Evolutionary algorithms: nws yog dab tsi thiab vim li cas lawv thiaj xav tau

Science 2023

Cov txheej txheem:

Evolutionary algorithms: nws yog dab tsi thiab vim li cas lawv thiaj xav tau
Evolutionary algorithms: nws yog dab tsi thiab vim li cas lawv thiaj xav tau
Anonim

Nyob rau hauv thaj chaw ntawm kev txawj ntse, kev hloov pauv hloov pauv hloov pauv (EA) yog ib qho ntawm cov lej suav tag nrho raws li kev ua kom zoo dua metaheuristic. EA siv cov txheej txheem kev tshoov siab los ntawm kev txhim kho lom neeg xws li kev yug me nyuam, kev hloov pauv, rov ua dua thiab xaiv. Cov neeg sib tw daws teeb meem ntawm evolutionary optimization algorithms plays lub luag haujlwm ntawm cov tib neeg hauv cov pejxeem. Thiab tseem lub zog muaj nuj nqi txiav txim qhov zoo ntawm cov lus teb.

Evolutionary algorithms feem ntau kwv yees cov kev daws teeb meem rau txhua hom teeb meem zoo. Vim tias qhov zoo tshaj plaws lawv tsis ua qhov kev xav txog lub hauv paus kev noj qab haus huv. Cov txheej txheem siv rau kev ua qauv evolutionary thiab genetic algorithms feem ntau yog txwv rau kev tshawb fawb ntawm cov txheej txheem microevolutionary thiab kev npaj ua qauv raws li qib cellular. Hauv feem ntau cov ntawv thov EA tiag tiag, kev ua lej nyuaj yog qhov txwv tsis pub.

Ua tauQhov teeb meem no muaj feem xyuam nrog kev kwv yees ua haujlwm tawm dag zog. Fitness approximation yog ib qho kev daws teeb meem los daws qhov teeb meem no. Txawm li cas los xij, zoo li yooj yim EA tuaj yeem daws cov teeb meem nyuaj. Yog li ntawd, yuav tsis muaj kev sib raug zoo ncaj qha ntawm qhov nyuaj ntawm qhov sib lawv liag thiab qhov teeb meem. Xav paub ntau ntxiv tuaj yeem pom hauv phau ntawv "Evolutionary Algorithms".

Kev Ua Haujlwm

evolutionary qauv thiab algorithms
evolutionary qauv thiab algorithms

Kauj ruam ib yog los tsim thawj cov pej xeem ntawm cov tib neeg ntawm random.

Kauj Ruam 2 yog ntsuas qhov tsim nyog ntawm txhua tus neeg hauv pab pawg no (lub sijhawm txwv, kev npaj txaus, thiab lwm yam).

Kauj Ruam 3 - rov ua dua cov kauj ruam hauv qab no kom ua tiav:

  1. Xaiv cov neeg tsim nyog tshaj rau yug me nyuam (niam txiv).
  2. Nqa cov neeg tshiab uas tau dhau qhov kev hloov pauv hloov pauv hloov pauv hloov pauv kom tau cov xeeb ntxwv.
  3. Tshaj tawm lub cev muaj zog ntawm cov neeg tshiab.
  4. Hloov cov neeg uas haum tsawg kawg nrog lawv.

Type

Genetic Algorithm yog ib qho kev hloov pauv hloov zuj zus, hom nrov tshaj plaws ntawm Tus Kws Pab Tswv Yim. Kev daws teeb meem yog nrhiav nyob rau hauv daim ntawv ntawm cov hlua ntawm cov lej (ib txwm ua binary, txawm hais tias cov sawv cev zoo tshaj plaws feem ntau yog cov uas muaj kev cuam tshuam ntau dua hauv qhov teeb meem tau daws) los ntawm kev thov cov tswv lag luam xws li recombination thiab mutation (qee zaum ib qho, qee zaum ob qho tib si.). Hom kws tshaj lij no feem ntau siv rau hauv cov teeb meem optimization. Lwm lub npe rau qhov no yog fetura (los ntawm Latin rau "yug"):

