METODY SZTUCZNEJ INTELIGENCJI algorytmy ewolucyjne

Podobne dokumenty
Algorytmy ewolucyjne 1

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

Strategie ewolucyjne (ang. evolu4on strategies)

Strategie ewolucyjne (ang. evolution strategies)

Własności eksploatacyjne i eksploracyjne algorytmów ewolucyjnych z mutacja. α stabilna. Andrzej Obuchowicz i Przemysław Prętki

Algorytmy ewolucyjne - algorytmy genetyczne. I. Karcz-Dulęba

WAE Jarosław Arabas Pełny schemat algorytmu ewolucyjnego

Dobór parametrów algorytmu ewolucyjnego

Metody Rozmyte i Algorytmy Ewolucyjne

Wstęp do Sztucznej Inteligencji

Algorytmy ewolucyjne NAZEWNICTWO

ALHE Z11 Jarosław Arabas wykład 11

Problemy z ograniczeniami

Algorytm genetyczny (genetic algorithm)-

Algorytmy genetyczne. Dariusz Banasiak. Katedra Informatyki Technicznej Wydział Elektroniki

Algorytmy genetyczne

Katedra Informatyki Stosowanej. Algorytmy ewolucyjne. Inteligencja obliczeniowa

SZTUCZNA INTELIGENCJA

WAE Jarosław Arabas Adaptacja i samoczynna adaptacja parametrów AE Algorytm CMA-ES

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

ALGORYTMY GENETYCZNE (wykład + ćwiczenia)

Algorytmy ewolucyjne `

Algorytmy ewolucyjne

Obliczenia ewolucyjne - plan wykładu

ALGORYTMY EWOLUCYJNE W ZASTOSOWANIU DO ROZWIĄZYWANIA WYBRANYCH ZADAŃ OPTYMALIZACJI1

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

Techniki optymalizacji

ALGORYTMY EWOLUCYJNE W OPTYMALIZACJI JEDNOKRYTERIALNEJ

PLAN WYKŁADU OPTYMALIZACJA GLOBALNA OPERATOR KRZYŻOWANIA ETAPY KRZYŻOWANIA

Algorytmy genetyczne (AG)

Równoważność algorytmów optymalizacji

Algorytmy genetyczne. Materiały do laboratorium PSI. Studia niestacjonarne

Algorytmy ewolucyjne

ALGORYTMY GENETYCZNE ćwiczenia

SZTUCZNA INTELIGENCJA

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

LABORATORIUM 3: Wpływ operatorów krzyżowania na skuteczność poszukiwań AE

Algorytmy memetyczne (hybrydowe algorytmy ewolucyjne)

Strategie ewolucyjne. Gnypowicz Damian Staniszczak Łukasz Woźniak Marek

Metody przeszukiwania

Algorytmy genetyczne. Paweł Cieśla. 8 stycznia 2009

ROZWÓJ ALGORYTMU EWOLUCJI RÓŻNICOWEJ. Konrad Wypchło

Standardowy algorytm genetyczny

Obliczenia Naturalne - Strategie ewolucyjne

SZTUCZNA INTELIGENCJA

6. Klasyczny algorytm genetyczny. 1

Algorytmy genetyczne w optymalizacji

Algorytmy stochastyczne, wykład 02 Algorytmy genetyczne

Programowanie genetyczne

LABORATORIUM 5: Wpływ reprodukcji na skuteczność poszukiwań AE. opracował: dr inż. Witold Beluch

Wybrane podstawowe rodzaje algorytmów

Algorytmy ewolucyjne. Łukasz Przybyłek Studenckie Koło Naukowe BRAINS

Algorytmy stochastyczne, wykład 01 Podstawowy algorytm genetyczny

ALHE Jarosław Arabas Metaheurystyki w Rn Ewolucja różnicowa EDA CMAES Rój cząstek

Podejście memetyczne do problemu DCVRP - wstępne wyniki. Adam Żychowski

Generowanie i optymalizacja harmonogramu za pomoca

Optymalizacja. Wybrane algorytmy

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

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

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

Elementy wspo łczesnej teorii inwersji

SCHEMAT ROZWIĄZANIA ZADANIA OPTYMALIZACJI PRZY POMOCY ALGORYTMU GENETYCZNEGO

Procesy stochastyczne

Algorytmy genetyczne i memetyczne Strategie ewolucyjne

OBLICZENIA EWOLUCYJNE

Procesy stochastyczne

Algorytmy genetyczne

Testy De Jonga. Problemy. 1 Optymalizacja dyskretna i ciągła

Algorytm hybrydowy dla alokacji portfela inwestycyjnego przy ograniczonych zasobach

