Evolutionäre Algorithmen:
Gespeichert in:
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Format: | Buch |
Sprache: | German |
Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Springer Vieweg
[2015]
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Ausgabe: | 3., überarbeitete und erweiterte Auflage |
Schriftenreihe: | Lehrbuch
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adam_text | Inhaltsverzeichnis
1. Natürliche Evolution 1
1.1. Entwicklung der evolutionären Mechanismen...................................... 2
L2. Evolutionsfaktoren............................................................. 8
1.2.1. Herleitung der Evolutionsfaktoren.......................................... 9
1.2.2. Mutation................................................................. 9
1.2.3. Rekombination............................................................. 10
1.2.4. Selektion................................................................. 10
1.2.5. Genfluss ................................................................. 12
1.2.6. Gendrift.................................................................. 12
1.3. Anpassung als Resultat der Evolution ......................................... 12
1.3.1. Nischenbildung............................................................ 12
1.3.2. Evolution ökologischer Beziehungen ....................................... 13
1.3.3. Baldwin-Effekt............................................................ 13
1.4. Biologische Konzepte in evolutionären Algorithmen............................ 14
Übungsaufgaben ................................................................ 16
Historische Anmerkungen ........................................................... 17
2. Von der Evolution zur Optimierung 19
2.1. Optimierungsprobleme.......................................................... 20
2.2. Der simulierte evolutionäre Zyklus............................................ 24
2.3. Ein beispielhafter evolutionärer Algorithmus ................................. 26
2.4. Formale Einführung evolutionärer Algorithmen.................................. 34
2.5. Vergleich mit anderen Optimierungsverfahren................................... 40
Übungsaufgaben .................................................................... 42
Historische Anmerkungen ........................................................... 43
3. Prinzipien evolutionärer Algorithmen 47
3.1. Wechselspiel zwischen Variation und Selektion................................. 48
3.1.1. Ein einfaches binäres Beispiel.......................................... . 48
3.1.2. Die Gütelandschaft........................................................ 49
3.1.3. Modellierung als Markovprozess.......................................... 51
3.1.4. Das Problem lokaler Optima ............................................... 53
3.1.5. Der Einfluss der Kodierung................................................ 54
3.1.6. Rollen der Mutation ...................................................... 59
3.2. Populationskonzept............................................................ 62
3.2.1. Die Vielfalt in einer Population ......................................... 63
3.2.2. Ein vergleichendes Experiment ............................................ 65
3.2.3. Folgerungen für die Selektion............................................. 67
3.2.4. Varianten der Umweltselektion........................................... 68
VIII
Inhaltsverzeichnis
3.2.5. Selektionsstärke ......................................................... /l
3.2.6. Probabilistische Elternselektion.......................................... 22
3.2.7. Überblick und Parametrierung.............................................. 77
3.2.8. Experimenteller Vergleich der Selektionsoperatoren........................ 78
3.3. Verknüpfen mehrerer Individuen durch die Rekombination........................ 81
3.3.1. Arten der Rekombination................................................... 81
3.3.2. Schema-Theorem............................................................ 85
3.3.3. Formae als Verallgemeinerung der Schemata................................. 95
3.3.4. Schema-Theorie und der Such Fortschritt.................................. 99
3.4. Selbstanpassende Algorithmen.............................................. 108
3.4.1. Einfluss des Stands der Suche.............................................108
3.4.2. Anpassungsstrategien für evolutionäre Operatoren .........................112
3.5. Zusammenfassung der Arbeitsprinzipien.........................................115
3.6. Der ultimative evolutionäre Algorithmus.......................................117
Übungsaufgaben ....................................................................121
Historische Anmerkungen ...........................................................124
4. Evolutionäre Standardalgorithmen 127
4.1. Genetischer Algorithmus.......................................................128
4.2. Evolutionsstrategien .........................................................134
4.3. Evolutionäres Programmieren ..................................................140
4.4. Genetisches Programmieren ................................................ 147
4.5. Einfache Lokale Suchalgorithmen...............................................156
