ENSAI Cours 6 – Représentations des réseaux

Avertissement devenant rituel : je ne sais pas (pas encore) rédiger correctement mes cours. Il s’agit donc plus ici de notes de cours grossièrement mises en forme que d’un cours en ligne à proprement parler. Ces notes seront utilement complétées par le visionnage de la présentation téléchargeable ici.

Introduction

L’analyse de réseau est basée sur la théorie des graphes et du calcul matriciel et n’impose a priori pas de représentation graphique spécifique. Pourtant, très tôt (cf Moreno, 1934), l’habitude a été prise de montrer graphiquement la structure du réseau étudié (Bahoken et al., 2013). La représentation graphique de données quantitatives suppose le respect d’un certain de règles visant à favoriser la lisibilité de la figure produite (partie 1). En fonction de la nature des données disponibles et de l’objectif de la représentation, il est possible de choisir entre représentation matricielle, représentation de graphe et cartographie de flux (partie 2). La représentation des grands réseaux peut poser des problèmes et nécessiter le recours à d’autres formes de représentation et des approches mixtes sont également possibles (partie 3).

1 Notions de sémiologie graphique

L’objectif de la sémiologie graphique, dont le créateur français est Jacques Bertin (1963), est d’établir un certain nombre de règles visant à favoriser la lecture et l’interprétation correcte des graphiques produits, qu’il s’agisse de diagrammes, de cartes, de réseaux etc. Il faut noter que si un courant anglophone a basé ces règles sur des études empiriques liées à la perception et à la cognition, les règles forgées par Bertin ne sont pas basées sur de telles études… Selon Bertin, seule la variable visuelle taille permet de représenter des données quantitatives portant sur des stocks quand la valeur ou la couleur traduisent des relations quantitatives continues, segmentées en classes. Si la population de mon réseau est divisée en classe d’âge par exemple, il est autorisé d’utiliser des couleurs différentes (éventuellement graduées) pour colorer mes sommets mais la taille ne pourra varier qu’en fonction d’une quantité (le degré par exemple).

Compléter ces règles par les trois principes de l’excellence graphique définis par Tufte (1983) est un bon moyen pour produire des figures lisibles. Ces trois principes sont les suivants : « L’excellence graphique est une présentation bien conçue des données d’intérêt [. . .], [elle] vise à communiquer des idées complexes avec clarté, précision et efficacité ; [elle] est ce qui donne au lecteur le plus grand nombre d’idées dans le temps le plus court, tout en utilisant le moins d’encre sur un minimum d’espace » (Tufte, 1983, p. 51).

Dans le cadre d’une figure destinée à transmettre un message (hors démarche exploratoire donc), il est nécessaire que cette image soit accompagnée d’une légende, tout comme il est recommandé de préciser les outils de visualisation utilisés (logiciel et algorithmes). Il est fréquent de voir des images où les sommets sont de différentes formes, de différentes couleurs, les liens d’épaisseur variable et aucun indice ne permet de savoir ce que représentent ces formes, ces couleurs et ces épaisseurs…

2 Matrice, graphe et carte de flux

Deux formes de représentation sont toujours possibles en analyse de réseau (la matrice et le graphe), une troisième l’est parfois selon les données utilisées (la carte*).

Le fait d’ordonner une matrice, c’est-à-dire de permuter lignes et colonnes pour faire ressortir les structures du réseau étudié, est l’une des moyens les plus efficaces pour visualiser la structure d’ensemble et les relations individuelles dans un réseau. Cette matrice ordonnée peut éventuellement être transformée en matrice bloquée représentant les liens entre les principales parties du réseau (cf cours 2 et le passage sur l’équivalence). Différents tests, menés notamment par l’équipe de Jean-Daniel Fekete, ont montré qu’il était plus rapide de trouver une information précise dans une matrice ordonnée que dans une représentation sous forme de graphe.

Dès les premiers sociogrammes dessinés manuellement par Moreno dans les années 1930, un certain nombre de conventions vont être utilisées pour représenter les graphes ; elles vont ensuite s’imposer et être intégrées dans la plupart des algorithmes existants. Trois grands principes de représentation s’imposent dès le départ : 1) les sommets les plus connectés sont placés au centre de la figure ; 2 ) les sommets les moins connectés sont placés en périphérie de la figure ; 3) il faut limiter, autant que possible, le chevauchement des liens. À noter que Moreno faisait le choix de représenter, sur le même graphe, les phénomènes d’attractions et de répulsions, à l’aide de symboles géométriques (ligne, cercle, triangle) de couleurs noires et rouges 2 . Ce mode de représentation multiplexe n’est plus utilisé aujourd’hui, non pas parce qu’il manque d’efficacité, mais parce qu’il ne semble pas faire partie des possibilités offertes par les logiciels actuels…

Dans les faits, l’ensemble des algorithmes de visualisation pourrait désormais être regroupé en deux grandes familles. La première famille concerne les algorithmes issues de l’analyse de données. La deuxième famille, plus récente, concerne les algorithmes de dessin fondés sur les forces (Force-based ou Force-directed algorithms). Les algorithmes issus de l’analyse de données déterminent la position des nœuds en appliquant un traitement statistique sur la matrice d’adjacence. Cette matrice n’est autre qu’une matrice de similarité (de proximités) ou de covariance (pour les analyses en composantes principales). Les algorithmes développés tentent alors de représenter au mieux cette matrice dans un espace en deux ou trois dimensions. Ainsi les distances observées doivent être aussi proches que possible de celles obtenues à partir de l’algorithme. L’objectif est donc de minimiser une fonction nommée « fonction de stress ». Dans les algorithmes fondés sur la force, les nœuds peuvent être considérés comme des particules de même charge qui se repoussent et les arcs peuvent être assimilés à des ressorts qui tendent à rapprocher les nœuds voisins. Ces algorithmes cherchent alors à minimiser l’énergie du système en déplaçant les nœuds. Il faut noter que le même algorithme testé sur le même jeu de données dans différents logiciels donne parfois des résultats très différents les uns des autres. La pratique la plus commune reste bien souvent de tester différents algorithmes jusqu’à obtenir une image à peu près lisible et interprétable.

