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Computação Evolucionária
Aurora Pozo
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Motivação “...Se variações úteis para qualquer organismo devam ocorrer para que ele venha a existir, certamente indivíduos assim caracterizados terão a melhor chance de serem preservados na luta por sobrevivência; e do forte princípio de hereditariedade, eles tenderão a produzir gerações com características similares. Este princípio de preservação, eu batizei, para ser sucinto, de Seleção Natural.” (Darwin, 1859)
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Ambientação Modelo Biológico Natureza Modelo Computa- cional
Teoria de Computação Evolucionária Modelo Biológico Natureza Modelo Computa- cional Teoria de Darwin
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Sumário Computação Evolucionária Algoritmos Genéticos
Conceitos básicos Algoritmos Genéticos Programação Genética Diferenças fundamentais
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Computação Evolucionária
Área da Inteligência Artificial que engloba um conjunto de métodos computacionais inspirados na Teoria da Evolução das Espécies. auto-organização e o comportamento adaptativo
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Ramos Estratégias Evolucionárias: Programação Evolutiva:
ênfase na auto-adaptação. O papel da recombinação é aceito, mas como operador secundário. Programação Evolutiva: Previsão do comportamento de máquinas de estado finitas. Algoritmos Genéticos: Indivíduos contém um genótipo formado por cromossomos Programação Genética Evolução de programas
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Evolução Natural Embora tenham origens bastante diversas, todas essa abordagens têm em comum o modelo conceitual inicial
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Aplicações Grande variedade de aplicações Otimização Busca
Indústria, solução de problemas: máquinas x processos, alocação de recursos, rota de veiculos. Busca Mineração de Dados, descoberta de conhecimento em bases de dados, indução de classificadores (caracteristicas x doenças, estrutura de proteinas) Aprendizado e adaptação
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Características Comuns
Usam um processo de evolução baseado em Darwin para resolver problemas computacionais de IA Inspirados na Teoria da Evolução: os indivíduos mais adaptados sobrevivem
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Elementos Chaves de Algoritmos Evolucionarios
Uma população de individuos A noção de fitness Um ciclo de nascimento e morte baseados na fitness A noção de herança
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Visão Geral do Algoritmo Evolucionário
população de pais seleção recombinação população de filhos solução
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Visão Geral do Algoritmo Evolucionário
Gerar uma população inicial aleatoriamente Fazer até um critério de parada: selecionar indivíduos para pais (fitness) produzir filhos selecionar indivíduos para morrer (fitness) Retornar um resultado
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Algoritmo início população inicial seleção (fitness) pais selecionados
operadores genéticos cruz repr mut filhos gerados não satisfeito c/ a solução? nova pop completa? fim não solução sim sim nova população
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Algorithmos Geneticos
Holland 1960 São algoritmos de busca Objetivo: robusto, sistema adaptativo Combinam: Sobrevivência do mais ajustado com um estruturado, aleatorio intercâmbio de informações
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AG Apesar de aleatorios, AG não funcionam unicamente com este conceito. Eles explotam informação historica para experimentar novos pontos de busca.
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Terminologia Biologica
Em AG são utilizados termos biologicos como analogia com a biologia. Cromossoma: codificação de uma possivel solução – individuo Genes: Codifica uma caracteristica particular Genotipo x Fenotipo
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Indivíduos Material genético Conjunto de atributos da solução
Cada atributo uma sequência de bits e o individuo como a concatenação das sequências de bits Codificação binaria, real, códigos
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População Conjunto de individuos que estão sendo cogitados como solução Populações pequenas têm grandes chances de perder a diversidade necessária (exploração de todo o espaço de soluções) Populações grandes perderá grande parte de sua eficiência pela demora em avaliar a função de fitness
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Reprodução Reprodução sexual, genes são intercambiados entre dois pais – crossover Os filhos são sujeitos a modificações, na qual bits elementares são mudados - mutação
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Função de fitness Mede a adaptação do indivíduo ou quão boa é a solução dada por este indivíduo. Representativa do problema: diferencie uma solução boa de uma má. Heuristica de busca no espaço de estado Cuidados com o custo computacional.
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Requisitos para usar AG
· Representações das possíveis soluções do problema no formato de um código genético; · População inicial que contenha diversidade suficiente para permitir ao algoritmo combinar características e produzir novas soluções; · Existência de um método para medir a qualidade de uma solução potencial; · Um procedimento de combinação de soluções para gerar novos indivíduos na população; · Um critério de escolha das soluções que permanecerão na população ou que serão retirados desta; · Um procedimento para introduzir periodicamente alterações em algumas soluções da população. Desse modo mantém-se a diversidade da população e a possibilidade de se produzir soluções inovadoras para serem avaliadas pelo critério de seleção dos mais aptos.
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Retornar Melhor Indivíduo
Figura 1 - Estrutura básica de um Algoritmo Genético População Avaliação de Aptidão Seleção Cruzamento Mutação Operadores genéticos Critério de Parada ? Retornar Melhor Indivíduo Não Sim
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Seleção O operador escolhe quais indivíduos participarão na criação da próxima geração
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Exemplo Indivíduos Fitness % Fitness 12 23,08 8 15,38 9 17,31 6 11,54
12 23,08 8 15,38 9 17,31 6 11,54 5 9,62 Total 52 100,00
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Roleta Inicio T = soma dos valores de aptidão de todos os indivíduos da população Repita N vezes para selecionar n indivíduos r = valor aleatório entre 0 e T Percorra sequencialmente os indivíduos da população, acumulando em S o valor de aptidão dos indivíduos já percorridos Se S >= r então Selecione o indivíduo corrente Fim se Fim Repita Fim
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Torneio Inicio k = 0.75 Repita N vezes
Escolha 2 indivíduos da população aleatoriamente r = valor aleatório entre 0 e 1 Se r < k O melhor indivíduo é escolhido Senão O pior indivíduo é escolhido Fim se Fim Repita Fim
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Pressão de Seleção K filhos M pais Com sobreposição Sem sobreposição
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Pressão de Seleção Generações com sobreposição
Mais pressão que sem sobreposição M moderado, K=M, GA tradicionais M grande, K pequeno “steady state” GA Estrategias de seleção (pressão decrecente) Truncação Torneio e ranking Proporcional a fitness Uniforme Estocastica vs deterministica
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Problemas da Roleta Tecnicamente resulta numa distribuição proporcional de indivíduos Convergência muito rápida Variância quase nula
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Seleção por Ranking Não parametrica
Os indivíduos são ordenados de acordo com sua fitness Os offspring são alocados de acordo ao ranking (pode ser linearmente)
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Reprodução Preserva caracteristicas uteis
Introduz variedade e novedades Estrategias Parentes unicos: clonar + mutuação Parentes multiplos: recombinação + mutação
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Metodos de Recombinação
Cruzamento: cria novos indivíduos misturando características de dois indivíduos pais (crossover) Copia de segmentos entre os pais Crossovers multi-ponto, dois pontos, um ponto, uniforme e inversão
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Cruzamento Pai 1: Pai 2: Cruzamento em um ponto , Cruzamento uniforme: os filhos são formados a partir dos bits dos pais (sorteado)
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Cruzamento em dois pontos
Cruzamento em dois pontos
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Mutação Esta operação inverte aleatoriamente alguma característica do indivíduo Cria novas características que não existiam Mantem diversidade na população
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Balance Explotação-Exploração
Pressão de seleção: explotação Reduz o espaço de busca Reprodução: exploração Expande o espaço de busca Balance Seleção forte + taxas de mutação altas Seleçao fraca + taxas de mutação baixas
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