演算法的特質

『壹』 遺傳演算法的核心是什麼！

遺傳操作的交叉運算元。

在自然界生物進化過程中起核心作用的是生物遺傳基因的重組(加上變異)。同樣，遺傳演算法中起核心作用的是遺傳操作的交叉運算元。所謂交叉是指把兩個父代個體的部分結構加以替換重組而生成新個體的操作。通過交叉，遺傳演算法的搜索能力得以飛躍提高。

交叉運算元根據交叉率將種群中的兩個個體隨機地交換某些基因，能夠產生新的基因組合，期望將有益基因組合在一起。

(1)演算法的特質擴展閱讀

評估編碼策略常採用以下3個規范：

a)完備性(completeness):問題空間中的所有點(候選解)都能作為GA空間中的點(染色體)表現。

b)健全性(soundness): GA空間中的染色體能對應所有問題空間中的候選解。

c)非冗餘性(nonrendancy):染色體和候選解一一對應。

目前的幾種常用的編碼技術有二進制編碼，浮點數編碼，字元編碼，變成編碼等。

而二進制編碼是目前遺傳演算法中最常用的編碼方法。即是由二進制字元集{0,1}產生通常的0,1字元串來表示問題空間的候選解。

『貳』 遺傳演算法求解

遺傳演算法在很多領域都得到應用；從神經網路研究的角度上考慮，最關心的是遺傳演算法在神經網路的應用。在遺傳演算法應用中，應先明確其特點和關鍵問題，才能對這種演算法深入了解，靈活應用，以及進一步研究開發。

一、遺傳演算法的特點

1．遺傳演算法從問題解的中集開始嫂索，而不是從單個解開始。

這是遺傳演算法與傳統優化演算法的極大區別。傳統優化演算法是從單個初始值迭代求最優解的；容易誤入局部最優解。遺傳演算法從串集開始搜索，復蓋面大，利於全局擇優。

2．遺傳演算法求解時使用特定問題的信息極少，容易形成通用演算法程序。

由於遺傳演算法使用適應值這一信息進行搜索，並不需要問題導數等與問題直接相關的信息。遺傳演算法只需適應值和串編碼等通用信息，故幾乎可處理任何問題。

3．遺傳演算法有極強的容錯能力

遺傳演算法的初始串集本身就帶有大量與最優解甚遠的信息；通過選擇、交叉、變異操作能迅速排除與最優解相差極大的串；這是一個強烈的濾波過程；並且是一個並行濾波機制。故而，遺傳演算法有很高的容錯能力。

4．遺傳演算法中的選擇、交叉和變異都是隨機操作，而不是確定的精確規則。

這說明遺傳演算法是採用隨機方法進行最優解搜索，選擇體現了向最優解迫近，交叉體現了最優解的產生，變異體現了全局最優解的復蓋。

5．遺傳演算法具有隱含的並行性

遺傳演算法的基礎理論是圖式定理。它的有關內容如下：

(1)圖式(Schema)概念

一個基因串用符號集{0，1，*}表示，則稱為一個因式；其中*可以是0或1。例如：H=1x x 0 x x是一個圖式。

(2)圖式的階和長度

圖式中0和1的個數稱為圖式的階，並用0(H)表示。圖式中第1位數字和最後位數字間的距離稱為圖式的長度，並用δ(H)表示。對於圖式H＝1x x0x x，有0(H)＝2，δ(H)＝4。

(3)Holland圖式定理

低階，短長度的圖式在群體遺傳過程中將會按指數規律增加。當群體的大小為n時，每代處理的圖式數目為0(n3)。

遺傳演算法這種處理能力稱為隱含並行性(Implicit Parallelism)。它說明遺傳演算法其內在具有並行處理的特質。

二、遺傳演算法的應用關鍵

遺傳演算法在應用中最關鍵的問題有如下3個

1．串的編碼方式

這本質是問題編碼。一般把問題的各種參數用二進制編碼，構成子串；然後把子串拼接構成「染色體」串。串長度及編碼形式對演算法收斂影響極大。

2．適應函數的確定

適應函數(fitness function)也稱對象函數(object function)，這是問題求解品質的測量函數；往往也稱為問題的「環境」。一般可以把問題的模型函數作為對象函數；但有時需要另行構造。

3．遺傳演算法自身參數設定

遺傳演算法自身參數有3個，即群體大小n、交叉概率Pc和變異概率Pm。

群體大小n太小時難以求出最優解，太大則增長收斂時間。一般n＝30-160。交叉概率Pc太小時難以向前搜索，太大則容易破壞高適應值的結構。一般取Pc=0.25-0.75。變異概率Pm太小時難以產生新的基因結構，太大使遺傳演算法成了單純的隨機搜索。一般取Pm＝0．01—0．2。

三、遺傳演算法在神經網路中的應用

遺傳演算法在神經網路中的應用主要反映在3個方面：網路的學習，網路的結構設計，網路的分析。

1．遺傳演算法在網路學習中的應用

在神經網路中，遺傳演算法可用於網路的學習。這時，它在兩個方面起作用

(1)學習規則的優化

用遺傳演算法對神經網路學習規則實現自動優化，從而提高學習速率。

(2)網路權系數的優化

用遺傳演算法的全局優化及隱含並行性的特點提高權系數優化速度。

2．遺傳演算法在網路設計中的應用

用遺傳演算法設計一個優秀的神經網路結構，首先是要解決網路結構的編碼問題；然後才能以選擇、交叉、變異操作得出最優結構。編碼方法主要有下列3種：

(1)直接編碼法

這是把神經網路結構直接用二進制串表示，在遺傳演算法中，「染色體」實質上和神經網路是一種映射關系。通過對「染色體」的優化就實現了對網路的優化。

(2)參數化編碼法

參數化編碼採用的編碼較為抽象，編碼包括網路層數、每層神經元數、各層互連方式等信息。一般對進化後的優化「染色體」進行分析，然後產生網路的結構。

(3)繁衍生長法

這種方法不是在「染色體」中直接編碼神經網路的結構，而是把一些簡單的生長語法規則編碼入「染色體」中；然後，由遺傳演算法對這些生長語法規則不斷進行改變，最後生成適合所解的問題的神經網路。這種方法與自然界生物地生長進化相一致。

3．遺傳演算法在網路分析中的應用

遺傳演算法可用於分析神經網路。神經網路由於有分布存儲等特點，一般難以從其拓撲結構直接理解其功能。遺傳演算法可對神經網路進行功能分析，性質分析，狀態分析。

遺傳演算法雖然可以在多種領域都有實際應用，並且也展示了它潛力和寬廣前景；但是，遺傳演算法還有大量的問題需要研究，目前也還有各種不足。首先，在變數多，取值范圍大或無給定范圍時，收斂速度下降；其次，可找到最優解附近，但無法精確確定最擾解位置；最後，遺傳演算法的參數選擇尚未有定量方法。對遺傳演算法，還需要進一步研究其數學基礎理論；還需要在理論上證明它與其它優化技術的優劣及原因；還需研究硬體化的遺傳演算法；以及遺傳演算法的通用編程和形式等。