Obliczenia ewolucyjne - plan wykładu



Podobne dokumenty
Algorytm genetyczny (genetic algorithm)-

Algorytm Genetyczny. zastosowanie do procesów rozmieszczenia stacji raportujących w sieciach komórkowych

Algorytmy ewolucyjne - algorytmy genetyczne. I. Karcz-Dulęba

Algorytmy genetyczne. Materiały do laboratorium PSI. Studia niestacjonarne

Algorytmy genetyczne. Materiały do laboratorium PSI. Studia stacjonarne i niestacjonarne

Algorytmy genetyczne

SCHEMAT ROZWIĄZANIA ZADANIA OPTYMALIZACJI PRZY POMOCY ALGORYTMU GENETYCZNEGO

Algorytmy genetyczne

Równoważność algorytmów optymalizacji

PLAN WYKŁADU OPTYMALIZACJA GLOBALNA OPERATOR KRZYŻOWANIA ETAPY KRZYŻOWANIA

Algorytmy ewolucyjne. wprowadzenie

Algorytmy stochastyczne, wykład 01 Podstawowy algorytm genetyczny

Algorytmy ewolucyjne NAZEWNICTWO

Algorytmy genetyczne. Dariusz Banasiak. Katedra Informatyki Technicznej Wydział Elektroniki

6. Klasyczny algorytm genetyczny. 1

Algorytmy genetyczne w optymalizacji

ALGORYTMY GENETYCZNE ćwiczenia

Algorytmy genetyczne

Algorytmy genetyczne (AG)

Algorytmy ewolucyjne 1

Algorytmy ewolucyjne. Łukasz Przybyłek Studenckie Koło Naukowe BRAINS

Zadanie 5 - Algorytmy genetyczne (optymalizacja)

Algorytmy genetyczne

PLAN WYKŁADU OPTYMALIZACJA GLOBALNA HISTORIA NA CZYM BAZUJĄ AG

Inspiracje soft computing. Soft computing. Terminy genetyczne i ich odpowiedniki w algorytmach genetycznych. Elementarny algorytm genetyczny

Algorytmy genetyczne. Paweł Cieśla. 8 stycznia 2009

Strategie ewolucyjne (ang. evolu4on strategies)

Katedra Informatyki Stosowanej. Algorytmy ewolucyjne. Inteligencja obliczeniowa

SZTUCZNA INTELIGENCJA

Standardowy algorytm genetyczny

Algorytmy genetyczne służą głównie do tego, żeby rozwiązywać zadania optymalizacji

METODY HEURYSTYCZNE wykład 3

Algorytmy stochastyczne, wykład 02 Algorytmy genetyczne

ALGORYTMY EWOLUCYJNE W OPTYMALIZACJI JEDNOKRYTERIALNEJ

Wstęp do Sztucznej Inteligencji

Algorytmy memetyczne (hybrydowe algorytmy ewolucyjne)

METODY HEURYSTYCZNE wykład 3

Techniki optymalizacji

SZTUCZNA INTELIGENCJA

Sztuczne sieci neuronowe. Krzysztof A. Cyran POLITECHNIKA ŚLĄSKA Instytut Informatyki, p. 311

Strategie ewolucyjne. Gnypowicz Damian Staniszczak Łukasz Woźniak Marek

Metody przeszukiwania

Algorytmy ewolucyjne Część II

Modyfikacje i ulepszenia standardowego algorytmu genetycznego

ALGORYTMY GENETYCZNE (wykład + ćwiczenia)

BIOCYBERNETYKA ALGORYTMY GENETYCZNE I METODY EWOLUCYJNE. Adrian Horzyk. Akademia Górniczo-Hutnicza

Algorytmy ewolucyjne `

Dobór parametrów algorytmu ewolucyjnego

Strefa pokrycia radiowego wokół stacji bazowych. Zasięg stacji bazowych Zazębianie się komórek

Metody Rozmyte i Algorytmy Ewolucyjne

Optymalizacja parametryczna (punkt kartezjańskim jest niewypukła).

