ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

14
COMPLEX SYSTEMS MODELS IN THE SOCIAL SCIENCES MICHAEL J BOMMARITO II DANIEL MARTIN KATZ Exponen’al Random Graph Models (p*)

description

 

Transcript of ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

Page 1: ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

COMPLEX   SYSTEMS  MODELS   IN   THE   SOC IAL   SC I ENCES    

M ICHAEL   J   BOMMARITO   I I  DAN IEL  MART IN  KATZ  

 

Exponen'al  Random  Graph  Models  (p*)      

Page 2: ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

And  now  a  very  quick  fly-­‐by…  Exponen'al  Random  Graph  Models  (p*)  

�  Hunter,  Handcock,  BuFs,  Goodreau,  Morris.    ergm:  A  Package  to  Fit,  Simulate  and  Diagnose  Exponen<al-­‐Family  Models  for  Networks,  2008.  

¡  “ERGM  may  then  be  used  to  understand  a  par'cular  phenomenon  or  to  simulate  new  random  realiza'ons  of  networks  that  retain  the  essen'al  proper'es  of  the  original.”  

¡  “The  purpose  of  ERGM,  in  a  nutshell,  is  to  describe  parsimoniously  the  local  selec'on  forces  that  shape  the  global  structure  of  a  network.”  

   

Michael  J.  Bommarito  II  ,  Daniel  Mar'n  Katz    

Page 3: ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

Sta's'cal  Network  Models  

�  Goal:  Explain  some  dependent  vector  Y  in  terms  of  a  set  of  independent  variables  in  X.  ¡  This  sounds  familiar  –  it’s  just  regression  analysis!  

�  Dependent  Variable:  E,  the  set  of  edges  ¡  E  can  be  thought  of  as  a  matrix  Bernoulli  variables  ei,j    indica'ng  an  edge  exis'ng  between  ver'ces  i  and  j  

¡  Undirected  graphs  have  symmetric  E,  directed  graphs  do  not  necessarily.  

Michael  J.  Bommarito  II  ,  Daniel  Mar'n  Katz    

Page 4: ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

Sta's'cal  Network  Models  

�  Dyad-­‐independent  ¡  ei,j    is  independent  of  ek,l  ¡  Easy  -­‐  this  model  is  just  standard  logis'c  regression!  

�  Dyad-­‐dependent  ¡  ei,j    is  not  necessarily  independent  of  ek,l  ¡  Hard  –  this  model  requires  something  more  flexible  than  regression!  

Michael  J.  Bommarito  II  ,  Daniel  Mar'n  Katz    

Page 5: ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

Sta's'cal  Network  Models  

�  How  do  we  deal  with  dyad-­‐dependence?  

¡  We  have  E  on  both  sides,  which  leads  to  complex  feedbacks.  

¡  Model  degeneracy  and  mis-­‐specifica'on  abound!  

Michael  J.  Bommarito  II  ,  Daniel  Mar'n  Katz    

Page 6: ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

MCMC  

� MCMC:  ¡  MC1  =  Markov  Chain    ¡  MC2  =  Monte  Carlo  

�  Basic  Idea:    ¡  Take  a  random  walk  through  distribu'on-­‐space  where  the  walk’s  equilibrium  is  our  

target  likelihood  distribu'on  ¡  …but  how  do  we  decide  how  to  take  our  random  walk?  ¡  …and  how  many  random  steps  do  we  need  to  take?  

Michael  J.  Bommarito  II  ,  Daniel  Mar'n  Katz    

Page 7: ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

MCMC  

�  How  to  walk?  ¡  Metropolis-­‐Has'ngs:  

÷ Move  an  epsilon  in  state-­‐space    ÷  Accept  or  reject  the  move  depending  on  the  “rejec'on  method”  

¡  Gibbs  Sampling  ÷ What  if  we  knew  the  condi'onal  distribu'ons?  

¢  …but  what  if  there  is  no  path  between  regions  of  the  state-­‐space  along  condi'onally  sampled  paths?  

¢  …or  what  if  the  right  path  occurs  with  such  a  low  probability  as  to  be  un-­‐sampleable?  

Michael  J.  Bommarito  II  ,  Daniel  Mar'n  Katz    

Page 8: ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

ERGM  &  MCMC  

� What  does  MCMC  mean  for  ERGM?  ¡  Imagine  if  each  state  were  a  possible  graph…  ¡  We  could  generate  a  likelihood  distribu'on  over  possible  graph!  ¡  We  also  obtain  MCMC  standard  errors,  lecng  us  think  about  our  coefficient  es'mates  as  more  than  just  points.  

�  This  allows  us  to  use  likelihood  in  all  the  regular  ways  (with  a  properly  specified  model).  

Michael  J.  Bommarito  II  ,  Daniel  Mar'n  Katz    

Page 9: ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

What  about  the  RHS?  