La représentation la plus fréquente des réseaux bipartis est d’aligner en haut l’un des groupes, en bas l’autre groupe et de tracer les liens entre les deux. Cette habitude ne limite pas les chevauchements de liens qu’il serait facile d’éviter si ces contraintes – arbitraires – de position n’étaient pas respectées.

La cartographie des flux pose un certain de problèmes qui peuvent limiter la lisibilité de l’information (Bahoken, 2011). Les chevauchements de liens ne peuvent la plupart du temps être évités d’où le fameux effet spaghetti. Les liens longs (France – Nouvelle Zélande) attireront davantage l’œil que les liens courts (France – Belgique), même si les liens courts sont plus intenses, plus épais, de teinte plus foncés etc. Différentes solutions ont été proposées : la plus radicale – mais qui n’est plus permise par les logiciels actuels – est de déplacer les lieux pour faire de la place aux liens (cf les cartes de flux de Minard) ; le filtrage des liens (flux dominants, flux majeurs) ; la modification de la projection ; la transformation des flux en stock (représentation par cercles proportionnels ou anamorphoses des marges de la matrice).

La multiplication des plate-formes de visualisation interactives facilite l’exploration des matrices, des réseaux et des cartes de flux. Mais nous sommes alors dans un cadre exploratoire et non dans un cadre de communication d’un résultat. Laisser à l’utilisateur la liberté de jouer avec les couleurs, les tailles, les représentations etc. est aussi un moyen de ne pas choisir quelle information faire passer via les graphiques.

3 Représentation des réseaux complexes et approches mixtes

Si la représentation de graphe peut être lisible pour quelques dizaines voire quelques centaines de sommets – et encore, si la densité de liens est faible -, il devient illusoire de penser produire une image quand le réseau étudié comporte quelques (centaines de) milliers de sommets. Si des cartes ou des graphes de ce type sont régulièrement produits, l’enjeu est essentiellement technique – et parfois esthétique (cf la devenue fameuse carte mondiale des liens facebook et la lecture critique faite en 3 billets par T. Joliveau sur le blog monde géonumérique). L’idée géniale des physiciens a été d’utiliser d’autres types de graphiques afin de révéler une propriété donnée des réseaux étudiés, par exemple montrer la distribution des degrés et tracer la courbe la résumant pour établir si le réseau est ou non sans échelle.

Il est possible enfin de croiser les approches, et par exemple de mêler matrice pour les parties denses et graphe pour les parties peu denses d’un réseau (cf le logiciel NodeTrix), de produire des matrices en trois dimensions pour introduire la dimension temporelle (logiciel Cubix).

Conclusion

Si la sociométrie a placé le dessin des relations au cœur de son dispositif (cf cours 1), la social network analysis a inversement eu un recours limité à la représentation graphique des relations étudiées et la première décennie de la revue Social networks est d’une étonnante pauvreté graphique (cf cours 2). En géographie, la domination des représentations cartographiques projetées a longtemps été un frein à des visualisations alternatives et parfois plus efficace. Par contre, les études sur les réseaux complexes ont simultanément vu l’apparition de nouveaux modes de représentation et un fort intérêt pour les défis techniques liés à la visualisation. La multiplication des logiciels et la puissance des ordinateurs actuels permettent de réaliser facilement des représentations soignées. Le respect des règles basiques de sémiologie graphique, la réalisation systématique de légende (impossible avec la plupart des logiciels existant) – que représentent les liens ? les épaisseurs ? les sommets ? les couleurs… – pourraient permettre de dépasser l’effet joli image trop souvent rencontré.

Note

* Les spécialistes des web studies et de la visualisation de données (data viz) utilisent très souvent le terme de carte et de cartographie pour désigner la représentation de réseaux. Les nombreuses cartographies du web réalisées ces dernières années sont parfois des cartes, le plus souvent des graphes.

Pour aller plus loin
F. Bahoken, 2011, Représentation graphique des matrices. Graphe et/ou carte des flux ?
F. Bahoken, L. Beauguitte et S. Lhomme, 2013, La visualisation des réseaux. Principes, enjeux et perspectives
J. Bertin, 1967, Sémiologie graphique. Les diagrammes – Les réseaux – Les cartes, Éditions Gauthier-Villar
G. Garrote, 2014, Réseaux : de la notion à l’analyse. Heurs et malheurs d’un outil, http://reshist.hypotheses.org/464
E.R. Tufte, 1983, The Visual Display of Quantitative Information, Graphics Press, Cheschire
Site de l’équipe animée par Jean-Daniel Fekete à l’INRIA : http://www.aviz.fr/


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