background image

 

ALGORYTMY GENETYCZNE

 

(wykład + ćwiczenia) 

 
 

Prof. dr hab. Krzysztof Dems 

 

   

 

 

 

 

Treści programowe: 
 

1. Metody rozwiązywania problemów matematycznych i 

informatycznych. 

2. Elementarny algorytm genetyczny: definicja algorytmu 

genetycznego i jego schemat; analiza działania 
algorytmu genetycznego. 

3. Reprezentacja danych w algorytmie genetycznym, 

kodowanie binarne i rzeczywiste. 

4. Metody selekcji. 
5. Operatory genetyczne. 
6. Funkcja przystosowania i jej charakterystyka. 
7. Reprezentacja genotypu – diploid i dominacja 
8. Zastosowania algorytmów genetycznych. 

 
 
Literatura: 

  T. Gwiazda, Algorytmy genetyczne, Biblioteka 

Sztucznej Inteligencji, Warszawa, 1995 

  J. Cytowski, Algorytmy genetyczne – Podstawy i 

zastosowania, Akademicka Oficyna Wydawnicza, 
Warszawa, 1996 

  D. E. Goldberg, Algorytmy genetyczne i ich 

zastosowania, WNT, Warszawa, 1998 

background image

Katedra Inżynierskich Zastosowań Informatyki WSInf. 
Opracował: Prof. dr hab. Krzysztof Dems                      Materiały pomocnicze do wykładu 

 

 
 
 
 
Treść ćwiczeń: 
 

  Kodowanie binarne i rzeczywiste chromosomu. 

  Przekształcenie i skalowanie funkcji przystosowania. 

  Ograniczenia zbioru rozwiązań. 

  Metody selekcji deterministycznej i stochastycznej. 

  Operatory genetyczne. 

  Analiza działania algorytmu genetycznego. 

background image

Katedra Inżynierskich Zastosowań Informatyki WSInf. 
Opracował: Prof. dr hab. Krzysztof Dems                      Materiały pomocnicze do wykładu 

 

 

Metody rozwiązywania problemów 

matematycznych i informatycznych 

 
 

Rzeczywistość  

  

Model fizyczny

  

  

Model matematyczny

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

Rozwiązanie

  

  

max.)

 

lub

 

(min.

cyjny

optymaliza

 

Problem

 

równań

 

 wiele

lub

 

Jedno

 

 

 
 

Rozwiązywanie równań można sprowadzić do rozwiązania 

problemu optymalizacyjnego 

 

.

min

)]

(

[

0

)

(

2

=

x

f

x

f

 

  lub 

[

]

.

min

)

,

,

(

0

)

,

,

(

2

1

2

1

,

 .

 .

 .

 

,

2

,

1

2

1

=

=

=

n

i

n

i

n

i

n

i

x

x

x

f

x

x

x

f

 

 

Przykład:

 

 

   

)

3

,

1

(

0

3

4

2

1

2

=

=

=

+

x

x

x

x

               

   

 

 

.

min

)

3

4

(

)

(

2

2

+

=

x

x

x

g

 

0

1

2

3

4

x

0

2

4

6

8

10

g

(x

)

 
 

background image

Katedra Inżynierskich Zastosowań Informatyki WSInf. 
Opracował: Prof. dr hab. Krzysztof Dems                      Materiały pomocnicze do wykładu 

 

 

Metody rozwiązania: 

 

  Analityczne 

  Enumeracyjne 

  Losowe 

 
 
Metody analityczne: 

nieskończona przestrzeń poszukiwań

 

   

 

 

- (1) pośrednie  

   

 

 

- (2) bezpośrednie 

 
Ad. (1): poszukuje się lokalnych minimów rozwiązując układ 
równań wynikający z warunku zerowania się gradientu 
funkcji celu. 
 
Ad.  (2):  ‘skakanie’  po  wykresie  funkcji  w  kierunku 
wskazywa-nym  przez  lokalny  gradient  w  celu  osiągnięcia 
lokalnego maximum (wierzchołka). 
 

Wady:

    

  Zakres lokalny. 

 

  Wymagana  gładkość  i 

ciągłość funkcji. 

 
 

     

 

 

 

 

 

background image

Katedra Inżynierskich Zastosowań Informatyki WSInf. 
Opracował: Prof. dr hab. Krzysztof Dems                      Materiały pomocnicze do wykładu 

 

 
Metody enumeracyjne: 

skończona przestrzeń poszukiwań

 

 
Oblicza się kolejno wartości funkcji celu przeglądając 

wszyst-

kie możliwe

 punkty przestrzeni. 

