遺傳演算法數據太少

1. 遺傳演算法

優化的演算法有很多種，從最基本的梯度下降法到現在的一些啟發式演算法，如遺傳演算法(GA)，差分演化演算法(DE)，粒子群演算法(PSO)和人工蜂群演算法(ABC)。

舉一個例子，遺傳演算法和梯度下降：

梯度下降和遺傳演算法都是優化演算法，而梯度下降只是其中最基礎的那一個，它依靠梯度與方向導數的關系計算出最優值。遺傳演算法則是優化演算法中的啟發式演算法中的一種，啟發式演算法的意思就是先需要提供至少一個初始可行解，然後在預定義的搜索空間高效搜索用以迭代地改進解，最後得到一個次優解或者滿意解。遺傳演算法則是基於群體的啟發式演算法。

遺傳演算法和梯度下降的區別是：

1.梯度下降使用誤差函數決定梯度下降的方向，遺傳演算法使用目標函數評估個體的適應度
2.梯度下降是有每一步都是基於學習率下降的並且大部分情況下都是朝著優化方向迭代更新，容易達到局部最優解出不來；而遺傳演算法是使用選擇、交叉和變異因子迭代更新的，可以有效跳出局部最優解
3.遺傳演算法的值可以用二進制編碼表示，也可以直接實數表示

遺傳演算法如何使用它的內在構造來算出 α 和 β ：

主要講一下選擇、交叉和變異這一部分：
1.選擇運算:將選擇運算元作用於群體。選擇的目的是把優秀（適應值高）的個體直接遺傳到下一代。選擇操作是建立在群體中個體的適應度評估基礎上的。

2.交叉運算：將交叉運算元作用於群體。遺傳演算法中起核心作用的就是交叉運算元。交叉運算元是將種群中的個體兩兩分組，按一定概率和方式交換部分基因的操作。將交叉運算元作用於群體。遺傳演算法中起核心作用的就是交叉運算元。例如：（根據概率選取50個個體，兩兩配對，交換x,y，比如之前兩個是(x1,y1),(x2,y2)，之後變成了（x1,y2）,(x2,y1)）

3.變異運算：將變異運算元作用於群體。即是對群體中的個體串的某些基因座上的基因值作變動。（x2可能變為x2+δ，y1變為y1+δ）
種群P(t)經過選擇、交叉、變異運算之後得到下一代種群P(t+1)。

遺傳演算法就是通過對大量的數據個體使用選擇、交叉和變異方式來進化，尋找適合問題的最優解或者滿意解。

遺傳演算法參數的用處和設置：

1.編碼選擇：通常使用二進制編碼和浮點數編碼，二進制適合精度要求不高、特徵較少的情況。浮點數適合精度高、特徵多的情況
2.種群：種群由個體組成，個體中的每個數字都代表一個特徵，種群個體數量通常設置在40-60之間；迭代次數通常看情況定若計算時間較長可以在100內，否則1000以內都可以。
3.選擇因子：通常有輪盤賭選擇和錦標賽選擇，輪盤賭博的特點是收斂速度較快，但優勢個體會迅速繁殖，導致種群缺乏多樣性。錦標賽選擇的特點是群多樣性較為豐富，同時保證了被選個體較優。
4.交叉因子：交叉方法有單點交叉和兩點交叉等等，通常用兩點交叉。交叉概率則選擇在0.7-0.9。概率越低收斂越慢時間越長。交叉操作能夠組合出新的個體，在串空間進行有效搜索，同時降低對種群有效模式的破壞概率。
5.變異因子：變異也有變異的方法和概率。方法有均勻變異和高斯變異等等；概率也可以設置成0.1。變異操作可以改善遺傳演算法的局部搜索能力，豐富種群多樣性。
6.終止條件：1、完成了預先給定的進化代數；2、種群中的最優個體在連續若干代沒有改進或平均適應度在連續若干代基本沒有改進；3、所求問題最優值小於給定的閾值.

