遗传算法基本理论及实例

目录

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一、遗产算法的由来 (2)

二、遗传算法的国内外研究现状 (3)

三、遗传算法的特点 (5)

四、遗传算法的流程 (7)

五、遗传算法实例 (12)

六、遗传算法编程 (17)

七、总结 ......... 错误!未定义书签。附录一:运行程序 (19)

遗传算法基本理论与实例

一、遗产算法的由来

遗传算法(Genetic Algorithm,简称GA)起源于对生物系统所进行的计算机模拟研究。20世纪40年代以来,科学家不断努力从生物学中寻求用于计算科学与人工系统的新思想、新方法。很多学者对关于从生物进化与遗传的激励中开发出适合于现实世界复杂适应系统研究的计算技术——生物进化系统的计算模型,以及模拟进化过程的算法进行了长期的开拓性的探索与研究。John H、Holland 教授及其学生首先提出的遗传算法就就是一个重要的发展方向。

遗传算法借鉴了达尔文的进化论与孟德尔、摩根的遗传学说。按照达尔文的进化论,地球上的每一物种从诞生开始就进入了漫长的进化历程。生物种群从低级、简单的类型逐渐发展成为高级复杂的类型。各种生物要生存下去及必须进行生存斗争,包括同一种群内部的斗争、不同种群之间的斗争,以及生物与自然界无机环境之间的斗争。具有较强生存能力的生物个体容易存活下来,并有较多的机会产生后代;具有较低生存能力的个体则被淘汰,或者产生后代的机会越来越少。,直至消亡。达尔文把这一过程与现象叫做“自然选择,适者生存”。按照孟德尔与摩根的遗传学理论,遗传物质就是作为一种指令密码封装在每个细胞中,并以基因的形式排列在染色体上,每个基因有特殊的位置并控制生物的某些特性。不同的基因组合产生的个体对环境的适应性不一样,通过基因杂交与突变可以产生对环境适应性强的后代。经过优胜劣汰的自然选择,适应度值高的基因结构就得以保存下来,从而逐渐形成了经典的遗传学染色体理论,揭示了遗传与变异的基本

规律。

遗传算法由美国的John H、Holland教授1975年首先提出,其主要特点就是直接对结构对象进行操作,不存在求导与函数连续性的限定;具有内在的隐并行性与更好的全局寻优能力;采用概率化的寻优方法,能自动获取与指导优化的搜索空间,自适应地调整搜索方向,不需要确定的规则。遗传算法的这些性质,已被人们广泛地应用于组合优化、机器学习、信号处理、自适应控制与人工生命等领域。它就是现代有关智能计算中的关键技术。

二、遗传算法的国内外研究现状

遗传算法的鼻祖就是美国Michigan大学的Holland教授及其学生。她们受到生物模拟技术的启发,创造了一种基于生物遗传与进化机制的适合于复杂系统优化的自适应概率优化技术——遗传算法。1967年,Holland的学生Bagley在其博士论文中首次提出了“遗传算法”一词,她发展了复制、交叉、变异、显性、倒位等遗传算子,在个体编码上使用双倍体的编码方法。Holland教授用遗传算法的思想对自然与人工自适应系统进行了研究,提出了遗传算法的基本理论——模式定理(Schema Theorem)并于1957年出版了第一本系统论述遗传算法与人工自适应系统的专著《Adaptation in Natural and Artificial Systems》。20世纪80年代,Holland教授实现了第一个基于遗传算法的机器学习系统,开创了遗传算法的机器学习的新概念。1975年,De Jong基于遗传算法的思想在计算机上进行了大量的纯数值函数优化计算实验,建立了遗传算法的工作框架,得到了一些重要且具有指导意义的结论。1989年,Goldberg出版了《Genetic Algorithm in Search,Optimization and Machine Learning》一书,系统地总结了遗传算法的

主要研究成果,全面完整的论述了遗传算法的基本原理及其应用。1991年,David 出版了《Handbook of Genetic Algorithms》一书,介绍了遗传算法在科学计算、工程技术与社会经济中的大量实例。1992年,Koza将遗传算法应用于计算机程序的优化设计及自动生成,提出了遗传编程(Genetic Programming,简称GP)的概念。在控制系统的离线设计方面遗传算法被众多的使用者证明就是有效的策略。例如,Krishnakumar与Goldberg以及Bramlette与Gusin已证明使用遗传优化方法在太空应用中导出优异的控制器结构比使用传统方法如LQR与Powell(鲍威尔)的增音机设计所用的时间要少(功能评估)。Porter与Mohamed展示了使用本质结构分派任务的多变量飞行控制系统的遗传设计方案。与此同时,另一些人证明了遗传算法如何在控制器结构的选择中使用。

从遗传算法的整个发展过程来瞧,20世纪70年代就是兴起阶段,20世纪80年代就是发展阶段,20世纪90年代就是高潮阶段。遗传算法作为一种实用、高效、鲁棒性强的优化技术,发展极为迅速,已引起国内外学者的高度重视。

近些年来,国内外很多学者在遗传算法的编码表示、适应度函数、遗传算子、参数选择、收敛性分析、欺骗问题与并行遗传算法上做出了大量的研究与改进。还有很多学者将遗传算法与其她只能算法结合,进一步提高局部搜索能力。在遗传算法的应用上也有很多改进。由于遗传算法具有全局并行搜索、简单通用、鲁棒性强等优点,使得遗传算法广泛地应用于计算机科学、自动控制、人工智能、工程设计、制造业、生物工程与社会科学等领域。针对遗传算法的一些问题,还有一些问题需要进一步的探究,将大大促进遗传算法理论与应用的发展,遗传算法必将在智能计算领域中展现出更加光明的前景。

三、遗传算法的特点

遗传算法就是一种借鉴生物界自然选择与自然遗传机制的随机搜索算法。它与传统的算法不同,大多数古典的优化算法就是基于一个单一的度量函数(评估函数)的梯度与较高次统计,以产生一个确定性的试验解序列;遗传算法不依赖梯度信息,而就是通过模拟自然进化进程来搜索最优解,它利用某种编码技术,作用于称为染色体的数字串,模拟由这些串组成的群体的进化过程。遗传算法通过有组织的、随机的信息交换来重新组合那些适应性好的串,生成新的串的群体。

遗传算法有以下优点:

(1)对可行解表示的广泛性。遗传算法的处理对象不就是参数本身,而就是针对那些通过参数集进行编码的基因个体,此编码操作使得遗传算法可以直接对结构对象进行操作。所谓结构对象,泛指集合、序列、矩阵、树、链、表等各种一维或二维甚至多维结构形式的对象。这一特点使得遗传算法具有广泛的应用领域。比如通过对连接矩阵的操作,遗传算法可用来对神经网络或自动机的结构或参数加以优化;通过对集合的操作,遗传算法可实现对规则集合与知识库的精炼而达到高质量的机器学习目的;通过对树结构的操作,用遗传算法可得到用于分类的最佳决策树;通过对任务序列的操作,遗传算法可用于任务规划,而通过对操作序列的处理,可自动构造顺序控制系统。

(2)群体搜索特性。许多传统的搜索方法都就是单点搜索,这种点对点的搜索方法,对于多峰分布的搜索空间常常会陷于局部的某个单峰的极值点。相反,遗传算法采用的就是同时处理群体中多个个体的方法,即同时对搜索空间中的多个解进行评估。这一特点使遗传算法具有较好的全局搜索性能,也使得算法本身易于并行化。