Sets of numbers from complex networks perspective

Abstract

[EN] The study of Complex Systems is one of the scientific fields that has had the highest productivity in recent decades and has not ceased to fascinate the community dedicated to studying its properties. In particular, Network Science has proven to be one of the most prolific areas within Complex Systems. In recent years, his methods have been applied to model multiple phenomena in real life, both naturally generated, such as in biology, and due to the actions and interactions of man, such as social networks or communication networks. Recently, it has been seen how the methods of Network Science can be applied in the context of mathematics, as is the case of Number Theory. One of the most studied cases is networks whose elements are numbers and which are related through the divisibility relation. The main objective of this thesis is to extend these studies to other sets of numbers. On the one hand, we study the divisibility in natural numbers when we obtain these from Pascal matrices of increasing size, which allows us to extract non-sequential sets of numbers with non-constant increments between them. On the other hand, we study the case of the divisibility relation of rational numbers. Cantor's diagonal argument provides a way to order all rational numbers, which allows us to check to what extent some of the properties observed for the divisibility of natural numbers are extensible to a more general context. The thesis is divided into 4 Chapters. Chapter 1 contains a general introduction to the thesis and it is structured into 6 sections. In Sections 1.1 and 1.2, we briefly introduce Network Science, show some application examples, and motivate the study of networks of numbers generated from the divisibility property. In Section 1.3, we define the objectives of this PhD thesis and its scope. In Section 1.4, we present the notion of network, its representations, and some measures that can be calculated on them, such as nodes degrees, their distribution, the assortativity and the clustering coefficients. In another hand, in Section 1.5, we review the best-known network models such as Erdo¿s and Re'nyi random networks, Watts and Strogatz small-world networks, Baraba'si and Albert scale-free networks, and hierarchical networks. Finally, at the end of this Chapter 1, we show in Section 1.6 a review of various studies carried out in order to apply Network Science methods to problems and properties that arise in Number Theory, such as divisibility networks or networks generated from Collatz's Conjecture. or Goldbach's Strong Conjecture. In Chapters 2 and 3, we show the results obtained and that have been published to date. Finally, in Chapter 4, we summarize the conclusions obtained and indicate some related problems that we consider of interest to address in the future.

[ES] El estudio de los Sistemas Complejos es uno de los campos científicos que ha tenido mayor productividad en las últimas décadas y no ha dejado de fascinar a la comunidad que se dedica al estudio de sus propiedades. En particular, la Ciencia de Redes se ha mostrado como una de las áreas más prolíficas dentro de los Sistemas Complejos. En los últimos años, sus métodos han sido aplicados para modelar múltiples fenómenos de la vida real tanto generados de manera natural, como puede ser en el caso de la biología, como debidos a las acciones e interacciones del hombre, como puede ser el caso de las redes sociales o las redes de comunicaciones. Recientemente, se ha visto cómo los métodos de la Ciencia de Redes pueden ser aplicados en el contexto de las matemáticas, como es el caso de la Teoría de Números. Uno de los casos que más se han estudiado es el de las redes cuyos elementos son números y que se relacionan mediante la relación de la divisibilidad. El objetivo principal de esta tesis es extender estos estudios a otros conjuntos de números. Por una parte, estudiamos la divisibilidad en los números naturales cuando obtenemos estos a partir de subconjuntos de números naturales extraídos de matrices de Pascal de orden creciente, lo que nos permite extraer conjuntos de números de manera no secuencial y con incrementos no constantes entre ellos. Por otra parte, estudiamos el caso de la relación de divisibilidad de los números racionales, dado que a partir del argumento diagonal de Cantor se pueden ordenar, lo que nos permite comprobar hasta qué punto algunas de las propiedades observadas para la divisibilidad de los números naturales son extensibles a un contexto más general. La tesis se divide en 4 capítulos. El capítulo 1 contiene una introducción general a la tesis y está estructurado en 6 secciones. En las secciones 1.1 y 1.2, presentamos brevemente la Ciencia de Redes, mostrando algunos ejemplos de aplicación y motivamos el estudio de redes de números generadas a partir de la propiedad de divisibilidad. En la Section 1.3, definimos los objetivos de esta tesis doctoral y su alcance. En la sección 1.4, presentamos la noción de red, sus formas de representación y algunas medidas que se pueden calcular sobre ellas, como son los grados de los nodos, la distribución de estos grados, la asortatividad y los coeficientes de clustering. Por otro lado, en la Sección 1.5, revisamos los modelos de redes más conocidos como son las redes aleatorias de Erdös y Rényi, las redes de pequeño mundo de Watts y Strogatz, las redes libres de escala de Barabási y Albert y las redes jerárquicas. Mostramos en la Sección 1.6, una revisión de diversos estudios realizados con el fin de aplicar métodos de la Ciencia de Redes a problemas y propiedades que surgen en la Teoría de Números, como son las redes de divisibilidad o redes generadas a partir de la Conjetura de Collatz o la Conjetura Fuerte de Goldbach. En los Capítulos 2 y 3, mostramos los resultados obtenidos y que han sido publicados hasta la fecha y, finalmente, en el Capítulo 4, resumimos las conclusiones obtenidas e indicamos algunos problemas relacionados que consideramos de interés abordar en un futuro.