  1. YGenetic programming. Nws nthuav tawm cov kev daws teeb meem raws li cov lej hauv computer, thiab lawv qhov kev tsim nyog tau txiav txim siab los ntawm lawv lub peev xwm los ua cov haujlwm suav.
  2. Kev hloov pauv hloov pauv. Zoo ib yam li evolutionary genetic algorithm, tab sis tus qauv yog tsau thiab nws cov lej tsis tuaj yeem hloov pauv.
  3. Programming gene expression. Tsim cov ntawv thov hauv computer, tab sis tshawb txog cov kab ke genotype-phenotype, qhov twg cov phiaj xwm sib txawv ntawm qhov ntau thiab tsawg yog encoded ntawm qhov ntev-ntev linear chromosomes.
  4. Txoj Kev. Ua hauj lwm nrog vectors ntawm tus lej tiag tiag li sawv cev ntawm kev daws teeb meem. Feem ntau siv nws tus kheej-adaptive evolutionary mutation rate algorithms.
  5. Differential development. Raws li vector sib txawv thiab yog li feem ntau haum rau cov teeb meem kev ua kom zoo ntawm tus lej.
  6. Neuroevolution. Zoo ib yam li evolutionary programming thiab genetic algorithms. Tab sis tom kawg yog cov khoom siv hluav taws xob neural, piav qhia txog cov qauv thiab qhov hnyav ntawm kev sib txuas. Genome encoding tuaj yeem ncaj qha lossis tsis ncaj.

Sib piv nrog cov txheej txheem lom neeg

Ib qho kev txwv ntawm ntau qhov kev hloov pauv hloov pauv hloov pauv yog qhov tsis muaj qhov sib txawv ntawm cov genotype thiab phenotype. Nyob rau hauv qhov xwm txheej, lub qe fertilized undergoes ib tug complex txheej txheem hu ua embryogenesis kom paub tab. Qhov kev tsis ncaj ncees no yog xav tias yuav ua rau kev tshawb nrhiav caj ces txhim khu kev qha (piv txwv li, tsis tshua muaj peev xwm ua rau tuag taus) thiab kuj tseem tuaj yeem txhim kho lub cev muaj peev xwm txhim kho. Xws li indirect (hauv lwm lo lus,generative los yog kev loj hlob) encodings kuj tso cai rau evolution los siv tsis tu ncua nyob rau hauv ib puag ncig.

Kev ua haujlwm tsis ntev los no hauv kev tsim cov embryogenesis lossis cov txheej txheem kev loj hlob nrhiav los daws cov teeb meem no. Thaum programming gene qhia, thaj tsam genotype-phenotype tau tshawb pom tiav, qhov twg thawj zaug muaj cov kab sib txuas ntawm cov kab sib txuas ntawm qhov ntev, thiab qhov thib ob ntawm ntau cov ntoo qhia lossis khoos phis tawj ntawm ntau qhov ntau thiab tsawg thiab duab.

Txoj kev sib txheeb

evolutionary algorithms
evolutionary algorithms

Algorithms suav nrog:

  1. Ant colony optimization. Nws yog raws li lub tswv yim uas kab tshawb nrhiav zaub mov los ntawm kev sib txuas nrog pheromones los ua txoj hauv kev. Feem ntau haum rau combinatorial optimization thiab teeb duab teeb meem.
  2. Root slider algorithm. Tus tsim tau tshwm sim los ntawm kev ua haujlwm ntawm cov cag ntoo hauv qhov xwm txheej.
  3. Algorithm rau cov muv cuav. Raws li tus cwj pwm ntawm zib mu. Nws yog feem ntau tau thov rau kev ua kom zoo ntawm cov lej thiab txuas ntxiv los daws cov teeb meem sib xyaw ua ke, thaj tsam, thiab ntau yam teeb meem. Bee algorithm yog raws li kev coj noj coj ua ntawm kab. Nws tau raug siv rau hauv ntau daim ntawv thov xws li routing thiab teem caij.
  4. Particle swarm optimization - raws li tsiaj txhu coj tus cwj pwm tswv yim. Thiab tseem tsim nyog rau cov haujlwm ua lej.

