Генетический алгоритм

Генетический алгоритм

Генети́ческий алгори́тм (англ. genetic algorith) — это эвристический алгоритм поиска, используемый для решения задач оптимизации и моделирования путём случайного подбора, комбинирования и вариации искомых параметров с использованием механизмов, напоминающих биологическую эволюцию. Является разновидностью эволюц

ионных вычислений. Отличительной особенностью генетического алгоритма является акцент на использование оператора «скрещивания», который производит операцию рекомбинации решений-кандидатов, роль которой аналогична роли скрещивания в живой природе.

1. История

«Отцом-основателем» генетических алгоритмов считается Джон Холланд (en:John Henry Holland), книга которого «Адаптация в естественных и искусственных системах» (1975)[1] является основополагающим трудом в этой области исследований. Ему же принадлежит Генетические алгоритмы.

Идея генетических алгоритмов заимствована у живой природы и состоит в организации эволюционного процесса, конечной целью которого является получение оптимального решения в сложной комбинаторной задаче. Разработчик генетических алгоритмов выступает в данном случае как "создатель", который должен правильно установить законы эволюции, чтобы достичь желаемой цели как можно быстрее. Впервые эти нестандартные идеи были применены к решению оптимизационных задач в середине 70-х годов . Примерно через десять лет появились первые теоретические обоснования этого подхода . На сегодняшний день генетические алгоритмы доказали свою конкурентноспособность при решении многих NP-трудных задач и особенно в практических приложениях, где математические модели имеют сложную структуру и применение стандартных методов типа ветвей и границ, динамического или линейного программирования крайне затруднено.

Ежегодно в мире проводится несколько конференций по этой тематике, информацию о которых можно найти в Интернет по адресам:

http://www.natural-selection.com/eps/

http://mat.gsia.cmu.edu/Conferences/ .

Общую схему генетических алгоритмов проще всего понять, рассматривая задачи безусловной оптимизации

max { f (i) | i{0,1}n }.

Примерами служат задачи размещения, стандартизации, выполнимости и другие. Стандартный генетический алгоритм начинает свою работу с формирования начальной популяции I0 = {i1, i2, …, is} — конечного набора допустимых решений задачи. Эти решения могут быть выбраны случайным образом или получены с помощью вероятностных жадных алгоритмов . Как мы увидим ниже, выбор начальной популяции не имеет значения для сходимости процесса в асимптотике, однако формирование "хорошей" начальной популяции (например из множества локальных оптимумов) может заметно сократить время достижения глобального оптимума.

На каждом шаге эволюции с помощью вероятностного оператора селекции выбираются два решения, родители i1, i2. Оператор скрещивания по решениям i1, i2 строит новое решение i' , которое затем подвергается небольшим случайным модификациям, которые принято называть мутациями. Затем решение добавляется в популяцию, а решение с наименьшим значением целевой функции удаляется из популяции.

Доказательство теоремы схем.

1. Выбрать начальную популяцию I0 и положить

f* = max { f (i) | i I0}, k : = 0.

2. Пока не выполнен критерий остановки делать следующее.

2.1. Выбрать родителей i1, i2 из популяции Ik.

2.2. Построить i' по i1, i2.

2.3. Модифицировать i' .

2.4. Если f* < f (i' ), то f* : = f (i' ).

2.5. Обновить популяцию и положить k : = k+1.

Гипотеза 1.

В среднем локальные оптимумы расположены гораздо ближе к глобальному оптимуму, чем к случайно выбранной точке. Их распределение в области допустимых решений на является равномерным. Они концентрируются в районе глобального оптимума, занимая область небольшого диаметра.

Эта гипотеза отчасти объясняет работоспособность генетических алгоритмов. Если в популяции собираются локальные оптимумы, которые согласно гипотезе сконцентрированы в одном месте, и очередное решение i' выбирается где-то между двумя произвольными локальными оптимумами, то такой процесс имеет много шансов найти глобальный оптимум. Аналогичные рассуждения объясняют работоспособность и других локальных алгоритмов. В связи с этим проверка и теоретическое обоснование данной гипотезы представляет несомненный интерес.

2. Описание алгоритма

Схема работы генетического алгоритма

Задача формализуется таким образом, чтобы её решение могло быть закодировано в виде вектора («генотипа») генов. Где каждый ген может быть битом, числом или неким другим объектом. В классических реализациях ГА предполагается, что генотип имеет фиксированную длину. Однако существуют вариации ГА, свободные от этого ограничения.

Некоторым, обычно случайным, образом создаётся множество генотипов начальной популяции. Они оцениваются с использованием «функции приспособленности», в результате чего с каждым генотипом ассоциируется определённое значение («приспособленность»), которое определяет насколько хорошо фенотип им описываемый решает поставленную задачу.

Из полученного множества решений («поколения») с учётом значения «приспособленности» выбираются решения (обычно лучшие особи имеют большую вероятность быть выбранными), к которым применяются «генетические операторы» (в большинстве случаев «скрещивание» — crossover и «мутация» — mutation), результатом чего является получение новых решений. Для них также вычисляется значение приспособленности, и затем производится отбор («селекция») лучших решений в следующее поколение.

Этот набор действий повторяется итеративно, так моделируется «эволюционный процесс», продолжающийся несколько жизненных циклов (поколений), пока не будет выполнен критерий остановки алгоритма. Таким критерием может быть:

· нахождение глобального, либо субоптимального решения;

· исчерпание числа поколений, отпущенных на эволюцию;

· исчерпание времени, отпущенного на эволюцию.

Генетические алгоритмы служат, главным образом, для поиска решений в многомерных пространствах поиска.

Таким образом, можно выделить следующие этапы генетического алгоритма:

1. Задать целевую функцию (приспособленности) для особей популяции

 Скачать реферат