Elementy wspo łczesnej teorii inwersji

Metody Rozmyte i Algorytmy Ewolucyjne

LABORATORIUM 2: Wpływ wielkości populacji i liczby pokoleń na skuteczność poszukiwań AE. opracował: dr inż. Witold Beluch

Obliczenia Naturalne - Algorytmy genetyczne

ALGORYTMY GENETYCZNE

PLAN WYKŁADU OPTYMALIZACJA GLOBALNA HISTORIA NA CZYM BAZUJĄ AG

Fizyka w symulacji komputerowej i modelowaniu komputerowym Metody Monte Carlo Algorytmy Genetyczne. Łukasz Pepłowski

Algorytmy genetyczne

przetworzonego sygnału

Programowanie genetyczne, gra SNAKE

Teoria algorytmów ewolucyjnych

Algorytmy metaheurystyczne podsumowanie

Odkrywanie algorytmów kwantowych za pomocą programowania genetycznego

Modelowanie zależności. Matematyczne podstawy teorii ryzyka i ich zastosowanie R. Łochowski

Obliczenia z wykorzystaniem sztucznej inteligencji

Wykład 9. Programowanie genetyczne. Modele probabilistyczne algorytmów ewolucyjnych. Kazimierz Grygiel. Home Page. Title Page. Page 1 of 31.

Algorytmy stochastyczne laboratorium 03

Techniki optymalizacji

Teoria i metody optymalizacji

Algorytmy genetyczne

Programowanie genetyczne (ang. genetic programming)

Algorytmy ewolucyjne. wprowadzenie

LABORATORIUM 1: Program Evolutionary Algorithms

Selekcja cech. Wprowadzenie Metody selekcji cech. Przykład zastosowania. Miary niepodobieństwa. Algorytmy przeszukiwania

METODY HEURYSTYCZNE wykład 3

Metoda ewolucyjnego doboru współczynników funkcji oceniającej w antywarcabach

PLAN WYKŁADU OPTYMALIZACJA GLOBALNA ZADANIE KOMIWOJAŻERA METODY ROZWIĄZYWANIA. Specyfika zadania komiwojażera Reprezentacje Operatory

Zaawansowane programowanie

Matematyka stosowana i metody numeryczne

Prawdopodobieństwo i statystyka

SIMR 2017/18, Statystyka, Przykładowe zadania do kolokwium - Rozwiązania

Transkrypt:

METODY SZTUCZNEJ INTELIGENCJI algorytmy ewolucyjne dr hab. inż. Andrzej Obuchowicz, prof. UZ Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych Uniwersytet Zielonogórski

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 1/24 Literatura J. Arabas, Wykłady z Algorytmów Ewolucyjnych, Warszawa: WNT, 2000. T. Bäck, D.B. Fogel, Z. Michalewicz, Handbook of Evolutionary Computation, NY: Institute of Physics and Oxford University Press, 1997 and later. D.E. Goldberg, Algorytmy Genetyczne i ich zastosowania, Warszawa: WNT, 1996. Z. Michalewicz, Algorytmy Genetyczne + Struktury Danych = Programy Ewolucyjne, Warszawa: WNT, 1999. A. Obuchowicz, Evolutionary Algorithms for Global Optimization and Dynamic System Diagnosis, Zielona Góra: Lubuskie Scientific Society, 2003. R. Schaefer, Podstawy Genetycznej Optymalizacji Globalnej, Kraków: Wyd. UJ, 2002.

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 2/24 Algorytmy ewolucyjne - plan sformułowanie problemu optymalizacji; klasy technik optymalizacji; główne pojęcia algorytmów ewolucyjnych; standardowe algorytmy ewolucyjne: algorytmy genetyczne; programowanie genetyczne; poszukiwanie ewolucyjne z miękka selekcja; programowanie ewolucyjne; strategie ewolucyjne.