Lwm txoj kev nrov metaheuristic

  1. Yawg nrhiav. Ib txoj hauv kev raws li pab pawg ntes ntawm qee yam tsiaj, xws li hma, piv txwv li, uasfaib lawv lub luag haujlwm los puag ncig tus tsiaj. Txhua tus tswv cuab ntawm evolutionary algorithm cuam tshuam rau lwm tus hauv qee txoj kev. Qhov no tshwj xeeb tshaj yog rau cov thawj coj. Qhov no yog txoj kev ua kom zoo txuas ntxiv mus raws li txoj kev sib txuas ua ke.
  2. Nrhiav los ntawm kev ntsuas. Tsis zoo li cov txheej txheem metaheuristic xwm txheej, cov txheej txheem hloov kho algorithm tsis siv qhov piv txwv raws li nws lub hauv paus ntsiab lus. Xwb, nws siv txoj kev ua tau zoo-taw qhia kom yooj yim raws li kev hloov kho qhov kev tshawb nrhiav qhov piv txwv ntawm txhua qhov iteration. Firefly algorithm yog kev tshoov siab los ntawm yuav ua li cas fireflies nyiam ib leeg nrog lawv lub teeb ci. Qhov no yog tshwj xeeb tshaj yog pab tau rau multimodal optimization.
  3. Nrhiav kev sib haum xeeb. Raws li cov tswv yim ntawm tus cwj pwm ntawm cov kws ntaus nkauj. Hauv qhov no, evolutionary algorithms yog txoj hauv kev mus rau combinatorial optimization.
  4. Gaussian kev hloov pauv. Raws li cov ntaub ntawv theory. Siv los ua kom muaj kev ua tau zoo tshaj plaws thiab muaj qhov nruab nrab. Ib qho piv txwv ntawm evolutionary algorithms nyob rau hauv qhov teeb meem no: entropy nyob rau hauv thermodynamics thiab cov ntaub ntawv txoj kev xav.

Memetic

evolutionary qauv
evolutionary qauv

Ib txoj kev hybrid raws li Richard Dawkins lub tswv yim ntawm meme. Nws feem ntau siv daim ntawv ntawm cov pej xeem-raws li cov txheej txheem ua ke nrog cov txheej txheem kev kawm ntawm tus kheej uas muaj peev xwm ua tau zoo hauv zos. Taw qhia txog kev siv cov teeb meem tshwj xeeb kev paub thiab sim ua kom zoo-grained thiab thoob ntiaj teb kev tshawb fawb hauv kev sib koom ua ke.

Evolutionaryalgorithms yog ib tug heuristic mus kom ze rau cov teeb meem uas yuav daws tsis tau yooj yim nyob rau hauv lub sij hawm polynomial, xws li classical NP- nyuaj teeb meem thiab lwm yam uas yuav siv sij hawm ntev heev rau tag nrho cov txheej txheem. Thaum siv nws tus kheej, lawv feem ntau yog siv rau cov teeb meem sib txuas. Txawm li cas los xij, genetic algorithms feem ntau yog siv nyob rau hauv tandem nrog rau lwm txoj kev, ua raws li ib tug ceev txoj kev mus nrhiav tau ntau yam zoo pib qhov chaw ua hauj lwm nrog.

Qhov chaw ntawm qhov kev hloov pauv hloov pauv hloov pauv (lub npe hu ua tus kws pab tswv yim) yog qhov yooj yim heev uas koj paub txog cov txheej txheem ntawm kev xaiv ntuj. Nws muaj plaub kauj ruam tseem ceeb:

  • pib;
  • xaiv;
  • tus neeg teb xov tooj;
  • end.

Txhua ntawm cov kauj ruam no kwv yees sib haum rau qee yam ntawm kev xaiv ntuj thiab muab txoj hauv kev yooj yim los hloov cov pawg ntawm cov txheej txheem. Yooj yim muab tso, hauv EA, cov tswv cuab zoo tshaj plaws yuav muaj sia nyob thiab rov tsim dua tshiab, thaum cov tswv cuab tsis haum yuav tuag thiab tsis pab rau tiam tom ntej cov noob caj noob ces.

