《计算机智能导论》课件_第2章.pptx

第2章进化计算;第2章进化计算;

2.1绪论;

例2.1.2无约束多峰单目标优化函数如图2-1所示。;

例2.1.3约束单目标优化问题。;

例2.1.4约束多目标优化问题。;

Pareto最优区域和最优解如图2-2所示。;

传统最优化方法在处理以下问题时面临新挑战:

离散性问题———主要指组合优化;不确定性问题———随机性数学模型;半结构或非结构化的问题;大规模问题和超高维问题,以及动态优化问题等。;

2.1.2-从进化论到进化计算

1.现代进化论

现代进化论的理论来源至少包括三方面的内容:拉马克(Lamarck)进化学说、达尔文(Darwin)进化论和孟德尔遗传学,其主干是达尔文进化论。

1)Lamarck进化学说

拉马克认为:

(1)一切物种都是由其他物种演变和进化而来的,而生物的演变和进化是一个缓慢而连续的过程。;

(2)环境的变化能够引起生物的变异,环境的变化迫使生物发生适应性的进化。生物对环境的适应是发生变异的结果:环境变了,生物会发生相应的变异,以适应新的环境。对于植物和无神经系统的低等动物来说,环境引起变异的过程是:环境→机能→形态构造。对于有神经系统的动物来说,环境引起变异的过程是:环境→需要→习性→机能→形态构造。

(3)有神经系统的动物发生变异的原因,除了环境变化和杂交外,更重要的是用进废退和获得性状遗传。

(4)生物进化的方向是从简单到复杂,从低等到高等。

(5)最原始的生物起源于自然发生。;

拉马克建立了比较完整的生物体系,但他的关于获得性

遗传的法则始终得不到现代科学的支持。拉马克曾以长颈鹿

的进化为例,说明他的“用进废退”观点(图2-3)。;

2)Darwin进化论

1831年,达尔文开始了为期5年的环球科学旅行。沿途,

他仔细考察了各地的生物类型、地理分布、古生物化石和现存生物的相互关系、地质层次序。返英后,他又研究了人工育种的经验,总结了生物学和人类学的必威体育精装版成果,并于1859年完成了《物种起源》一书。与此同时,Wallace发表了题为《论变种无限地离开其原始模式的倾向》的论文。;

他???提出的观点被统称为达尔文进化学说,其基本要点是:

(1)生物不是静止的,而是进化的。物种不断变异,旧物种消失,新物种产生。

(2)生物进化是逐渐和连续的,不会发生突变。

(3)生物之间都有一定的亲缘关系,它们具有共同的祖先。

(4)自然选择是变异最重要的途径。;

3)孟德尔遗传学

几乎在达尔文提出进化论的同时,孟德尔正在默默地进行着豌豆杂交实验,他把实验结果总结为以下两条定律,德国植物学家Correns将这些定律概括为孟德尔定律:

(1)分离定律:纯质亲本杂交时,子一代所有个体都表现出显性性状,子二代表现出分离现象,显性性状与隐性性状之比为3∶1。

(2)自由组合定律(又称独立分配定律):两对性状分离后又随机组合,在子二代中出现自由组合现象,出现的全显性、一隐一显、一显一隐、全隐性之比为9∶3∶3∶1。;

在生物细胞中,控制并决定生物遗传特性的物质是脱氧核糖核酸,简称DNA,染色体是其载体。DNA是由四种碱基按一定规则排列组成的长链。四种碱基不同的排列决定了生

物不同的表现性状。细胞在分裂时,DNA通过复制转移到新产生的细胞中,新的细胞就继承了上一代细胞的基因。有性生殖生物在繁殖下一代时,两个同元染色体之间通过交叉而

重组,即在两个染色体的某一相同位置处DNA被切断,其前后两串分别交叉形成两个新的染色体,如图2-4所示。细胞进行复制时可能以很小的概率产生某些复制差错,从而使

DNA发生某种变异,产生新的染色体,这些新的染色体将决定新个体(后代)的新性状。;

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2.生物进化与优化

现代进化论认为,只用种群上和物种内的少量统计过程就可以充分解释大多数生命历史,这些过程就是繁殖、变异、竞争和选择,它们构成了生物进化的四个要素。

(1)繁殖。生命的持续是通过繁殖作用实现的。

(2)变异。变异是指同种生物世代之间或同代不同个体之间的差异。

(3)竞争。生存竞争是指生物与环境所发生的关系,这种关系包括种内斗争、种间斗争、生物与自然环境斗争三个方面。;

(4)选择。自然选择学说是达尔文进化论的核心。自然选择是指,适合于环境的生物被保留下来,而不适合的则被淘汰。

总而言之,繁殖是所有生命的共同特征;变异保证了任何生命系统能在正熵世界中连续繁殖自己;对于限制在有限区域中不断膨胀的种群来说,竞争和选择是不可避免的。于是进化就是这四个相互作用的随机过程一代一代地作用在种群上的结果。;

个体和物种一般被认为是对应于它们的遗传编码所表现出来的行为特性。个体的遗传