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 3/24 Sformułowanie problemu optymalizacji x opt = arg min x D f(x) (g i(x) < 0 i = 1, 2,...,m) D dziedzina; f : D R funkcja celu; g i : D R i = 1, 2,...,m funkcje ograniczajace; x opt D (globalne) rozwiazanie optymalne.

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 4/24 Klasy problemów optymalizacji D dyskretne ciagłe g i (x) ograniczone nieograniczone f(x) liniowe nieliniowe wypukłe wklęsłe d.c. inne

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 5/24 Klasy technik optymalizacji metody klasyczne (gradientowe, Quasi-Newtonowskie, etc.); enumeratywne (przeglad zupełny); stochastyczne (Monte-Carlo, Adaptive Random Search (ARS), Simulated Annealing (SA), etc.); heurystyczne algorytmy ewolucyjne (EA)

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 6/24 Podstawowe pojęcia EA Φ : D R x i D ξ : G D a i G EA : G η G η G a G P G η EA : G η G η D x D Φ : D R ξ : G D przestrzeń genotypowa; genotyp (chromosom); populacja η osobników; proces evolucyjny; przestrzeń fenotypowa; fenotyp; funkcja dopasowania (maksymalizowana); funkcja dekodujaca (zwykle nieodwracalna).

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 7/24 Postać ogólna procesu ewolucyjnego Sukcesja Reprodukcja Operat. genet. : P(0) = {a i (0) = RANDOM(G 0 )} η i=1 ; P(0) Φ(P(0)); Reproducja: P (t) = s p θ p (P(t)); Operatory genetyczne: P (t) = r θr (P (t)); P (t) = m θm (P (t)); : P (t) Φ(P (t)); Sukcesja: P(t + 1) = s n θ n (P(t) P (t)).

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 8/24 Standardowe algorytmy ewolucyjne przeszukiwanie genotypowe: algorytmy genetyczne (GA) (Holland,1975); programowanie genetyczne (GP) (Koza,1992); przeszukiwanie fenotypowe: programowanie ewolucyjne (EP) (Fogel et al.,1963); strategie ewolucyjne (ES) (Rechenberg,1965); poszukiwanie ewolucyjne z miękka selekcja (ESSS) (Galar,1985).

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 9/24 GA inicjacja Reprodukcja Operat. genet. : P(0) = {a i (0) G} η i=1 ; G = {0, 1} l (ciag bitów o długości l) reprezentacja naturalna dla odwzorowań pseudoboolowskich. dla D = n j=1 [u j, v j ] (u j < v j ), ξ = n j=1 (ξ j), ξ j : {0, 1} l j [u j, v j ], x j = ξ j (a jp p = 1,...,l j ) = = u j + v j u j 2 l j 1 n j=1 l j = l, ( lj p=1 a jp2 p 1 ).

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 10/24 GA ocena i reprodukcja Reprodukcja Operat. genet. : Φ : D R + {0}, dopasowanie = przeskalowana funkcja celu. Reprodukcja: selekcja proporcjonalna zwana również metoda ruletki P (t) = {a h i } η { i=1 ; } h l=1 h i = min h : Φ(ξ(a i(t))) η l=1 Φ(ξ(a i(t))) > χ i χ i U(0, 1)

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 11/24 GA operatory genetyczne: krzyżowanie Reprodukcja Operat. genet. Rekombinacja (Krzyżowanie): rodzice dobierani w pary a 1 = (a 1,1,...,a 1,n ) a 2 = (a 2,1,...,a 2,n ) potomkowie IF χ θ r THEN a 1 = (a 1,1,...,a 1,ζ, a 2,ζ+1,...,a 2,n ) a 2 = (a 2,1,...,a 2,ζ, a 1,ζ+1,...,a 1,n ) ELSE a 1 = a 1 a 2 = a 2 χ U(0, 1) ζ U(1, 2,...,n 1)

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 12/24 GA operatory genetyczne: mutacja Reprodukcja Operat. genet. Mutacja: skrzyżowany rodzic a (t) = (a 1,...,a n) potomek a(t + 1) = (a 1,...,a n ) a i = χ i U(0, 1) a i 1 a i χ i > θ m χ i θ m

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 13/24 GP reprezentacja osobnika + sin y z 2 π x Reprezentacja: a tree(f, T), gdzie T zbiór argumentów (liście drzewa), F zbiór operatorów (pozostałe wierzchołki). przykład T = {x, y, z, π,2, 1, 0.1} F = {+,,, /,sin, cos, log} figure : f(x, y, z) = yz + sin(2πx).