 

Wady:

    

  Metoda  nieefektywna  wraz  ze  wzrostem  rozmiaru 

problemu. 

 
Niech będzie danych n niewiadomych, z których każda może 
przyjąć m wartości: 
 

Ilość możliwych rozwiązań:  

n

m

 

 

Np.: 

1.  n = 5 , m =10  

  

5

10

=

n

m

 = 100 tys. rozwią

zań. 

1000 rozwiązań jest sprawdzanych w ciągu 1 sekundy 

 czas 

znalezienia rozwiązania: 

100 sek

2.  n = 20 , m =10  

  

20

10

=

n

m

8

10

bilionów rozwiązań. 

1000 rozwiązań jest sprawdzanych w ciągu 1 sekundy 

 czas 

znalezienia rozwiązania: 

3,17x10

9

 lat

 

background image

Katedra Inżynierskich Zastosowań Informatyki WSInf. 
Opracował: Prof. dr hab. Krzysztof Dems                      Materiały pomocnicze do wykładu 

 

 

Metody losowe: 

skończona przestrzeń poszukiwań

 

 
Oblicza się kolejno wartości funkcji celu przeglądając 

losowo 

wybrane

  punkty  przestrzeni  ⇒ czas  znalezienia  rozwiązania 

może  być  istotnie  skrócony  w  porównaniu  z  metodami 
enumeracyjnymi

 

 

Cechy:

    

  Ocena  jak  największej  liczby  rozwiązań  w  różnych 

obszarach przestrzeni. 

  Dokładne zbadanie najbardziej obiecujących obszarów. 

 
 

Rodzaje:

    

  Metody czysto losowe – metoda Monte Carlo

 

Algorytmy  genetyczne

  –  wybór  losowy  jest  traktowany 

jako 

„przewodnik” 

prowadzeniu 

wysoce 

ukierunkowanego poszukiwania w przestrzeni rozwiązań. 

 
 

Efektywność metod: 

 

background image

Katedra Inżynierskich Zastosowań Informatyki WSInf. 
Opracował: Prof. dr hab. Krzysztof Dems                      Materiały pomocnicze do wykładu 

 

 

ALGORYTMY GENETYCZNE 

(AG)

 

 

Teoria AG powstała w oparciu o analogie do 

procesów obserwowanych w ewolucji naturalnej. 

 
 

Przyroda ożywiona: 

  W  jądrach  komórkowych  żywych organizmów znajdują 

się 

łańcuchy 

genów 

(chromosomy) 

których 

zakodowana  jest  informacja  o  strukturze  danego 
organizmu. 

  W wyniku krzyżowania się organizmów, dobieranych w 

wyniku  selekcji,  powstaje  nowe  potomstwo,  któremu 
rodzice  przekazują  geny  tworząc  nową  strukturę 
chromosomu  –  a  więc  informacje  o  strukturze 
organizmu który powstaje (proces reprodukcji). 

  Pojawiający  się  rzadko  proces  mutacji  zmienia  łańcuch 

genów,  a  więc  i  strukturę  organizmu  (proces 
reprodukcji

). 

  Naturalna 

selekcja 

jest 

pomostem 

łączącym 

chromosomy 

‘jakość’ 

organizmów 

przez 

nie 

‘opisywanych’. 

  Reprodukcja  jest  momentem  w  którym  następuje 

ewolucja organizmu. 

  Ewolucja  nie  posiada  pamięci  –  wiedza  o  metodzie 

stworzenia  nowego  organizmu  zdolnego  do  wygrania 
walki  ‘o  przetrwanie’  jest  zawarta  w  genach 
chromosomów przez nią wytwarzanych. 

background image

Katedra Inżynierskich Zastosowań Informatyki WSInf. 
Opracował: Prof. dr hab. Krzysztof Dems                      Materiały pomocnicze do wykładu 

 

 

Algorytmy genetyczne: 

  Początki zastosowań datują się od roku 1975. 

 

  Za ojca AG jest uważany J. Holland, który postawił tezę, 

ż

e  poprzez  odpowiednie  zaimplementowanie  procesów 

ewolucyjnych występujących w przyrodzie ożywionej w 
formie  algorytmu  komputerowego  otrzymamy  metodę 
rozwiązywania złożonych problemów tą samą drogą jaką 
kroczy natura – drogą ewolucji. 

 

(J.  Holland,  „Adaptation  In  natural  and  artifical 
systems”, University of Michigan Press, 1975

 

Klasyczny model algorytmu genetycznego