xué)性質(zhì)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò);第二步通過微生物網(wǎng)絡(luò)推斷刻畫物種間的相互作用方式或強(qiáng)度;最后根據(jù)微生物網(wǎng)絡(luò)(或者利用第二步推斷出的網(wǎng)絡(luò)),考慮到網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)挑選物種組合以達(dá)到調(diào)控目標(biāo)物種豐度的... 

【文章來源】：國防科技大學(xué)湖南省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：145 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
符號使用說明
第一章 緒論
    1.1 研究背景
        1.1.1 認(rèn)識復(fù)雜系統(tǒng)
        1.1.2 復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)
        1.1.3 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的動力學(xué)過程
        1.1.4 復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)
        1.1.5 一類典型的微生物群落
        1.1.6 菌群失調(diào)導(dǎo)致的疾病及其治療方案
    1.2 研究目的和意義
    1.3 國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀
        1.3.1 從獲取微生物數(shù)據(jù)到推斷微生物網(wǎng)絡(luò)
        1.3.2 微生物網(wǎng)絡(luò)推斷的常用方法
        1.3.3 微生物網(wǎng)絡(luò)推斷中面臨的挑戰(zhàn)
        1.3.4 挑選有效物種調(diào)控菌群面臨的挑戰(zhàn)
    1.4 論文的主要工作
        1.4.1 核心問題和研究思路
        1.4.2 論文框架
第二章 微生物網(wǎng)絡(luò)推斷的理論框架
    2.1 數(shù)學(xué)模型
        2.1.1 通用種群動力學(xué)
        2.1.2 物種間的相互作用
        2.1.3 Jacobian矩陣
        2.1.4 數(shù)學(xué)幾號
    2.2 假設(shè)Jacobian矩陣滿足符號不變性
    2.3 從樣本中檢驗(yàn)Jacobian矩陣是否滿足符號不變性
    2.4 微生物網(wǎng)絡(luò)推斷的理論框架
        2.4.1 理論推導(dǎo)
        2.4.2 推斷物種間的相互作用關(guān)系
        2.4.3 推斷物種間是否存在相互作用
    2.5 當(dāng)Jacobian矩陣變號時依舊可以推斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和作用類型
第三章 基于通用種群動力學(xué)的物種間相互作用類型的推斷
    3.1 推斷物種間的相互作用類型的幾何表示
    3.2 暴力搜索算法
        3.2.1 暴力搜索算法的偽代碼
        3.2.2 暴力搜索算法的時間復(fù)雜度
    3.3 啟發(fā)式算法
        3.3.1 定義符號滿足問題
        3.3.2 基于圖方法解決符號滿足問題
        3.3.3 使用超平面的交線對符號滿意度圖中的路徑進(jìn)行采樣
        3.3.4 結(jié)合符號滿足和超平面交線的啟發(fā)式算法
    3.4 使用模擬數(shù)據(jù)驗(yàn)證啟發(fā)式算法
        3.4.1 應(yīng)用啟發(fā)式算法推斷物種間的相互作用類型
        3.4.2 應(yīng)用啟發(fā)式算法推斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
    3.5 總結(jié)
第四章 基于GLV模型的物種間相互作用強(qiáng)度的推斷
    4.1 推斷物種間相互作用強(qiáng)度和生長速率
        4.1.1 微生物群落符合GLV模型的判據(jù)
        4.1.2 利用正則化擬合超平面
        4.1.3 使用Knockoff filter控制錯誤發(fā)現(xiàn)率
    4.2 使用模擬數(shù)據(jù)推斷微生物網(wǎng)絡(luò)的相互作用強(qiáng)度
    4.3 盲目推斷微生物網(wǎng)絡(luò)的相互作用強(qiáng)度帶來誤差
    4.4 總結(jié)
第五章 基于微生物網(wǎng)絡(luò)研究種群生長間的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)
    5.1 結(jié)合生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和種群動力學(xué)對菌群失調(diào)建模
        5.1.1 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬物種多樣性下降
        5.1.2 種群動力學(xué)模擬物種豐度變化
        5.1.3 結(jié)合生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和種群動力學(xué)對治療菌群失調(diào)建模
    5.2 種群生長中間的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)
        5.2.1功能響應(yīng)函數(shù)
        5.2.2 定量描述種群間的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)
    5.3 種群間的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)與作用路徑間的關(guān)系
        5.3.1 矩陣的秩與完美匹配
ij矩陣的完美匹配組成">        5.3.2 網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)由M_ij矩陣的完美匹配組成
    5.4 種群間的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)和相互作用網(wǎng)絡(luò)的差別
    5.5 通用種群動力學(xué)下的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)
        5.5.1 三種非線性功能響應(yīng)函數(shù)的Jacobian矩陣
        5.5.2 貢獻(xiàn)矩陣在正單調(diào)響應(yīng)函數(shù)依舊有效
第六章 四種真實(shí)微生物群落中網(wǎng)絡(luò)推斷的應(yīng)用研究
    6.1 推斷真實(shí)微生物作用網(wǎng)絡(luò)的注意事項(xiàng)
    6.2 推斷兩種互利共生的物種組成的微生物網(wǎng)絡(luò)
    6.3 推斷八種土壤細(xì)菌組成的微生物網(wǎng)絡(luò)
    6.4 推斷7種細(xì)菌組成的微生物網(wǎng)絡(luò)
    6.5 推斷14個營養(yǎng)缺陷大腸桿菌菌株組成的微生物網(wǎng)絡(luò)
    6.6 總結(jié)與討論
第七章 基于微生物網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)調(diào)控種群生長的應(yīng)用研究
    7.1 利用網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)調(diào)控單個失調(diào)物種的生長
    7.2 利用網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)調(diào)控多個失調(diào)物種的生長
    7.3 在非線性功能響應(yīng)函數(shù)中調(diào)控失調(diào)物種的生長
        7.3.1 利用A矩陣的逆調(diào)控失調(diào)物種的生長
        7.3.2 利用Jacobian矩陣的逆調(diào)控失調(diào)物種的生長
    7.4 總結(jié)與討論
第八章 總結(jié)與展望
    8.1 研究內(nèi)容總結(jié)
    8.2 未來研究展望
致謝
參考文獻(xiàn)
作者在學(xué)期間取得的學(xué)術(shù)成果
附錄A 正文中的英文證明
附錄B 正文中的算法的英文版本


【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可控性研究現(xiàn)狀綜述[J]. 侯綠林,老松楊,肖延?xùn)|,白亮.  物理學(xué)報. 2015(18)
[2]復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究概述[J]. 周濤,柏文潔,汪秉宏,劉之景,嚴(yán)鋼.  物理. 2005(01)
[3]一個科學(xué)新領(lǐng)域——開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)及其方法論[J]. 錢學(xué)森,于景元,戴汝為.  自然雜志. 1990(01)



本文編號：2901780