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 14/24 GP operatory genetyczne krzyżowanie mutacja losowe poddrzewo

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 15/24 EP inicjacja i ocena Sukcesja Mutacja : P(0) = {a i (0) G} η i=1, G = R n R n +, a i = (x i, σ i > 0). : P(t) Φ(P(t)) = {Φ(x i )} η i=1.

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 16/24 EP mutacja Sukcesja Mutacja Mutation: Każdy element a i P(t) jest rodzicem (x, σ) (x, σ ) x k = x k + σ k N k (0, 1) k = 1,...,n σ k = σ k + ασ k N k (0, 1) k = 1,...,n α: parametr sterujacy; N k (0, 1): zmienna losowa o rozkładzie normalnym (nowa dla każdej współrzędnej k).

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 17/24 EP sukcesja Sukcesja: q-sparingowa selekcja (P(t) P (t)) P(t + 1), a i P(t) P (t) Sukcesja Mutacja {χ ij = U(1,...,2η) j = 1,...,q} w i = q 1 if Φ(x i ) Φ(x χij ) j=1 0 otherwise wybieramy η z 2η osobników o ; najwyższym rankingu w i jako nowa populację.

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 18/24 ES inicjacja : Sukcesja Reprodukcja P(0) = {a i (0) G} η i=1, G = R n R 1 2 n(n+1) +, a i = (x i, C i ) = (x i, σ i, α i ), C i : macierz kowariancji dla wielowymiarowego rozkładu normalnego w mutacji, Operat. genet. α i : wector katów obrotu przekształcajacego C i w formę diagonalna o wariancjach σ i.

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 19/24 ES reproducja i ocena Sukcesja Reprodukcja Operat. genet. Reprodukcja: λ rodziców jest wybieranych z η osobników obecnej populacji P(t): {χ i = U(1, 2,...,η) i = 1, 2,...,λ} P (t) = {a χi (t) i = 1, 2,...,λ} : nie ma żadnych ograniczeń na dopasowanie.

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 20/24 ES operacje genetyczne: rekombinacja Rekombinacja: P (t) P (t) a i = χ,χ i = U(0, 1) a p1,i a p1,i a p2,i bez rekombinacji localna dyskretna (1 χ)a p1,i + χa p2,i localna ciagła a p1i,i a p2i,i globalna dyskretna (1 χ i )a p1,i + χ i a p2,i globalna ciagła p1,p2,p1 i,p2 i = U(1, 2,...,λ).

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 21/24 ES operatory genetyczne: mutacja Mutacja: P (t) P (t) Sukcesja Reprodukcja Operat. genet. (x, σ, α ) (x, σ, α ) σ k = σ k exp (τ N(0, 1) + τn k (0, 1)) α k = α k + βn(0, 1) x = N(x, σ, α ) τ, τ, β: parametry sterujace.

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 22/24 ES sukcesja Sukcesja Sukcesja: strategia (η + λ)es P(t) P (t) P(t + 1) η z η + λ najlepiej dopasowanych. Reprodukcja Operat. genet. strategia (η, λ)es P (t) P(t + 1) η z λ najlepiej dopasowanych. (λ >> η).

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 23/24 ESSS inicjacja i ocena : P(0) = {x i (0) D} η i=1, D = R n, Reprodukcja Mutacja : Φ : D R + {0}, dopasowanie = przeskalowana funkcja celu.

A. Obuchowicz: MSI - algorytmy ewolucyjne 24/24 ESSS reprodukcja i mutacja Reprodukcja Mutacja Reprodukcja: selekcja proporcjonalna zwana metoda ruletki P (t) = {x h i } η { i=1 ; } h l=1 h i = min h : Φ(ξ(a i(t))) η l=1 Φ(ξ(a i(t))) > χ i χ i U(0, 1) Mutacja: P (t) P(t + 1) x k (t + 1) = x k (t) + σn k (0, 1), k = 1, 2,...,η, σ: parametr sterujacy.