Algorytmy genetyczne

Tutorial
Na ten temat mamy również tutorial „Problem komiwojażera, algorytm genetyczny”, który ilustruje działanie algorytmu krok po kroku. Zapraszamy do zapoznania się z nim!
Algorytm genetyczny, schemat blokowy (1) Schemat blokowy algorytmu genetycznego
REKLAMA

Etyczny haking. Praktyczne wprowadzenie do hakingu
−40%53,40 zł
Algorytmy uczenia maszynowego. Zaawansowane techniki implementacji
−40%53,40 zł

Algorytm genetycznymetaheurystyka inspirowana biologiczną ewolucją.

Pojęcie algorytmu genetycznego nie jest powiązane z żadnym konkretnym problemem obliczeniowym, algorytm ten może być wykorzystywany do rozwiązywania różnych problemów. Algorytm genetyczny nie próbuje rozwiązywać problemu w sposób analityczny, ale próbuje uzyskać jak najlepsze rozwiązania poprzez wybieranie jak najlepszych cech rozwiązań z określonej puli. Implementując algorytm genetyczny należy przedstawić potencjalne rozwiązanie problemu w postaci jakiejś struktury danych, a następnie zdefiniować operacje krzyżowania, mutacji i selekcji. Zakładamy, że z każdym kolejnym pokoleniem rozwiązania występujące w populacji będą coraz lepsze.

Operacje

Utworzenie populacji początkowej

Na początku działania algorytmu trzeba utworzyć populację początkową. Najczęściej polega to na utworzeniu pewnej liczby zupełnie losowych rozwiązań (określanych jako osobniki).

Sposób kodowania rozwiązania (osobnika) nie jest określony, zależy on od konkretnego problemu do rozwiązania. Klasycznym podejściem jest kodonie binarne, czyli przedstawienie osobnika za pomocą ciągu zer i jedynek. Wówczas wartość 1 może oznaczać obecność jakiegoś elementu w rozwiązaniu, a 0 jej brak. Innym popularnym rozwiązaniem jest ciąg liczb naturalnych. Takie rozwiązanie znajduje zastosowanie między innymi w przypadku problemu komiwojażera, gdzie kolejność liczb oznacza kolejność odwiedzania punktów na trasie.

Ocena jakości

Algorytm genetyczny musi mieć funkcję oceny jakości rozwiązania pozwalającą określić, które rozwiązanie jest lepsze. Funkcja ta jest określana jako funkcja oceny lub funkcja przystosowania.

Krzyżowanie

Operacja krzyżowania polega na utworzeniu potomka (lub potomków) na podstawie dwóch wybranych elementów populacji. Potomek zawiera w sobie część cech jednego rodzica, a część drugiego. W przypadku kodowania binarnego najprostszym rozwiązaniem jest skopiowanie części ciągu z jednogo rodzica, a pozostałej części z drugiego. Jeśli osobniki zakodowane są za pomocą ciągu liczb, można stosować następującą metodę krzyżowania: część rozwiązania jest kopiowana z jednego rodzica, a następnie brakujące liczby są wstawiane w takiej kolejności, w jakiej wystąpowały w drugim rodzicu.

Mutacja

Operacja mutacji polega na dokonaniu losowej zmiany w którymś z osobników. Operacja ta powinna być stosowana stosunkowo rzadko (mutacji powinno podlegać znacznie mniej osobników, niż krzyżowaniu). W kodowaniu binarnym mutacją możę być zamiana losowego bitu na przeciwny, a w kodowaniu za pomocą ciągu liczb np. zamiana miejscami dwóch elementów.

Selekcja

Celem selekcji jest usunięcie z populacji rozwiązań słabych, a pozostawienie dobrych, które będą podlegały krzyżowaniu. W trywialnym przypadku może być zrealizowane po prostu przez pozostawienie określonej liczby najlepszych rozwiązań (osobników) i usunięcie pozostałych. Zazwyczaj selekcja jest bardziej złożona – prawdopodobieństwo zostania rodzicem zależy od oceny jakości osobnika, jednak nawet w przypadku słabych osobników nie jest ono zerowe.

Warunek stopu

Algorytm musi mieć zdefiniowany moment, w którym ma zakończyć swoje działanie. Najprostszym rozwiązaniem jest określenie liczby iteracji (pokoleń). Po zakończeniu działania algorytmu najlepszy osobnik z populacji jest zwracany jako wynik. Warunkiem stopu może być również ocena jakości najlepszego osobnika w populacji.

Zobacz też

Bibliografia

  • A. Debudaj-Grabysz, S. Deorowicz, J. Widuch, Algorytmy i struktury danych. Wybór zaawansowanych metod, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2012, ISBN 9788373359383.
Ocena: -2 Tak Nie
Liczba głosów: 2.

Dodano: 1 maja 2017 18:57, ostatnia edycja: 30 stycznia 2019 15:40.

REKLAMA

Zobacz też

Quicksort, sortowanie szybkie – algorytm sortowania działający w średnim przypadku w czasie liniowo-logarytmicznym. Algorytm jest oparty na metodzie dziel i zwyciężaj. Nie jest to algorytm stabilny ani wykazujący zachowanie naturalne, jednak ze względu na efektywność jest algorytmem bardzo popularnym.

→ Czytaj całość

Rekurencja (inaczej rekursja) – odwołanie się funkcji lub definicji do samej siebie. Mówiąc inaczej, podejście rekurencyjne polega na tym, że rozwiązanie problemu wyraża się za pomocą rozwiązania tego samego problemu dla mniejszych danych wejściowych. Stosowanie rekurencji jest charakterystyczne dla algorytmów projektowanych metodą dziel i zwyciężaj.

Typowym problemem, dla którego można zastosować rekurencję, jest obliczanie silni. Przypomnijmy, że silnia z n jest zdefiniowana jako n!=1×2×…×n. Funkcja ta może być równoważnie zapisana jako:

n!=(n−1)!×n, dla n>0,
n!=1, dla n=0.

W powyższym przykładzie górny wiersz jest ogólnym równaniem rekurencji, zaś dolny wiersz jest wartością brzegową. W języku C++ powyższa funkcja byłaby zapisana w poniższy sposób.

int silnia(int n)
{
    if (n > 0)
    {
        return n * silnia(n-1);
    }
    else
    {
        return 1;
    }
};

Przekształcenie postaci rekurencyjnej funkcji do postaci zwartej (tzn. takiej, która nie zawiera odwołania do samej siebie) jest określane jako rozwiązanie rekurencji. Metody rozwiązywania rekurencji są dostępne między innymi w książkach podanych w bibliografii.

Algorytmy stosujące rekurencję są zazwyczaj proste w implementacji. Jednocześnie wiążą się one z pewnymi problemami. Przy podejściu rekurencyjnym ta sama funkcja jest wywoływana wielokrotnie, co zużywa pamięć operacyjną (w skrajnych przypadkach może to spowodować przepełnienie stosu).

→ Czytaj całość

Problem wydawania reszty (ang. change-making problem) – problem obliczeniowy polegający na tym, aby mając określony zbiór nominałów wyrazić daną kwotę za pomocą jak najmniejszej liczby monet. Jest to szczególny przypadek problemu plecakowego.

→ Czytaj całość
Polityka prywatnościKontakt