체력이 낮은 개인은 왜 다음 세대까지 생존 할 수 있습니까?


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나는 현재 유전자 알고리즘에 대해 읽고보고 있으며 매우 흥미 롭습니다 (대학에있는 동안 그것을 연구 할 기회가 없었습니다).

나는 돌연변이가 확률에 근거한다는 것을 이해한다 (무작위는 진화의 근원이다). 그러나 나는 생존이 왜 그런지 알지 못한다.

내가 이해에서 개별 I 피트니스 가진 F(i) 와 같은 또 다른 개인으로 J 피트니스 가진 F(j) 우리가 F(i)>F(j) 다음 I 보다 더 나은 확률이 J 생존을 다음 세대로.

확률을 의미 J 있습니다 생존과 I 할 수있다 ( "불운"로) 없습니다. 왜 이것이 좋은지 이해가되지 않습니까? 경우 I 것이 항상 선택을 생존, 알고리즘에 무엇이 잘못 갈 것? 내 생각에 알고리즘은 욕심 많은 알고리즘과 비슷하지만 확실하지 않습니다.


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최소한의 지역에 갇히고 있습니다.
Louis

실제 생활에서도 유익한 돌연변이가 환경 적 적합성을 높이 지 않는다고해서 개인의 생존이 보장되는 것은 아니며, 실제로 다양한 특성을 표현할 수 있습니다. 최적화 알고리즘에는 적합하지 않습니다). ... 그리고 그것은 Nick의 대답의 끝 부분에 나와 있습니다.
JAB

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당신이 약자를 항상 죽이면, 평범한 언덕이 무엇입니까?
Raphael

답변:


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주된 아이디어는 차선책을 가진 개인이 생존 할 수있게함으로써 진화하는 환경에서 하나의 "피크"에서 작은 증분 돌연변이의 시퀀스를 통해 다른 "피크"로 전환 할 수 있다는 것입니다. 반면에 오르막길 만 허용되는 경우 최고점을 전환하려면 거대하고 큰 가능성이없는 돌연변이가 필요합니다.

차이점을 보여주는 다이어그램은 다음과 같습니다.

여기에 이미지 설명을 입력하십시오

실제로,이 세계화 속성은 진화 알고리즘의 주요 판매 지점입니다. 만약 지역적 최대치를 찾고자한다면보다 효율적인 전문 기술이 존재합니다. (예 : 유한 차분 구배 및 라인 검색 기능이있는 L-BFGS)

생물학적 진화의 실제 세계에서, 차선의 개인이 생존 할 수있게함으로써 진화 환경이 변할 때 강건 함을 만듭니다. 모든 사람이 절정에 집중되면 그 절정이 계곡이되면 전체 인구가 죽습니다 (예를 들어, 소행성 공격이 일어나고 진화 환경이 바뀔 때까지 공룡이 가장 적합한 종이었습니다). 반면에 인구에 다양성이 있다면 풍경이 바뀔 때 일부는 살아남을 것입니다.


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"생물학적 진화의 실제 세계에서, 차선책의 개인이 생존 할 수있게하는 것은 진화론 적 지형이 변할 때 강건 함을 만든다"-생물 학자로서이 순위는 중요하다. 체력이 낮은 개인은 현실의 본질 인 체력을 최대화하기 위해 생존 할 수 없습니다. 체력이 낮은 유기체는 다른 것만 큼 생존하려고 노력하고 있습니다.
Jack Aidley

물론 당신은 옳습니다. 자연은 아무것도 허용하거나 거부하지 않기로 결정합니다. 반면에 인간이 선택적으로 식물과 동물을 "최고"로만 사육하여 새로운 질병이 발생하거나 환경이 변할 때 견고하지 않은 단일 문화를 만들어 낸 많은 사례가 있습니다.
Nick Alger 2016 년

더 큰 단계를 만들고 무작위 초기 모집단으로 다시 실행하는 것과 같이이 효과를 방지하는 다른 기술이 있습니다. 또한, 교차 재조합이 존재하는 경우, 더 강한 유전자형이 돌연변이되고 둘 사이의 교차가 더욱 강해지면 약한 유전자형을 유지하는 것이 도움이 될 수 있습니다.
Raphael

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Nick Alger의 대답은 매우 좋지만 Metropolis-Hastings 방법이라는 하나의 예제 방법으로 조금 더 수학적으로 만들 것입니다.

제가 살펴볼 시나리오는 인구가 1 명이라는 것입니다. 확률 Q ( i , j )를 가진 상태 에서 상태 j 로의 변이를 제안하고 , 우리는 또한 Q ( i , j ) = Q ( j , i ) 라는 조건을 부과합니다 . 또한 모든 i에 대해 F ( i ) > 0 이라고 가정합니다.ijQ(i,j)Q(i,j)=Q(j,i)F(i)>0i . 모델에 체력이 없으면 작은 엡실론을 어디에나 추가하여이 문제를 해결할 수 있습니다.

에서 j 로의 전환을 허용합니다ij 확률로 :

min(1,F(j)F(i))

다시 말해, 가 더 적합하면 우리는 항상 그것을 취하지 만, j 가 덜 적합하면 확률 F ( j )로 가져갑니다jj , 그렇지 않으면 돌연변이를 받아 들일 때까지 다시 시도합니다.F(j)F(i)

이제 우리 는 i 에서 j로 전환 할 실제 확률 인 를 탐색 하려고 합니다.P(i,j)ij

분명히 그것은 :

P(i,j)=Q(i,j)min(1,F(j)F(i))

이제 가정하자 그 . 그런 다음 ( 1 , F ( j )F(j)F(i)= 1이므로min(1,F(j)F(i))

= F ( i ) Q ( i , j ) ( 1 , F ( j )

F(i)P(i,j)
=F(i)Q(i,j)=Q(j,i)min(1,F(i)
=F(i)Q(i,j)min(1,F(j)F(i))
=F(i)Q(i,j)
=F(j)P(j,i)
=Q(j,i)min(1,F(i)F(j))F(j)
=F(j)P(j,i)

i=jij

F(i)P(i,j)=F(j)P(j,i)

이것은 몇 가지 이유로 현저합니다.