[CAT] L'estudi dels Sistemes Complexos és un dels camps científiques que ha tingut major productivitat en les últimes dècades i no ha deixat de fascinar a la comunitat que es dedica a l'estudi de les seues propietats. En particular, la Ciència de Xarxes s'ha mostrat com una de les àrees més prolífica dins dels Sistemes Complexos. En els últims anys, els seus mètodes han sigut aplicats per a modelar múltiples fenòmens de la vida real tant generats de manera natural, com pot ser en el cas de la biologia, com deguts a les accions i interaccions de l'home, com pot ser el cas de les xarxes socials o les xarxes de comunicacions. Recentment, s'ha vist com els mètodes de la Ciència de Xarxes poden ser aplicats en el context de les matemàtiques, com és el cas de la Teoria de Números. Un dels casos que més s'han estudiat és el de les xarxes els elements de les quals són números i que es relacionen mitjançant la relació de la divisibilitat. L'objectiu principal d'aquesta tesi és estendre aquests estudis a altres conjunts de números. D'una banda, estudiem la divisibilitat en els nombres naturals quan obtenim aquests a partir de matrius de Pascal de grandària creixent, la qual cosa ens permet extraure conjunts de números de manera no sequëncial i amb increments no constants entre ells. D'altra banda, estudiem el cas de la relació de divisibilitat dels nombres racionals, atés que a partir de l'argument diagonal de Cantor es poden ordenar, la qual cosa ens permet comprovar fins a quin punt algunes de les propietats observades per a la divisibilitat dels nombres naturals són extensibles a un context més general. La tesi es troba dividida en 4 Capítols. El capítol 1, conté una introducció general a la tesi i está estructurat en 6 seccions. En les seccions 1.1 i 1.2, presentem breument la Ciència de Xarxes, mostrant alguns exemples d'aplicació i motivem l'estudi de xarxes de números generades a partir de la propietat de divisibilitat. En la Section 1.3, definim els objectius d'aquesta tesi doctoral y el seu abast. En la Secció 1.4, presentem la noció de xarxa, les seves formes de representació i algunes mesures que es poden calcular sobre elles, com són els graus dels nodes, la distribució d'aquests graus, la asortatividad i els coeficients de clustering. En la Sección 1.5, revisem els models de xarxes més coneguts com són les xarxes aleatòries de Erdös i Renyi, les xarxes de xicotet món de Watts i Strogatz, les xarxes lliures d'escala de Barabási i Albert i les xarxes jeràrquiques. Mostrem en la Sección 1.6 una revisió de diversos estudis realitzats amb la finalitat d'aplicar mètodes de la Ciència de Xarxes a problemes i propietats que sorgeixen en la Teoria de Números, com són les xarxes de divisibilitat o xarxes generades a partir de la Conjectura de Collatz o la Conjectura Forta de Goldbach. En els Capítols 2 i 3, vam mostrar els resultats obtinguts i que han sigut publicats fins hui i, finalment, en el Capítol 4, resumim les conclusions obtingudes i indiquem alguns problemes relacionats que considerem d'interés abordar en un futur.