4.6. Weitere Verfahren.............................................................160
4.6.1. Klassifizierende Systeme..................................................160
4.6.2. Tabu-Suche................................................................164
4.6.3. Memetische Algorithmen ..................................................166
4.6.4. Populationsbasiertes inkrementelles Lernen................................167
4.6.5. Differentialevolution.....................................................170
4.6.6. Scatter Search ...........................................................172
4.6.7. Kulturelle Algorithmen....................................................174
4.6.8. Ameisenkolonien...........................................................177
4.6.9. Partikelschwärme..........................................................180
4.7. Kurzzusammenfassung...........................................................181
Übungsaufgaben ................................................................ 184
Historische Anmerkungen ......................................................... 185
S* Techniken für spezifische Problemanforderungen 189
5.1. Optimieren mit Randbedingungen.............................................. 189
5.1.1. Übersicht über die Methoden........................................... 191
5.1.2. Dekoder-Ansatz ......................................................... 191
5.1.3. Restriktive Methoden......................................................194
5.1.4. Tolerante Methoden .......................................................195
5.1.5. Straffunktionen....................................................... 197
5.2. Mehrzieloptimierung...........................................................200
Inhaltsverzeichnis
IX
5.2.1. Optimalitätskriterium bei mehreren Zielgrößen.............................200
5.2.2. Überblick der Techniken zur Mehrzieloptimierung...........................205
5.2.3. Modifikation der Bewertungsfunktion.......................................206
5.2.4. Berechnung der Pareto֊Front...............................................208
5.3. Zeitabhängige Optimierungsprobleme............................................216
5.4. Approximative Bewertung.......................................................221
5.4.1. Verrauschte Bewertung.....................................................222
5.4.2. Stabile Lösungen........................................................ 225
5.4.3. Zeitaufwändige Bewertung..................................................226
5.4.4. Bewertung durch Testfälle.................................................229
5.4.5. Bewertung von Spielstrategien.............................................231
Übungsaufgaben .................................................................. 232
Historische Anmerkungen ...........................................................233
6. Anwendung evolutionärer Algorithmen 237
6.1. Vergleich evolutionärer Algorithmen...........................................238
6.2. Entwurf evolutionärer Algorithmen ............................................241
6.2.1. Der wiederverwendungsbasierte Ansatz......................................242
6.2.2. Der Forma֊basierte Ansatz............................................... 243
6.2.3. Der analysebasierte Ansatz................................................244
6.3. Nutzung von Problemwissen.....................................................251
6.4. Fallstudie: Beladung von Containern...........................................254
6.4.1. Aufgabenstellung..........................................................254
6.4.2. Entwurf des evolutionären Algorithmus.....................................257
6.4.3. Ergebnisse................................................................260
6.5. Fallstudie: Platzierung von Mobilfunkantennen.................................262
6.5.1. Aufgabenstellung........................................................ 262
6.5.2. Entwurf des evolutionären Algorithmus.....................................265
6.5.3. Ergebnisse................................................................269
6.6. Fallstudie: Motorenkalibrierung...............................................272
6.6.1. Aufgabenstellung..........................................................272
6.6.2. Entwurf des evolutionären Algorithmus.....................................275
6.6.3. Ergebnisse................................................................276
6.7. Fallstudie: Konstruktion von lego®֊B au werken ...............................280
6.7.1. Aufgabens tel lung........................................................280
6.7.2. Entwurf des evolutionären Algorithmus.....................................282
6.7.3. Ergebnisse................................................................283
Übungsaufgaben ....................................................................289
Historische Anmerkungen ...........................................................290
Anhang 293
A. Benchmark-Funktionen
295
X
Inhaltsverzeichnis
B. Notation der Algorithmen 299
Literaturverzeichnis 301
Bildnachweis 321
Liste der Algorithmen 323
Symbolverzeichnis 325
Stichwortverzeichnis
327
|
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