Initialization

Txhawm rau pib lub algorithm, koj yuav tsum xub tsim cov kev daws teeb meem. Cov pej xeem yuav muaj tus lej ntawm cov ntsiab lus teeb meem tshwm sim, feem ntau hu ua cov tswv cuab. Lawv feem ntau raug tsim los ntawm qhov tsis sib xws (hauv qhov txwv ntawm txoj haujlwm) lossis, yog tias qee qhov kev paub dhau los paub, qhov chaw nyob ib puag ncig ntawm qhov pom zoo. Nws yog ib qho tseem ceeb uas cov pej xeem suav nrog ntau yam kev daws teeb meem,vim nws yog qhov tseem ceeb ntawm cov gene pas dej. Yog li ntawd, yog tias ib tug xav tshawb nrhiav ntau qhov sib txawv hauv ib qho algorithm, ib tus yuav tsum siv zog kom muaj ntau yam noob caj noob ces.

Kev xaiv

cov kab mob caj ces
cov kab mob caj ces

Thaum cov pej xeem tau tsim, tam sim no nws cov tswv cuab yuav tsum raug soj ntsuam raws li kev ua haujlwm qoj ib ce. Lub zog ua haujlwm coj tus yam ntxwv ntawm tus tswv cuab thiab muab tus lej sawv cev ntawm qhov haum rau tus tswv cuab. Tsim lawv feem ntau yuav nyuaj heev. Nws yog ib qho tseem ceeb kom nrhiav tau ib qho system zoo uas yog sawv cev rau cov ntaub ntawv. Qhov no tshwj xeeb heev rau qhov teeb meem. Tam sim no nws yog ib qho tsim nyog los xam qhov tsim nyog ntawm txhua tus neeg koom thiab xaiv qee tus tswv cuab zoo tshaj.

Ntau lub hom phiaj ua haujlwm

EAs kuj tuaj yeem txuas ntxiv mus siv cov tshuab no. Qhov no ua rau cov txheej txheem nyuaj me ntsis, vim tias tsis yog kev txheeb xyuas ib qho kev pom zoo, ib txheej tau txais thaum siv lawv. Cov txheej txheem kev daws teeb meem yog hu ua Pareto frontier thiab muaj cov ntsiab lus uas tsim nyog sib npaug ntawm qhov kev txiav txim siab uas tsis muaj leej twg ua rau lwm tus.

Genetic operators

Cov kauj ruam no suav nrog ob kauj ruam ua ntej: crossover thiab kev hloov pauv. Tom qab xaiv cov ntsiab lus zoo tshaj plaws (feem ntau yog saum 2, tab sis tus lej no tuaj yeem sib txawv), tam sim no lawv tau siv los tsim cov tiam tom ntej hauv algorithm. Los ntawm kev siv cov yam ntxwv ntawm cov niam txiv xaiv, cov me nyuam tshiab raug tsim uas yog sib xyaw ua ke ntawm cov khoom zoo. Qhov no feem ntau tuaj yeem nyuaj nyob ntawm hom ntaub ntawv, tab sis feem ntau hauv cov teeb meem combinatorialNws yog qhov ua tau los sib tov thiab tso tawm cov kev sib txuas siv tau.

Tam sim no nws yog qhov tsim nyog los qhia cov khoom siv caj ces tshiab rau hauv tiam neeg. Yog tias cov kauj ruam tseem ceeb no tsis tau ua, tus kws tshawb fawb yuav tau daig nyob rau hauv qhov chaw siab heev thiab tsis tau txais txiaj ntsig zoo. Cov kauj ruam no yog kev hloov pauv, thiab nws tau ua tiav yooj yim, hloov ib feem me me ntawm cov menyuam yaus hauv txoj hauv kev uas lawv feem ntau tsis cuam tshuam txog cov txheej txheem ntawm niam txiv cov noob. Kev hloov pauv feem ntau tshwm sim tshwm sim, txij li qhov tshwm sim uas tus menyuam yuav tau txais, nrog rau nws qhov hnyav, txiav txim siab los ntawm kev faib tawm.

Kev txiav txim

qauv thiab algorithms
qauv thiab algorithms

Thaum kawg, lub algorithm yuav tsum xaus. Qhov no feem ntau tshwm sim hauv ob qhov xwm txheej: txawm tias nws tau mus txog qee lub sijhawm ua tiav siab tshaj plaws, lossis nws tau mus txog qhov pib ua haujlwm. Lub sijhawm no, qhov kev daws teeb meem kawg raug xaiv thiab xa rov qab.

