遗传算法又叫GA算法.ppt

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1、智能优化算法(之一:遗传算法)太原科技大学张学良自然界充满了奇迹与生机，而生命的繁衍更是奇妙无穷。人类之所以能够向其自身的演化学习以增强决策问题的能力，是因为自然演化过程本质就是一个学习与优化的过程。这一优化过程的目的是使生命体达到适应环境的最佳结构与效果。§1.1遗传算法的起源及生物学基础曾经主宰地球的恐龙由于庞大的身躯跟不上环境的变迁而灭绝；长颈鹿为了觅食而长长了脖子；老鼠的机敏是为了生存而挣扎的结果；青蛙的存活则得益于其两栖式左右逢源的能力；人类解放出有力的双手，得益于类人猿求生的努力，而正是这一对与其它动物的不同的、不再用于进行行走的双手，使人

2、类成了这个世界的主宰。自然演化遵循着一种奇妙的规律，这就是达尔文发现的自然演化规律：物竟天择，适者生存。自然界特别是生物界神奇的进化过程是一个不断优化的过程。近代基因遗传工程的研究成果正在不断揭示着这一过程的本质机理。人们为什么不能师法大自然，把生物学进化的一些基本概念和机理引伸到工程问题的研究中来呢？1975年，Holland提出了建立基因遗传优化的计算机仿真——遗传算法的基本概念和技巧，其本意是在人工适应系统中设计的一种基于自然演化原理搜索机制。遗传算法是基于自然选择和遗传机制，在计算机上模拟自然界生物进化过程与机制的寻优搜索仿生智能算法，它模拟的

3、机制是一切生命与智能的产生与进化过程。它模拟达尔文的自然演化规律的原理激励好的结构，模拟孟德尔的遗传变异理论在迭代过程中保持已有的结构，同时寻找更好的结构。它是一类自组织、自适应人工智能技术。自然界的生物从其父代继承特征或性状，这种生命现象称之为遗传（Heredity），研究这种生命现象与机理的科学即为遗传学（Genetics）。由于有遗传作用，自然界才有稳定的物种，人们种瓜得瓜，种豆得豆，之所以鱼至今还仍然会在水中遨游，鸟仍然在天空中飞翔都是这个缘由。自然界之所以稳定有序，持久永恒，而非天翻地覆，恐怕也得益于这一点。构成生物的基本结构与功能单位是细胞

4、(Cell).细胞中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。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决定，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。遗传学认为，遗传是作为一种指令遗传码封装在每个细胞中，并以基因的形式包含在染色体中，每个基因有其特殊的位置并控制某个特殊的性质，每个基因产生的个体对环境有一定的适应性。细胞在分裂时，遗传物质DNA通过复制（Reproduc

5、tion）而转移到新产生的细胞中，新细胞就继承了旧细胞的基因。这正是子代与父代相象的主要原因所在。另外，在进行细胞复制时，虽然概率很小，但也可能产生某些复制差错，从而使DNA中的某些基因发生变异（Mutation），产生出新的染色体。这正是为什么子代与父代相象，但又不是完全一样的缘故。否则，就不叫遗传，恐怕是克隆（Clone）了。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过程中由于各种各样的原因而发生变化。生物在其延续生存的过程中，逐渐适应于其生存环境，使得其品质不断得到改良，这种生命现象称为进化（Evolution）。生物的进化是

6、以集团的形式共同进行的，这样的团体称为种群或群体（Population），组成种群的单个生物称为个体（Individual）。每一个生物个体对其生存环境都有不同的适应能力，这种能力称为个体的适应度（Fitness）。达尔文的自然选择学说认为，通过不同生物间的交配以及其他一些原因，生物的基因有可能发生变异而生成一种新的生物基因，这部分变异了的基因也将遗传到下一代。尽管这种变化的概率可以预测，但具体哪一个个体发生变化却是偶然的。这种新的基因根据其与环境的适应程度决定其增殖能力，有利于生存环境的基因逐渐增多，而不利于生存环境的基因逐渐减少。借助于这种自然的选

7、择机制，物种将逐渐地向适应于生存环境的方向进化，从而产生出越来越适应环境的物种。不适应环境的物种，也会逐渐灭绝，销声匿迹。这就是“物竟天择，适者生存”的原理。人们对遗传与进化的特征已形成了如下的共识：1．染色体中包含了生物的所有遗传信息（基因），染色体决定个体的生物特征（表现型），而表现型决定个体对环境的适应度。2．可以认为生物体的基因在染色体上呈线性排列，所有遗传与进化过程均发生在染色体上。3．生物的繁殖是由其基因的复制来完成的，交叉重组是有性繁殖的基因复制的基本形式。4．同源染色体之间的交叉或染色体上基因的变异（突变）产生新的物种，使生物体呈现新的

8、性状，变异是物种进化的根本保证。5．自然依据个体生物的适应度决定其在种群中是否存活，对环境适应