�  So  what  interes'ng  things  can  we  throw  on  the  RHS?  ¡  Assorta've  mixing  with  shared  vertex  aFributes  ¡  Density    ¡  Clustering  coefficient  /  number  of  triangles  ¡  Path  length  distribu'on  ¡  Edgewise  shared  partners  ¡  Geometrically-­‐weighted  edgewise  shared  partners  (safer!)  ¡  …  ¡  Any  variable  you  can  code  yourself!  

Michael  J.  Bommarito  II  ,  Daniel  Mar'n  Katz    

Page 10: ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

Exponen'al  Random  Graph  Models  (p*)  

�  DocumentaLon!  ¡  Statnet  webpage:  hQp://csde.washington.edu/statnet/resources.shtml  ¡  Usergroup:  hQp://csde.washington.edu/statnet/statnet_users_group.shtml  

�  Papers  You  Should  Consult:  ¡  Frank,  O.,  &  Strauss,  D.  (1986).  Markov  graphs.  Journal  of  the  American  Sta<s<cal  Associa<on,  81,  

832-­‐842.        ¡  Wasserman,  S.,  &  Pacson,  P.  E.  (1996).  Logit  models  and  logis'c  regressions  for  social  networks:  I.  

An  introduc'on  to  Markov  graphs  and  p*.  Psychometrika,  61,  401-­‐425.    

¡  Anderson,  C.J.,  Wasserman,  S.,  &  Crouch,  B.  (1999).  A  p*  primer:  Logit  models  for  social  networks.  Social  Networks,  21,  37-­‐66.    

¡  Snijders,  T.A.B.  (2002).  Markov  chain  Monte  Carlo  es'ma'on  of  exponen'al  random  graph  models.  Journal  of  Social  Structure,  3,  2.    

¡  Garry  Robins,  Tom  Snijders,  Peng  Wang,  Mark  Handcock  &    Philippa  Pacson  (2007).  Recent  developments  in  exponen<al  random  graph  (p*)  models  for  social  networks,  Social  Networks,  29  192–215.    

 Michael  J.  Bommarito  II  ,  Daniel  Mar'n  Katz    

Page 11: ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

Exponen'al  Random  Graph  Models  (p*)  

�  SoVware  You  Might  Consider:    

 ÷ R  Siena  (Now  Available  for  R)      

¢  Runs  ERGM  models  

÷ Has  some  computa'onal  limita'ons  (~  1000  nodes)    ÷ Also,  allows  for  Longitudinal  Network  Analysis    

•  Including  analysis  of  longitudinal  data  of  networks  and  behavior    

hFp://www.stats.ox.ac.uk/~snijders/siena/      

Michael  J.  Bommarito  II  ,  Daniel  Mar'n  Katz    

Page 12: ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

Exponen'al  Random  Graph  Models  (p*)  

�  SoVware  You  Might  Consider:    

 ÷ R  package  developed  by  some  of  the  leading  scholars  (hFp://statnet.org/)  

÷ Statnet  is  a  suite  of  sorware  packages  for  sta's'cal  network  analysis  

÷ Func'onality  is  powered  by  a  Markov  chain  Monte  Carlo  (MCMC)  

÷ hFp://cran.r-­‐project.org/web/packages/statnet/index.html      

   

Michael  J.  Bommarito  II  ,  Daniel  Mar'n  Katz    

Page 13: ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

Statnet  Tutorial  

�  Statnet  Tutorial    

÷ A  Statnet  Tutorial    Steven  M.  Goodreau,      Mark  S.  Handcock,      David  R.  Hunter,      Carter  T.  BuQs,  and      MarLna  Morris,    

         24  Journal  of  StaLsLcal                    SoVware  1  (2008).    

 

   

hFp://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/ar'cles/PMC2443947/  

Michael  J.  Bommarito  II  ,  Daniel  Mar'n  Katz    

Page 14: ICPSR - Complex Systems Models in the Social Sciences - Lecture 5(b) - Professor Daniel Martin Katz

Video  Based  Tutorial  

�  Video  You  Might  Consider:    

÷ Carter  BuFs  Tutorial  @  Poli'cal  Networks  Conference  (DUKE  2010)    

÷ Descrip'on:    hFp://www.poli.duke.edu/poli'calnetworks/day01.html      ÷ Morning  Session:    hFp://'nyurl.com/23r3v9t  

•  Available  in  both  Flash  &  Quick'me    •  (hFp://lectopia.oit.duke.edu/ilectures/ilectures.lasso?ut=1065&id=27646)  

÷ Arernoon  Session:    hFp://'nyurl.com/2bpxnud  •  Available  in  both  Flash  &  Quick'me    •  (hFp://lectopia.oit.duke.edu/ilectures/ilectures.lasso?ut=1065&id=27647)        

 

   

Michael  J.  Bommarito  II  ,  Daniel  Mar'n  Katz