Algorytmy ewolucyjne (2)

ALGORYTMY GENETYCZNE I EWOLUCYJNE

LABORATORIUM 4: Algorytmy ewolucyjne cz. 2 wpływ operatorów krzyżowania i mutacji na skuteczność poszukiwań AE

Generowanie i optymalizacja harmonogramu za pomoca

Odkrywanie algorytmów kwantowych za pomocą programowania genetycznego

OBLICZENIA EWOLUCYJNE

KARTA MODUŁU KSZTAŁCENIA

OBLICZENIA EWOLUCYJNE

Algorytmy genetyczne jako metoda wyszukiwania wzorców. Seminarium Metod Inteligencji Obliczeniowej Warszawa 26 X 2005 mgr inż.

Program "FLiNN-GA" wersja 2.10.β

Automatyczny dobór parametrów algorytmu genetycznego

Algorytmy genetyczne w interpolacji wielomianowej

METODY SZTUCZNEJ INTELIGENCJI algorytmy ewolucyjne

Problemy optymalizacyjne Dana jest przestrzeń X. Znaleźć x X taki, że x spełnia określone warunki. Dana jest przestrzeń X i funkcja celu f: X R.

Optymalizacja optymalizacji

Algorytmy genetyczne Michał Bereta Paweł Jarosz (część teoretyczna)

Optymalizacja. Wybrane algorytmy

Systemy Inteligentnego Przetwarzania wykład 4: algorytmy genetyczne, logika rozmyta

Zadania laboratoryjne i projektowe - wersja β

ALGORYTMY EWOLUCYJNE. INTELIGENTNE TECHNIKI KOMPUTEROWE wykład 011. Napór selekcyjny (selektywny nacisk. Superosobniki: SELEKCJA

Strategie ewolucyjne (ang. evolution strategies)

Algorytmy metaheurystyczne podsumowanie

przetworzonego sygnału

Techniki ewolucyjne - algorytm genetyczny i nie tylko

Spis treści WSTĘP... 9

Plan. Zakres badań teorii optymalizacji. Teoria optymalizacji. Teoria optymalizacji a badania operacyjne. Badania operacyjne i teoria optymalizacji

Problemy z ograniczeniami

LICZEBNOŚĆ POPULACJI OBLICZENIA EWOLUCYJNE. wykład 3. Istotny parametr AG...

LABORATORIUM 3: Wpływ operatorów krzyżowania na skuteczność poszukiwań AE

OPTYMALIZACJA KSZTAŁTU WYKRESU WÖHLERA Z WYKORZYSTANIEM ALGORYTMÓW EWOLUCYJNYCH W UJĘCIU DIAGNOSTYCZNYM

SZTUCZNA INTELIGENCJA

WAE Jarosław Arabas Pełny schemat algorytmu ewolucyjnego

INTELIGENCJA OBLICZENIOWA. dr Katarzyna Grzesiak-Kopeć

Teoria algorytmów ewolucyjnych

Metody i techniki sztucznej inteligencji / Leszek Rutkowski. wyd. 2, 3 dodr. Warszawa, Spis treści

Tomasz Pawlak. Zastosowania Metod Inteligencji Obliczeniowej

6. Algorytm genetyczny przykłady zastosowań.

Obliczenia Naturalne - Algorytmy genetyczne

Rok akademicki: 2013/2014 Kod: JIS AD-s Punkty ECTS: 4. Kierunek: Informatyka Stosowana Specjalność: Modelowanie i analiza danych

FOLIA POMERANAE UNIVERSITATIS TECHNOLOGIAE STETINENSIS Folia Pomer. Univ. Technol. Stetin. 2011, Oeconomica 285 (62), 45 50

FOLIA POMERANAE UNIVERSITATIS TECHNOLOGIAE STETINENSIS Folia Pomer. Univ. Technol. Stetin. 2009, Oeconomica 275 (57), 53 58

Ewolucja Ró»nicowa - Wprowadzenie

OBLICZENIA EWOLUCYJNE

Algorytmy ewolucyjne

Programowanie genetyczne

ALGORYTMY GENETYCZNE

Problemy metody gradientowej

METODY HEURYSTYCZNE 3

Testy De Jonga. Problemy. 1 Optymalizacja dyskretna i ciągła

Transkrypt:

Obliczenia ewolucyjne - plan wykładu Wprowadzenie Algorytmy genetyczne Programowanie genetyczne Programowanie ewolucyjne Strategie ewolucyjne Inne modele obliczeń ewolucyjnych Podsumowanie

Ewolucja Ewolucja OPTYMALIZACJA Udoskonalanie zdolności przeżycia

Optymalizacja globalna Dla zadanej przestrzeni X znajdź x X spełniające określone warunki. Dla zadanej przestrzeni X oraz funkcji celu f:x R znajdź x X takie, że f(x) jest minimum (maksimum) funkcji f na zbiorze X.

