第一章概论 - Read　.ppt

第一章 绪论 1.1 遗传算法的生物学基础 生物在自然界中的生存繁衍，显示出了其对自然环境的自适应能力。受其启发， 人们致力于对生物各种生存特性的机理研究和行为模拟，为人工自适应系统的设计 和开发提供了广阔的前景。遗传算法(Genetic Algorithms，简称GAs)就是这种生物 行为的计算机模拟中令人瞩目的重要成果。基于对生物遗传和进化过程的计算机模 拟，遗传算法使得各种人工系统具有优良的自适应能力和优化能力。 遗传算法所借鉴的生物学基础就是生物的遗传和进化。 1.1.1 遗传与变异 遗传(Heredity)—— 世间的生物从其父代继承特性或性状，这种生命现象就称为 遗传(Heredity)，由于遗传的作用，使得人们可以种瓜得瓜、 种豆得豆，也使得鸟仍然是在天空中飞翔，鱼仍然是在水中邀 游。; ? 构成生物的基本结构和功能的单位是细胞(Ce11)。 ? 细胞中含有的一种微小的丝状化合物称为染色体(Chromosome)，生物的所有遗 传信息都包含在这个复杂而又微小的染色体中。 ? 基因 经过生物学家的研究，控制并决定生物遗传性状的染色体主要是由一种叫做脱 氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid 简称DNA)的物质所构成。 DNA在染色体中有 规则地排列着，它是个大分子的有机聚合物，其基本结构单位是核苷酸，许多核苷 酸通过磷酸二酯键相结合形成一个长长的链状结构，两个链状结构再通过碱基间的氢键有 规律地扭合在一起，相互卷曲起来形成一种双螺旋结构。基因就是DNA长链结构中占有一 定位置的基本遗传单位。 ? 遗传信息是由基因(Gene)组成的，生物的各种性状由其相应的基因所控制。 ? 基因是遗传的基本单位。细胞通过分裂具有自我复制的能力，在细胞分裂的过 程中，其遗传基因也同时被复制到下一代，从而其性状也被下一代所继承。 ;? 遗传基因在染色体中所占据的位置称为基因座(Locus)； ? 同一基因座可能有的全部基因称为等位基因(Allele)； ? 某种生物所特有的基因及其构成形式称为该生物的基因型(Genotype)； ? 而该生物在环境中呈现出的相应的性状称为该生物的表现型(Phenotype)； ? 一个细胞核中所有染色体所携带的遗传信息的全体称为一个基因组(Genome)。;生物的遗传方式： 1. 复制 生物的主耍遗传方式是复制。遗传过程中，父代的遗传物质DNA被复制到子 代。即细胞在分裂时，遗传物质DNA通过复制(Reproduction)而转移到新生的细 胞中，新细胞就继承了旧细胞的基因。 2. 交叉 有性生殖生物在繁殖下一代时，两个同源染色体之间通过交叉(Crossover)而重 组，亦即在两个染色体的某一相同位置处DNA被切断，其前后两串分别交义组合 而形成两个新的染色体。 3. 变异 在进行细胞复制时，虽然概率很小，仅仅有可能产生某些复制差错，从而使 DNA发生某种变异(Mutation)，产生出新的染色体。这些新的染色体表现出新的 性状。 如此这般，遗传基因或染色体在遗传的过程中由于各种各样的原因而发生变化。; 1.1.2 进化 地球上的生物，都是经过长期进化而形成的。根据达尔文的自然选择学说，地 球上的生物具有很强的繁殖能力。在繁殖过程中，大多数生物通过遗传，使物种 保持相似的后代；部分生物由于变异，后代具有明显差别，甚至形成新物种。正 是由于生物的不断繁殖后代，生物数目大量增加，而自然界中生物赖以生存的资 源却是有限的。因此，为了生存，生物就需要竞争。生物在生存竞争中，根据对 环境的适应能力，适者生存，不适者消亡。自然界中的生物，就是根据这种优胜 劣汰的原则，不断地进行进化。 ? 生物的进化是以集团的形式共同进行的，这样的一个团体称为群体(Population)， 或称为种群。 ? 组成群体的单个生物称为个体(Individual)， ? 每一个个体对其生存环境都有不同的适应能力，这种适应能力称为个体的适应度(