"进化策略和进化规划课件.pptx" 进化策略和进化规划是机器学习和函数优化领域中的两种重要方法,它们都源于自然进化过程的机制和结果。德国学者 Schwefel 和 Rechenburg 和美国学者 Fogel 分别提出进化策略 ES 和进化规划 EP,这三种方法具有共同的本质,分别强调了自然进化中的不同方面:遗传算法强调染色体的操作,进化策略强调了个体级的行为变化,而进化规划则强调种群级上的行为变化。 进化算法的早期研究可以追溯到 20 世纪 30 年代,通过仿真生物进化过程进行机器学习的研究。早在 1932 年, Cannon 就把自然进化想象为一个学习过程。在 1950 年, Turng 认识到,在机器学习和进化之间存在着明显的关系。1959 年, Friedman 推测,利用变异和选择的仿真可以设计“思想机器”,并且指出下棋的程序可以用这种方法设计。在 1960 年, Cambell 猜想:在导致知识扩张的所有过程中,都要涉及“盲目—变化—选择—幸存”的过程。 进化策略(Evolutionary Strategies)是在 1965 年由 Rechenburg 和 Schwefel 独立提出的。早期的进化策略的种群中只包含一个个体,并且只使用变异操作。在每一代中,变异后的个体与其父代进行比较,并选择较好的一个,这种选择策略被称为(1+1)策略。进化策略中的个体用传统的十进制实型数表示,即:Xt—— 第 t 代个体的数值,N(0,σ)—— 服从正态分布的随机数,其均值为零,标准差为 σ 。 进化策略的一般算法可以描述如下: (1)问题为寻找实值 n 维矢量 x,使得函数 F(x):Rn→R 取极值。不失一般性,设此程序为极小化过程。 (2)从各维的可行范围内随机选取亲本 xi,i = 1,…,p 的初始值。初始试验的分布一般是均匀分布。 (3)通过对于 x 的每个分量增加零均值和预先选定的标准差的高斯随机变量,从每个亲本 xi 产生子代 x’i。 (4)通过将误差 F(xi) 和 F(x’i),i = 1,…,p 进行排序,选择并决定哪些矢量保留。具有最小误差的 p 个矢量变成下一代的新亲本。 (5)进行新试验,选择具有最小方差的新子代,一直到获得充分解,或者直到满足某个终止条件。 在这个模型中,把试验解的分量看做个体的行为特性,而不是沿染色体排列的基因。可以和 GA 一样,假设这些表现型特征具有基因根源,但是它们之间的联系实质并没有被弄清楚,所以我们把着重点放在个体的行为特性上。假设不管发生什么遗传变换,所造成各个行为的变化均遵循零均值和某个标准差的高斯分布。由于基因多效性和多基因性,特定基因的改变可以影响许多表现型特征。所以在创造新子代时,较为合适的是同时改变亲本所有分量。 进化策略的最初试验采用上述算法,主要采用单亲本—单子代的搜索,即“(1+1)进化策略 ((1+1)-ES)”,其中单个子代是由单个亲本产生的,它们都被置于生存竞争中,较弱的一个要被挑选出来消去。当把这种算法用于函数优化时,发现它有两个缺点:(1)各维取定常的标准差使得程序收敛到最优解的速度很慢;(2)点到点搜索的脆弱本质使得程序在局部极值附近容易受停滞的影响(虽然此算法表明可以渐近地收敛到全局最优点)。 (μ + 1)-ES:早期的(1 十 1)-ES,没有体现群体的作用,只是单个个体在进化,具有明显的局限性。随后,Rechenberg 又提出(μ+1)-ES,在这种进化策略中,父代有 μ 个个体(μ > 1),并且引入重组(Recombination)算子,使父代个体组合出新的个体。在执行重组时,从 μ 个父代个体中用随机的方法任选两个个体:然后从这两个个体中组合出如下新个体:式中 qi = 1 或 2,它以相同的概率针对 i = 1,2,…,n 随机选取。对重组产生的新个体执行突变操作,突变方式及 σ 的调整与(1+1)-ES 相同。将突变后的个体与父代 μ 个个体相比较,若优于父代最差个体,则代替后者成为下一代 μ 个个体新成员,否则,重新执行重组和突变产生另一新个体,(μ+1)-ES 和(1+1)-ES 具有相同的策略:只产生一个新个体。
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