Optymalizacja globalna Metody klasyczne Analityczne Numeryczne (gradientowe) Enumeracyjne M. Miczek, Algorytmy genetyczne i ich zastosowanie do dopasowywania zależności teoretycznych do doświadczalnych Inne metody Sieci neuronowe Obliczenia ewolucyjne Logika rozmyta Błądzenie przypadkowe Symulowane wyżarzanie

Obliczenia ewolucyjne Przeszukiwanie przestrzeni alternatywnych rozwiązań oparte na mechanizmach doboru naturalnego oraz dziedziczenia Ewolucyjna zasada przeżycia najlepiej przystosowanych + systematyczna zrandomizowana wymiana informacji

Zrandomizowane poszukiwanie Nie oznacza na oślep! Wybór losowy Narzędzie do ukierunkowania procesu poszukiwań

Klasy algorytmów ewolucyjnych Algorytmy genetyczne (AG) Strategie ewolucyjne (SE) Programowanie ewolucyjne (PE) Programowanie genetyczne (PG) GBML (genetic-based machine learning)

Podstawowy AG (PAG)

Zastosowania AE Optymalizacja wielokryterialna Klasyfikacja i klasteryzacja Planowanie Projektowanie Komponowanie muzyki Data mining... AE to metoda ostatniej szansy :)

Obliczenia ewolucyjne Populacja osobników Kodowanie rozwiązań: chromosom, gen, allel Funkcja przystosowania Selekcja osobników do reprodukcji Operatory genetyczne: krzyżowanie, mutacja

Reprezentacja rozwiązań Populacja Zbiór osobników reprezentujących rozwiązania problemu Chromosom (genom) Punkt w przestrzeni poszukiwań Uporządkowany zbiór genów Gen Najmniejsza jednostka informacji genetycznej Reprezentuje pojedynczą cechę osobnika Reprezentuje jeden z parametrów problemu optymalizacji

Reprezentacja rozwiązań Allele Wartości genu Gdy gen jest wartością binarną, to allelami są wartości: 0, 1 Genotyp Zespół chromosomów opisujących osobnika Zakodowana postać genotypu Bliźnięta jednojajowe! Fenotyp Opis osobnika w przestrzeni rozwiązań Rzeczywiste cechy określające stopień przystosowania

Genotyp vs. Fenotyp! Mogą istnieć osobniki o różnych genotypach itym samym fenotypie Nie odwrotnie! Zależność pomiędzy genotypem a fenotypem może być skomplikowana: Losowa zmiana genów powoduje nieoczekiwane zmiany fenotypu Zestaw genow wpływa na konkretną cechę fenotypu; by zmienić cechę należy zmienić wszystkie geny

Chrosom Wpływa na wydajność i złożoność algorytmu Klasyczne metody optymalizacyjne Wektor liczb rzeczywistych Algorytmy ewolucyjne Ciągi binarne (AG) Drzewa (PG) Liczby rzeczywiste (PE)

Biologia vs.informatyka Biologia Gen Chromosom Osobnik Populacja Krzyżowanie Mutacja Informatyka Bit Ciąg bitów Punkt w przestrzeni rozwiązań Zbiór punktów Wymiana ciągów bitów Negacja bitów

Funkcja przystosowania Fitness Function Funkcja przystosowania, dopasowania, oceny Może być różna od funkcji celu (kosztu), ktorą optymalizujemy Przypisuje chromosomowi skalar

Funkcja przystosowania Ocenia chromosom Wykorzystywane przez operatory genetyczne Selekcja, krzyżowanie, mutacja Uwzględnia kryteria wykorzystywane w optymalizacji Może uwzględniać ograniczenia Karanie osobników łamiących ograniczenia Nie musi, bo można je uwzględnić przy inicjalizacji, reprodukcji, czy mutacji

Populacja początkowa Wybór losowy ze zbioru dozwolonych wartości Reprezentatywna próbka całej przestrzeni poszukiwań Wykorzystanie wiedzy o problemie Oportunistyczny algorytm Może być przedwcześne zbieżny do minimum lokalnego

Populacja początkowa Rozmiar Mała Pokrywa małą przestrzeń Może potrzebować więcej epok Zwiększenie częstości mutacji zwiększenie przestrzeni poszukiwań Duża Złożoność czasowa pojedynczej epoki rośnie

