遗传算法授课课件-1

遗传算法(一)遗传算法简介产生早在50年代，一些生物学家开始研究运用数字计算机模拟生物的自然遗传与自然进化过程；1963年，德国柏林技术大学的I.Rechenberg和H.P.Schwefel，做风洞实验时，产生了进化策略的初步思想；60年代，L.J.Fogel在设计有限态自动机时提出进化规划的思想。1966年Fogel等出版了《基于模拟进化的人工智能》，系统阐述了进化规划的思想。1.遗传算法的产生与发展遗传算法简介产生60年代中期，美国Michigan大学的J.H.Holland教授提出借鉴生物自然遗传的基本原理用于自然和人工系统的自适应行为研究和串编码技术；1967年，他的学生J.D.Bagley在博士论文中首次提出“遗传算法(GeneticAlgorithms)”一词；1975年，Holland出版了著名的“AdaptationinNaturalandArtificialSystems”，标志遗传算法的诞生。遗传算法的产生与发展遗传算法简介发展70年代初，Holland提出了“模式定理”（SchemaTheorem），一般认为是“遗传算法的基本定理”，从而奠定了遗传算法研究的理论基础；1985年，在美国召开了第一届遗传算法国际会议，并且成立了国际遗传算法学会(ISGA，InternationalSocietyofGeneticAlgorithms)；遗传算法的产生与发展遗传算法简介发展1989年，Holland的学生D.J.Goldherg出版了“GeneticAlgorithmsinSearch,Optimization,andMachineLearning”，对遗传算法及其应用作了全面而系统的论述；1991年，L.Davis编辑出版了《遗传算法手册》，其中包括了遗传算法在工程技术和社会生活中大量的应用实例。遗传算法的产生与发展遗传算法简介几个名词概念遗传算法——智能计算——人工智能遗传算法的产生与发展所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所所遗传算法简介几个名词概念进化计算：遗传算法的产生与发展由于遗传算法、进化规划和进化策略是不同领域的研究人员分别独立提出的，在相当长的时期里相互之间没有正式沟通。直到90年代，才有所交流。他们发现彼此的基本思想具有惊人的相似之处，于是提出将这类方法统称为“进化计算”(EvolutionaryComputation)。遗传算法简介几个名词概念计算智能：遗传算法的产生与发展计算智能主要包括神经计算、进化计算和模糊计算等。它们分别从不同的角度模拟人类的智能活动，以使计算机具有智能。通常将基于符号处理的传统人工智能称为符号智能，以区别于正在兴起的计算智能。符号智能的特点是以知识为基础，偏重于逻辑推理，而计算智能则是以数据为基础，偏重于数值计算。遗传算法简介达尔文的自然选择说遗传（heredity）：子代和父代具有相同或相似的性状，保证物种的稳定性；变异（variation）：子代与父代，子代不同个体之间总有差异，是生命多样性的根源；生存斗争和适者生存：具有适应性变异的个体被保留，不具适应性变异的个体被淘汰。自然选择过程是长期的、缓慢的、连续的过程。2.生物进化理论和遗传学的基本知识遗传算法简介遗传学基本概念与术语染色体（chromosome）：遗传物质的载体；脱氧核糖核酸（DNA）：大分子有机聚合物，双螺旋结构；遗传因子（gene）：DNA或RNA长链结构中占有一定位置的基本遗传单位；生物进化理论和遗传学的基本知识遗传算法简介遗传学基本概念与术语基因型（genotype）：遗传因子组合的模型；表现型（phenotype）：由染色体决定性状的外部表现；生物进化理论和遗传学的基本知识11111111110111遗传算法简介遗传学基本概念与术语基因座（locus）：遗传基因在染色体中所占据的位置，同一基因座可能有的全部基因称为等位基因（allele）；个体（individual）：指带有染色体特征的实体；种群（population）：个体的集合，该集合内个体数称为种群的大小；生物进化理论和遗传学的基本知识遗传算法简介遗传学基本概念与术语进化（evolution）：生物在其延续生存的过程中，逐渐适应其生存环境，使得其品质不断得到改良，这种生命现象称为进化；适应度（fitness）：度量某个物种对于生存环境的适应程度。对生存环境适应程度较高的物种将获得更多的繁殖机会，而对生存环境适应程度较低的物种，其繁殖机会就会相对较少，甚至逐渐灭绝;生物进化理论和遗传学的基本知识遗传算法简介遗传学基本概念与术语选择（selection）：指决定以一定的概率从种群中选择若干个体的操作；复制（reproduction）：细胞在分裂时，遗传物质DNA通过复制而转移到新产生的细胞中，新的细胞就继承了旧细胞的基因;交叉（crossover）：在两个染色体的某一相同位置处DNA被切断，其前后两串分别交叉组合形成两个新的染色体。又称基因重组，俗称“杂交”;生物进化理论和遗传学的基本知识遗传算法简介遗传学基本概念与术语变异（mutation）：在细胞进行复制时可能以很小的概率产生某些复制差错，从而使DNA发生某种变异，产生出新的染色体，这些新的染色体表现出新的性状;编码（coding）：表现型到基因型的映射；解码（decoding）：从基因型到表现型的映射。生物进化理论和遗传学的基本知识遗传算法基本概念与术语个体（individual）：GA所处理的基本对象、结构。群体（population）：个体的集合。位串（bitString）：个体的表示形式。对应于遗传学中的染色体（Chromosome）基因（gene）：位串中的元素，表示不同的特征。对应于生物学中的遗传物质单位，以DNA序列形式把遗传信息译成编码。