Эволюционный алгоритм - Evolutionary algorithm - Wikipedia

Часть серии по
Искусственный интеллект

В вычислительный интеллект (CI), эволюционный алгоритм (EA) это подмножество из эволюционные вычисления,[1] общий популяционный метаэвристический оптимизация алгоритм. Советник использует механизмы, вдохновленные биологическая эволюция, Такие как воспроизведение, мутация, рекомбинация, и отбор. Возможные решения к проблема оптимизации играют роль индивидов в популяции, а фитнес-функция определяет качество решений (см. также функция потерь ). Эволюция популяции происходит после повторного применения вышеуказанных операторов.

Эволюционные алгоритмы часто хорошо аппроксимируют решения всех типов проблем, потому что в идеале они не делают никаких предположений относительно лежащих в основе фитнес-ландшафт. Методы эволюционных алгоритмов, применяемые к моделированию биологической эволюции, обычно ограничиваются исследованиями микроэволюционные процессы и модели планирования, основанные на клеточных процессах. В большинстве реальных приложений советников вычислительная сложность является запрещающим фактором.[2] Фактически, эта вычислительная сложность связана с оценкой функции приспособленности. Приближение фитнеса является одним из способов преодоления этой трудности. Однако, казалось бы, простой советник может решать часто сложные задачи;[нужна цитата ] следовательно, между сложностью алгоритма и сложностью проблемы может не быть прямой связи.

Выполнение

Ниже приведен пример универсального одноцелевого генетический алгоритм.

Шаг 1. Создайте начальную численность населения из отдельные лица случайно. (Первое поколение)

Шаг второй: повторите следующие шаги восстановления до завершения:

  1. Оцените фитнес каждого человека в популяции (ограничение по времени, достигнутая достаточная физическая подготовка и т. д.)
  2. Выберите наиболее подходящих людей для воспроизведение. (Родители)
  3. Порода новые люди через кроссовер и мутация операции по рождению потомство.
  4. Замените наименее приспособленных особей населения новыми особями.

Типы

Подобные техники отличаются генетическое представление и другие детали реализации, а также характер конкретной прикладной проблемы.

  • Генетический алгоритм - Это самый популярный тип советников. Кто-то ищет решение проблемы в форме цепочек чисел (традиционно двоичных, хотя наилучшими представлениями обычно являются те, которые отражают что-то о решаемой проблеме),[2] применяя такие операторы, как рекомбинация и мутация (иногда один, иногда оба). Этот тип советников часто используется в оптимизация проблемы.
  • Генетическое программирование - Здесь решения представлены в виде компьютерных программ, и их пригодность определяется их способностью решать вычислительную задачу.
  • Эволюционное программирование - Подобно генетическому программированию, но структура программы фиксирована, а ее числовые параметры могут изменяться.
  • Программирование экспрессии генов - Подобно генетическому программированию, GEP также развивает компьютерные программы, но исследует систему генотип-фенотип, где компьютерные программы разных размеров закодированы в линейных хромосомах фиксированной длины.
  • Стратегия развития - Работает с векторами действительных чисел в качестве представления решений и обычно использует самоадаптивные скорости мутации.
  • Дифференциальная эволюция - Основан на векторных различиях и поэтому в первую очередь подходит для численная оптимизация проблемы.
  • Нейроэволюция - Подобно генетическому программированию, но геномы представляют собой искусственные нейронные сети, описывая структуру и веса связей. Кодирование генома может быть прямым или косвенным.
  • Система обучающих классификаторов - Здесь решение - это набор классификаторов (правил или условий). Michigan-LCS развивается на уровне отдельных классификаторов, тогда как Pittsburgh-LCS использует совокупности наборов классификаторов. Первоначально классификаторы были только бинарными, но теперь они включают реальные, нейронные сети или S-выражение типы. Пригодность обычно определяется на основе силы или точности. обучение с подкреплением или же контролируемое обучение подход.