Populacja początkowa Wybrór osobników Nowa generacja Krzyżowanie Mutacja Explicit fitness remapping Normalizacja wartości przystosowania do [0,1] Selekcja na podstawie nowych wartości Implicit fitness remapping Selekcja na podstawie rzeczywistej wartości funkcji przystosowania

Metody selekcji Losowa Wszyscy mają taką samą szansę wyboru Selekcja proporcjonalna Prawdopodobieństwo wyboru osobnika proporcjonalne do wartości funkcji przystosowania Koło ruletki

Metody selekcji Selekcja turniejowa Selekcja rankingowa Strategia elitarna

Koło ruletki Metoda proporcjonalna Wartości przystosowania są znormalizowane Podzielona przez największą wartość Większe prawdopodobieństwo większy fragment koła Częstszy wybór Selekcja kręcenie kołem

Koło ruletki

Selekcja turniejowa Wybieramy losowo k osobników, którzy rozgrywają turniej Najlepiej przystosowany wygrywa Dwa turnieje dla krzyżowania Rodzic może być wielokrotnie wybrany do reprodukcji Można krzyżować osobnika ze sobą samym Czy to powinno być dozwolone?

Selekcja turniejowa Zalety Najgorsze osobniki zostaną odrzucone Najlepszy osobnik nie zdominuje reprodukcji Polepsza działanie AG (zamiast ruletki)

Selekcja rankingowa Ranking wartości funkcji przystosowania Osobnikowi jest przypisana ranga zależna od wartości FP Lista rankingowa ustala p-wo wyboru P-wo selekcji jest niezależne od rzeczywistej wartości FP Osobnik o bardzo wysokiej wartości FP nie zdominuje selekcji

Selekcja rankingowa Non-deterministic linear sampling Osobniki w porządku malejącym zgodnie z FP Pierwszy jest najlepiej przystosowany Selekcja: Wybieramy osobnika

Strategia elitarna Wybranie zbioru osobników najlepiej przystosowanych do generacji potomnej (bez zmian) Generation gap Liczba osobników, które mają przetrwać w populacji potomnej bez mutacji 0 całkowicie nowa populacja k k osobnikow przeżywa k najlepiej przystosowanych k wybranych dowolną metodą selekcji

Operatory reprodukcji Krzyżowanie Kojarzenie chromosomów w pary (rodzice) Materiał genetyczny potomka jest kombinacją materiałów genetycznych rodziców Mutacja Losowa zmiana wartości genów w chromosomie Cel to zróżnicowanie materiału genetycznego w populacji zwiększenie przestrzeni poszukiwań Zazwyczaj zachodzi rzadko (małe p-wo)

Operatory reprodukcji Stosowane do utworzenia nowej populacji Może być stosowana z zastępowaniem Potomkowie zastępują rodziców tylko wówczas, gdy są lepiej przystosowane Charakterystyka związana z reprezentacją chromosomu

PAG 1 Stawiamy licznik generacji g=0 2 Inicjalizacja populacji C g złożonej z N osobnikow 3 Dopóki!STOP 1 Oceń wszystkie osobniki w populacji C g 2 Zastosuj krzyżowanie 1 Wybierz rodziców 2 Utwórz potomka 3 Zastosuj mutację 1 Wybierz osobnika 2 Dokonaj mutacji 4 Wybierz nową generację C g+1 5 g=g+1 STOP Ustalona liczba generacji Jest osobnik o zadawalającej wartości FP Średnia i/lub maksymalna wartość przystosowania nie zmieniła się znacząco przez ostatnich k generacji

No-free-lunch Theorem (NFL) Nie istnieje uniwersalny algorytm przeciętnie lepszy od wszystkich pozostałych [Wolpert & Macready 1996]

Optymalizacja cd Proces poszukiwania rozwiązania Deterministyczny Sekwencyjny Startuje od jednego punktu Probabilistyczny Równoległy Staruje ze zbiorem punktów Informacje o przestrzeni poszukiwań Pochodne Wartości FP osobników

Pytania Jak zapewnić przeszukanie dużej części przestrzeni poszukiwań przy mało licznej populacji? Jak zapobiec przedwczesnej zbieżności? Jak można wykorzystać AE do uczenia SN? Uwzględnij: Reprezentację Funkcję przystosowania