Piv txwv ntawm evolutionary algorithms

Tam sim no, txhawm rau qhia txog qhov tshwm sim ntawm cov txheej txheem no, koj yuav tsum pom tus kws pab tswv yim ua haujlwm. Ua li no, peb tuaj yeem nco qab yuav ua li cas ob peb tiam ntawm dinosaurs tau kawm taug kev (maj mam paub txog thaj av), optimizing cov qauv ntawm lawv lub cev thiab siv cov leeg nqaij. Txawm hais tias cov tsiaj reptiles thaum ntxov tsis tuaj yeem taug kev, tus kws pab tswv yim tuaj yeem hloov kho lawv lub sijhawm dhau los ntawm kev hloov pauv thiab hla mus rau hauv daim ntawv uas tuaj yeem taug kev.

Cov algorithms no tau dhau los ua qhov cuam tshuam hauv lub ntiaj teb niaj hnub no, vim tias cov kev daws teeb meem raws li lawv tau nce siv hauv kev lag luam xws li kev lag luam digital, nyiaj txiag thiabkho mob.

EAs siv nyob qhov twg?

Ntau qhov dav, evolutionary algorithms yog siv ntau yam kev siv xws li kev ua duab, kev tsav tsheb, kev sib txuas lus zoo, kev tsim kho software, thiab txawm tias kev cob qhia neural network. Cov cuab yeej no yog lub plawv ntawm ntau lub apps thiab cov vev xaib uas tib neeg siv txhua hnub, suav nrog Google Maps thiab txawm tias ua si zoo li The Sims. Tsis tas li ntawd, kev kho mob siv EA los pab txiav txim siab txog kev kho mob qog noj ntshav. Qhov tseeb, evolutionary algorithms yog qhov muaj zog heev uas lawv tuaj yeem siv los daws txhua qhov teeb meem kev ua kom zoo.

Moore's Law

Kev loj hlob ntawm EO yog tsav los ntawm ob yam tseem ceeb: muaj kev suav lub zog thiab kev sib sau ntawm cov ntaub ntawv loj. Thawj zaug tuaj yeem piav qhia los ntawm Moore Txoj Cai, uas qhov tseem ceeb tau hais tias lub zog ntawm kev suav hauv lub khoos phis tawj ob npaug kwv yees li txhua ob xyoos. Qhov kev kwv yees no tau tuav tau ntau xyoo lawm. Qhov thib ob cuam tshuam txog kev vam khom rau kev siv thev naus laus zis, uas tso cai rau cov tuam tsev sau cov ntaub ntawv ntau heev, uas tso cai rau lawv los tshuaj xyuas cov ncauj lus thiab ua kom zoo dua cov khoom.

Yuav ua li cas evolutionary algorithms pab cov lag luam?

genetic modeling
genetic modeling

kev lag luam hloov pauv sai thiab sib tw heev. Qhov no tau yuam cov thawj tswj hwm kev lag luam sib tw rau kev txiav txim siab zoo dua. Nce nyob rau hauv muajKev suav fais fab tau coj cov neeg ua haujlwm siv EA rau kev daws teeb meem.

Kev hloov pauv kom zoo

qauv thiab genetic algorithms
qauv thiab genetic algorithms

Ib lub hom phiaj tseem ceeb yog txhawm rau nce tus nqi ntawm cov neeg tuaj saib rau lub xaib. Qhov teeb meem no npau taws mus rau optimizing tus naj npawb ntawm cov neeg siv uas ua raws li tus neeg lag luam xav tau. Piv txwv li, yog tias ib lub tuam txhab muag cov laptops, qhov zoo tshaj plaws yog nce tus naj npawb ntawm cov neeg tuaj xyuas qhov chaw uas xaus rau kev yuav khoom. Nov yog lub ntsiab ntawm kev hloov pauv tus nqi kom zoo.

Ib qho ntawm qhov tseem ceeb ceeb yog qhov kev xaiv ntawm cov neeg siv interface. Yog tias lub vev xaib tsim tsis zoo rau cov neeg siv khoom, muaj cov neeg uas xaus tsis yuav cov khoom rau ib qho lossis lwm qhov. Lub hom phiaj yog los txo tus naj npawb ntawm cov neeg siv uas xaus tsis hloov pauv, uas ua rau kom cov txiaj ntsig tag nrho.

Cov npe nrov