Сравнение с биологическими процессами

Возможное ограничение[согласно кому? ] многих эволюционных алгоритмов - это отсутствие четкого генотип-фенотип различие. В природе оплодотворенная яйцеклетка подвергается сложному процессу, известному как эмбриогенез стать зрелым фенотип. Это косвенное кодирование считается, что делает генетический поиск более надежным (т.е. снижает вероятность фатальных мутаций), а также может улучшить эволюционируемость организма.[3][4] Такие косвенные (также известные как генеративные или развивающиеся) кодирования также позволяют эволюции использовать закономерность окружающей среды.[5] Последние работы в области искусственный эмбриогенез, или искусственные системы развития, стремится решить эти проблемы. И программирование экспрессии генов успешно исследует систему генотип-фенотип, где генотип состоит из линейных мультигенных хромосом фиксированной длины, а фенотип состоит из нескольких деревьев экспрессии или компьютерных программ разных размеров и форм.[6][неправильный синтез? ]

Связанные методы

Алгоритмы роя[требуется разъяснение ] включают

  • Оптимизация колонии муравьев - Основан на идеях, связанных с поиском пищи муравьями с помощью феромонной коммуникации для формирования путей. В первую очередь подходит для комбинаторная оптимизация и график проблемы.
  • Алгоритм «бегун-корень» (RRA) основан на функции побегов и корней растений в природе.[7]
  • Алгоритм искусственной пчелиной семьи - На основе поведения медоносных пчел при кормлении. В первую очередь предлагается для численной оптимизации и расширен для решения задач комбинаторной, ограниченной и многокритериальной оптимизации.
  • Алгоритм пчел основан на кормлении медоносных пчел. Он применялся во многих приложениях, таких как маршрутизация и планирование.
  • Кукушка поиск вдохновлен задумчивым паразитизмом кукушка разновидность. Он также использует Леви рейсы, поэтому он подходит для глобальных оптимизация проблемы.
  • Оптимизация Electimize - основана на поведении потока электронов через ветви электрической цепи с наименьшим электрическим сопротивлением.[8]
  • Оптимизация роя частиц - На основе представлений о стайном поведении животных. Также в первую очередь подходит для численная оптимизация проблемы.

Другое по населению метаэвристический методы

  • Охота Поиск - Метод, вдохновленный групповой охотой на некоторых животных, таких как волки, которые организуют свое положение так, чтобы окружать добычу, каждое из них относительно положения других, и особенно положения их лидера. Это метод непрерывной оптимизации[9] адаптирован как метод комбинаторной оптимизации.[10]
  • Адаптивный размерный поиск - В отличие от метаэвристических методов, вдохновленных природой, алгоритм адаптивного размерного поиска не реализует никаких метафор в качестве основного принципа. Скорее, он использует простой ориентированный на производительность метод, основанный на обновлении параметра отношения размерности поиска (SDR) на каждой итерации.[11]
  • Алгоритм светлячка навеян поведением светлячков, привлекающих друг друга мигающим светом. Это особенно полезно для мультимодальной оптимизации.
  • Поиск гармонии - На основе представлений о поведении музыкантов в поисках лучших гармоний. Этот алгоритм подходит как для комбинаторной оптимизации, так и для оптимизации параметров.
  • Гауссовская адаптация - На основе теории информации. Используется для максимизации выхода продукции, средний фитнес или же средняя информация. См. Например Энтропия в термодинамике и теории информации.
  • Меметический алгоритм - Гибридный метод, вдохновленный Ричард Докинз В понимании мемов он обычно принимает форму алгоритма, основанного на популяциях, в сочетании с индивидуальными процедурами обучения, способными выполнять локальные уточнения. Подчеркивает использование специфических для проблемы знаний и пытается согласовать локальный и глобальный поиск синергетическим образом.

Примеры

В 2020 г. Google заявили, что их AutoML-Zero может успешно заново открыть для себя классические алгоритмы, такие как концепция нейронных сетей.[12]

Компьютерное моделирование Тьерра и Вида попытаться смоделировать макроэволюционный динамика.

Галерея

[13][14][15]

