Лабораторна робота № 1. Методи генетичного пошуку Мета роботи

1.1.1 Вивчити основні методи генетичного пошуку.

1.1.2 Навчитися використовувати генетичні методи для розв’язку оптимізаційних задач.

Основні теоретичні відомості

У багатьох технічних задачах актуальною є проблема знаходження глобального оптимуму цільової функції в багатомірному просторі керованих змінних. Традиційні методи багатомірної оптимізації є методами локального пошуку та сильно залежать від вибору початкової точки пошуку. Для знаходження глобального оптимуму доцільно використовувати методи генетичного пошуку.

Генетичні методи засновані на аналогії з природними процесами селекції та генетичними перетвореннями, і поєднують комп'ютерні методи моделювання генетичних процесів у природних і штучних системах.

Традиційно до генетичних методів відносять генетичні алгоритми, генетичні стратегії, генетичне програмування та еволюційне програмування.

Генетичний пошук як метод оптимізації

Генетичний пошук містить у собі групу багатомірних, стохастичних, евристичних оптимізаційних методів, вперше запропонованих Д. Холландом у 1975 р. і заснованих на ідеї еволюції за допомогою природного відбору. Генетичні методи були отримані в процесі узагальнення й імітації в штучних системах таких властивостей живої природи, як природний відбір, пристосованість до змінюваних умов середовища, спадкування нащадками життєво важливих властивостей від батьків і т.ін.

Під стандартним генетичним методом розуміють метод для вирішення оптимізаційних задач вигляду:

f (H) → min,

де f – функція пристосованості (функція придатності, цільова функція, фітнесс-функція);

H = {0; 1}^L – хромосома, що містить в закодованому вигляді параметри цільової функції;

L – кількість розрядів у хромосомі.

Генетичні методи в процесі пошуку використають деяке кодування множини параметрів замість самих параметрів, тому вони можуть ефективно застосовуватися для рішення задач оптимізації, визначених як на числових множинах, так і на кінцевих множинах довільної природи.

Аналогія генетичних методів з поняттями генетики

Основна концепція класичної генетики – ген (реально існуюча, незалежна, комбінуюча та розщеплююча при схрещуваннях одиниця спадковості) була введена І.Г. Менделем з метою пояснення спостережуваної статистики спадкування. Носіями генів у клітинному ядрі особини є нитковидні тіла – хромосоми (структурні елементи клітинного ядра біологічних організмів, що є носіями генів). У генетичних методах терміни “хромосома” і “особина” використаються як синоніми. Місце, що займає ген у хромосомі, називається локусом. Схематично можна уявити собі хромосому як прямолінійний відрізок, а локуси – як послідовні ділянки, на які цей відрізок розбитий. Гени приймають значення, які називаються алелями.

Дії генів проявляються в досить великих співтовариствах організмів, що схрещуються між собою. Такі співтовариства називають популяціями. Популяції характеризуються набором хромосом кожного з об'єктів, сукупність яких визначає генофонд популяції.

Таким чином, генетичні методи запозичили з біології понятійний апарат, ідею колективного пошуку екстремуму, способи представлення генетичної інформації, способи передачі генетичної інформації в послідовності поколінь (генетичні оператори), ідею про переважне розмноження найбільш пристосованих особин.