에프 .

나는

나는에프(나는)(나는,j)=나는에프(j)(j,나는)

(j,나는)1나는1

에프(j)=나는에프(나는)(나는,j)

에프 는 방법이 선택한 상태에 대한 (정규화되지 않은) 확률 밀도 함수입니다. 당신은 전체 조경을 탐험 할뿐 아니라 각 주가 얼마나 "적합"하는지에 비례하여 그렇게합니다.

물론 이것은 많은 것 중 하나의 예일뿐입니다. 아래에 언급했듯이 설명하기 매우 쉬운 방법입니다. 일반적으로 GA를 사용하여 pdf를 탐색하지 않고 극한을 찾을 수 있으며,이 경우 일부 조건을 완화하고 최종 수렴을 높은 확률로 보장 할 수 있습니다.


멋진 답변입니다! 반복해서 투표 할 수 있기를 바랍니다. 한 가지 질문 : 왜 우리가 선택해야하는지 동기를 부여 할 수 있습니까?(나는,j)=(j,나는)? 그것은 나머지 모든 수학이 아주 멋진 결과를 산출하기 때문에 밝혀 졌습니까? 아니면 이것이 자연스럽게 선택되는 외부 이유가 있습니까?? (나는(나는,j) 주에서 온 가장자리의 수보다 하나가 될 것입니다. 나는이 경우에는 (나는,j)=(j,나는) 일반적으로 나는j 다를 수 있습니다.)
DW

이 경우 동기는 세부적인 균형 상태입니다. 에프(나는)(나는,j)=에프(j)(j,나는)을 보장하기에 충분한 (필수는 아니지만) 조건입니다. 에프고정 PDF입니다. PDF를 정지 상태로 유지하려면 프로세스가 어떤 의미에서 시간 가역적 인 데 도움이됩니다. 또한 도움이된다면 MH 알고리즘은 별개의 수의 외부 에지가없는 연속 문제 (중성자 수송)를 위해 설계되었습니다. 물론 전체 최대 값을 찾으려고한다면 전체 PDF를 검색하는 것이 항상 원하는 것은 아닙니다. 이것은 단지 설명을위한 것입니다.
가명

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GA를 사용할 경우 얻을 수있는 장점은 잠재적으로 더 나쁜 후보에서 비롯된 경로를 따라 더 넓은 검색 공간을 탐색 할 수 있다는 것입니다. 검색의 다른 영역을 탐색하기 위해서는 더 많은 후보자가 있어야합니다. 알고리즘의 탐색 측면을 제거 할 때마다 최선을 다하기 시작하면 더 많은 언덕 등반가가됩니다. 또한 최선을 지속적으로 선택하면 조기 수렴이 발생할 수 있습니다.


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실제로, 선택 알고리즘은 두 가지 접근 방식을 모두 취합니다. 한 가지 방법은 당신이 제안한 것이고 다른 하나는 더 높은 체력을 가진 사람들이 선택되고 더 낮은 체력을 가진 사람들은 선택되지 않는 것입니다.

선택을 위해 선택한 접근 방식은 모델링하려는 문제에 맞게 조정됩니다. 학교에서의 실험에서, 우리는 서로 대항하여 게임을함으로써 (예를 들어 토너먼트 선택 ) 카드 플레이어를 진화 시키려고했습니다 . 그러한 시나리오에서 우리는 항상 항상 호의를 베풀 수 있습니다나는 위에 J(예를 들어) '행운'측면이 이미 게임 자체에 있기 때문입니다. 설사에프(나는)>에프(j) 어떤 두 나는J주어진 라운드에서 순전히 손을 다루는 방식과 다른 사람들의 플레이 방식, J 라운드에서 이길 수 있었고 에프(j)>에프(나는). 인구는 종종 좋은 개인을 잃을 수있을만큼 충분히 크며, 전체적으로 그다지 중요하지 않다는 점을 명심하십시오.

GA는 실제 진화를 중심으로 모델링 되었기 때문에 확률 적 분포가 사용될 때, 때로는 체력이 낮은 개인이 생존 할 수있는 반면 실제 체력이 높은 개인은 생존 할 수없는 실제 커뮤니티가 진화하는 방식을 중심으로 모델링됩니다 (조잡한 비유 : 자동차 사고, 자연 재난 등 :-)).


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하나의 관점에서 매우 간단합니다. 때때로 높은 수준의 "자식"솔루션은 크로스 오버 또는 돌연변이를 통해 낮은 수준의 "부모"솔루션에서 생성 될 수 있습니다 (실제로 유전자 알고리즘 이론이 많음). 따라서 일반적으로보다 높은 체력의 솔루션을 추구 / 운반하고 싶지만 높은 체력의 솔루션 만 유지 / 번식에 너무 중점을두면 지역 최소에 갇히고 큰 "진화적인 풍경"을 찾지 못할 수 있습니다. 실제로 원하는대로 생존을 위해 "높은 피트니스 컷오프"를 엄격하거나 느슨하게 만들 수 있으며 최종 솔루션의 품질에 어떤 영향을 미치는지 실험 해 볼 수 있습니다. 너무 엄격하거나 너무 느슨한 컷오프 전략 모두 최종 솔루션이 열악합니다. 물론이 모든 것은 실제 생물학적 진화와 관련이 있습니다. 거기에 더 "

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