Рекомендации

  1. ^ Вихарь П.А. (2016). «Эволюционные алгоритмы: критический обзор и его перспективы на будущее». Труды Международной конференции по глобальным тенденциям в обработке сигналов, информационных вычислениях и коммуникации 2016 г. (ICGTSPICC). Джалгаон: 261–265. Дои:10.1109 / ICGTSPICC.2016.7955308. ISBN  978-1-5090-0467-6. S2CID  22100336.
  2. ^ а б Кохун, Дж; и другие. (2002-11-26). Эволюционные алгоритмы физического проектирования схем СБИС (PDF). Достижения в эволюционных вычислениях: теория и приложения. Springer, стр. 683-712, 2003. ISBN  978-3-540-43330-9.
  3. ^ Г.С. Хорнби и Дж. Б. Поллак. «Создание компонентов высокого уровня с генеративным представлением для эволюции тела и мозга». Искусственная жизнь, 8(3):223–246, 2002.
  4. ^ Джефф Клун, Бенджамин Бекманн, Чарльз Офриа и Роберт Пеннок. «Развитие скоординированных походок четвероногих с помощью генеративного кодирования HyperNEAT» В архиве 2016-06-03 в Wayback Machine. Материалы специальной секции Конгресса IEEE по эволюционным вычислениям по эволюционной робототехнике, 2009. Тронхейм, Норвегия.
  5. ^ Дж. Клун, К. Офрия и Р. Т. Пеннок, «Как генеративное кодирование работает по мере уменьшения регулярности проблемы», в PPSN (Г. Рудольф, Т. Янсен, С. М. Лукас, К. Полони и Н. Бойме, ред.), Т. 5199 из Конспект лекций по информатике, стр. 358–367, Springer, 2008.
  6. ^ Феррейра, К., 2001. «Программирование экспрессии генов: новый адаптивный алгоритм решения проблем». Сложные системы, Vol. 13, выпуск 2: 87–129.
  7. ^ Ф. Меррих-Баят, «Алгоритм« бегунок-корень »: метаэвристика для решения задач одномодальной и мультимодальной оптимизации, вдохновленная побегами и корнями растений в природе» Прикладные мягкие вычисления, Vol. 33. С. 292–303, 2015.
  8. ^ Халафаллах Ахмед; Абдель-Рахим Мохамед (01.05.2011). «Electimize: новый эволюционный алгоритм оптимизации с применением в строительстве». Журнал вычислительной техники в гражданском строительстве. 25 (3): 192–201. Дои:10.1061 / (ASCE) CP.1943-5487.0000080.
  9. ^ Oftadeh, R .; Mahjoob, M.J .; Шариатпанахи, М. (октябрь 2010 г.). «Новый алгоритм метаэвристической оптимизации, вдохновленный групповой охотой на животных: поиск по охоте». Компьютеры и математика с приложениями. 60 (7): 2087–2098. Дои:10.1016 / j.camwa.2010.07.049.
  10. ^ Амин Агаргор; Мохаммед Эссаид Риффи (2017). "Первая адаптация алгоритма поиска охоты для задачи квадратичного назначения". Успехи сотрудничества Европы и Ближнего Востока и Северной Африки в области информационных и коммуникационных технологий. Достижения в интеллектуальных системах и вычислениях. 520: 263–267. Дои:10.1007/978-3-319-46568-5_27. ISBN  978-3-319-46567-8.
  11. ^ Хасанчеби, О., Каземзаде Азад, С. (2015), «Адаптивный размерный поиск: новый метаэвристический алгоритм для оптимизации размеров дискретной фермы», Компьютеры и конструкции, 154, 1–16.
  12. ^ Гент, Эдд (13 апреля 2020 г.). «Искусственный интеллект развивается сам по себе». Наука | AAAS. Архивировано из оригинал 16 апреля 2020 г.. Получено 16 апреля 2020.
  13. ^ Simionescu, P.A .; Beale, D.G .; Дозье, Г. (2004). «Решение задач ограниченной оптимизации с использованием алгоритмов оценки распределения» (PDF). Proc. Конгресса 2004 г. по эволюционным вычислениям - CEC2004. Портленд, штат Орегон: 1647–1653. Дои:10.1109 / CEC.2006.1688506. S2CID  1717817. Получено 7 января 2017. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ Simionescu, P.A .; Dozier, G.V .; Уэйнрайт, Р.Л. (2006). «Эволюционный алгоритм для двух популяций для задач оптимизации с ограничениями» (PDF). 2006 Международная конференция IEEE по эволюционным вычислениям. Proc 2006 Международная конференция IEEE по эволюционным вычислениям. Ванкувер, Канада. С. 1647–1653. Дои:10.1109 / CEC.2006.1688506. ISBN  0-7803-9487-9. S2CID  1717817. Получено 7 января 2017.
  15. ^ Симионеску, П.А. (2014). Инструменты компьютерного построения графиков и моделирования для пользователей AutoCAD (1-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN  978-1-4822-5290-3.

внешняя ссылка

Библиография