遗传算法基本概念与术语位串结构空间（bitStringSpace）：等位基因任意组合构成的位串集合，基因操作在位串结构空间进行，对应于遗传学中的基因型的集合。参数空间（ParametersSpace）：是位串空间在物理系统中的映射。对应于遗传学中的表现型的集合。适应值（fitness）：某一个体对于环境的适应程度，或者在环境压力下的生存能力，取决于遗传特性。复制、选择（reproductionorselection）：在有限资源空间上的排他性竞争。逆转或倒位（inversion）：反转位串上的一段基因的排列顺序。对应于染色体上的一部分，在脱离之后反转180o再连接起来。遗传算法基本概念与术语单倍体（haploid，monoploid）：细胞核中有n个正常的不配对染色体。二倍体（diploid）、多倍体（polyploid）：细胞核中有2n或更多个正常的配对染色体。基因型（genotype）：或称遗传型，指用基因组定义遗传特征和表现。对应于GA中的位串。表现型（phenotype）：生物体的基因型在特定环境下的表现特性。对应于GA中的位串解码后的参数。基因连结（linkage）：两个或更多的等位基因出现在同一个染色体上。对应于GA中的模式的概念。上位遗传或者基因关联（即epistasis）：两个非等位基因之间的相互作用，使得其中之一（上位基因）对另一个（下位基因）的表现型产生干扰或抑制。对应于优化函数的非线性特征（non-linearity）遗传算法基本概念与术语基因多效性（pleiotropy）：指单一基因对生物体多个物理性状的影响。对应于GA求解多目标优化问题中，某个变量对多个目标函数的影响。多基因效性（polygeny）：指生物体某个物理性状由多个基因共同决定。对应于GA求解多目标优化问题中，某个目标函数的值由多个变量的状态所决定。遗传源变或遗传漂移（geneticdift）：指群体的遗传组成的随机变化，不含自然选择的影响。局部环境（environmentalniches）：具有某种特征的子环境，其中生物体具有特定的染色体结构，表现出特定的物理性状。对应于多模态函数中局部极值点的邻域。遗传算法简介进化论与遗传学的融合1930～1947年，达尔文进化论与遗传学走向融合，Th.Dobzhansky1937年发表的《遗传学与物种起源》是融合进化论与遗传学的代表作。生物进化与智能学的关系生物物种作为复杂系统，具有奇妙的自适应、自组织和自优化能力，这是一种生物在进化过程中体现的智能，也是人工系统梦寐以求的功能。生物进化理论和遗传学的基本知识遗传算法简介遗传算法的基本思路3遗传算法的思路与特点遗传算法简介自组织、自适应和自学习性在编码方案、适应度函数及遗传算子确定后，算法将利用进化过程中获得的信息自行组织搜索。本质并行性内在并行性与内含并行性不需求导只需目标函数和适应度函数概率转换规则强调概率转换规则，而不是确定的转换规则遗传算法的特点遗传算法简介选择适应度计算：计算结果非负选择算法：两类基于适应度比例的基于适应度排序的4遗传算法的基本操作遗传算法简介选择选择算法：轮盘赌选择（roulettewheelselection）随机遍历抽样（stochasticuniversalselection）局部选择（localselection）截断选择（truncationselection）锦标赛选择（tournamentselection）遗传算法的基本操作遗传算法简介交叉或基因重组实值重组（realvaluedrecombination）：离散重组（discreterecombination）中间重组（intermediaterecombination）线性重组（linearrecombination）扩展线性重组（extendedlinearrecombination）遗传算法的基本操作遗传算法简介交叉或基因重组二进制交叉（binaryvaluedcrossover）：单点交叉（single-pointcrossover）多点交叉（multiple-pointcrossover）均匀交叉（uniformcrossover）洗牌交叉（shufflecrossover）缩小代理交叉（crossoverwithreducedsurrogate）遗传算法的基本操作遗传算法简介变异实值变异二进制变异遗传算法的基本操作遗传算法简介简单实例1.产生初始种群2.计算适应度遗传算法的基本操作0001100000010111100100000001011001110100101010101011100101101001011011110000000110011101000001010011（8）（5）（2）（10）（7）（12）（5）（19）（10）（14）遗传算法简介简单实例3.选择遗传算法的基本操作个体染色体适应度选择概率累积概率10001100000820101111001530000000101241001110100105101010101076111001011012710010110115811000000011991001110100101000010100111488＋5＋2＋10＋7＋12＋5＋19＋10＋140.08695758＋5＋2＋10＋7＋12＋5＋19＋10＋140.0543480.0217390.1086960.0760870.1304350.0543480.2065220.1086960.152174遗传算法简介简单实例3.选择遗传算法的基本操作个体染色体适应度选择概率累积概率1000110000082010111100153000000010124100111010010510101010107611100101101271001011011581100000001199100111010010100001010011140.08