2. 遺傳演算法的基本原理

遺傳演算法的基本原理和方法

一、編碼

編碼：把一個問題的可行解從其解空間轉換到遺傳演算法的搜索空間的轉換方法。

解碼（解碼）：遺傳演算法解空間向問題空間的轉換。

二進制編碼的缺點是漢明懸崖（Hamming Cliff），就是在某些相鄰整數的二進制代碼之間有很大的漢明距離，使得遺傳演算法的交叉和突變都難以跨越。

格雷碼（Gray Code）：在相鄰整數之間漢明距離都為1。

（較好）有意義的積木塊編碼規則：所定編碼應當易於生成與所求問題相關的短距和低階的積木塊；最小字元集編碼規則，所定編碼應採用最小字元集以使問題得到自然的表示或描述。

二進制編碼比十進制編碼搜索能力強，但不能保持群體穩定性。

動態參數編碼（Dynamic Paremeter Coding）：為了得到很高的精度，讓遺傳演算法從很粗糙的精度開始收斂，當遺傳演算法找到一個區域後，就將搜索現在在這個區域，重新編碼，重新啟動，重復這一過程，直到達到要求的精度為止。

編碼方法：

1、 二進制編碼方法

缺點：存在著連續函數離散化時的映射誤差。不能直接反映出所求問題的本身結構特徵，不便於開發針對問題的專門知識的遺傳運算運算元，很難滿足積木塊編碼原則

2、 格雷碼編碼滾如：連續的兩個整數所對應的編碼之間僅僅只有一個碼位是不同的，其餘碼位都相同。

3、 浮點數編碼方法：個體的每個基因值用某一范圍內的某個浮點數來表示，個體的編碼長度等於其決策變數的位數。

4、 各參數級聯編碼：對含有多個變數的個體進行編碼的方法。通常將各個參數分別以某種編碼方法進行編碼，然後再將他們的編碼按照一定順序連接在一起就組成了表示全部參數的個體編碼。

5、 多參數交叉編碼：將各個參數中起主要作用的碼位集中在一起，這樣它們就不易於被遺傳運算元破壞掉。

評估編碼的三個規范：完備性、健全性、非冗餘性。

二、選擇

遺傳演算法中的選擇操作就是用來確定如何從父代群體中按某種方法選取那些個體遺傳到下一代群體中的一種遺傳運算，用來確定重組或交叉個體，以及被選個體將產生多少個子代個體。

常用的選擇運算元：

1、 輪盤賭選擇（Roulette Wheel Selection）：是一種回放式隨機采樣方法。每個個體進入下一代的概率等於它的適應度值與整個種群中個體適應度值和的比例。選擇誤差較大。

2、 隨機競爭選擇（Stochastic Tournament）：每次按輪盤賭選擇一對個體，然後讓這兩個個體進行競爭，適應度高的被選中，如此反復，直到選滿為止。

3、 最佳保留選擇：首先按輪盤賭選擇方法執行遺傳演算法的選擇操作，然後將當前群體中適應度最高的大宏啟個體結構完整地復制到下一代群體中。

4、 無回放隨機選擇（也叫期望值選擇Excepted Value Selection）：根據每個個體在下一代群體中的生存期望來進行隨機選擇運算。方法如下

（1） 計算群體中每個個體在下一代群體中的生存期望數目N。

（2） 若某一個體被選中參與交叉運算，則它在下一代中的生存期望數目減去0.5，若某一個體未被選中參與交叉運算，則它絕配在下一代中的生存期望數目減去1.0。

（3） 隨著選擇過程的進行，若某一個體的生存期望數目小於0時，則該個體就不再有機會被選中。

5、 確定式選擇：按照一種確定的方式來進行選擇操作。具體操作過程如下：

（1） 計算群體中各個個體在下一代群體中的期望生存數目N。

（2） 用N的整數部分確定各個對應個體在下一代群體中的生存數目。

（3） 用N的小數部分對個體進行降序排列，順序取前M個個體加入到下一代群體中。至此可完全確定出下一代群體中M個個體。

6、無回放余數隨機選擇：可確保適應度比平均適應度大的一些個體能夠被遺傳到下一代群體中，因而選擇誤差比較小。

7、均勻排序：對群體中的所有個體按期適應度大小進行排序，基於這個排序來分配各個個體被選中的概率。

8、最佳保存策略：當前群體中適應度最高的個體不參與交叉運算和變異運算，而是用它來代替掉本代群體中經過交叉、變異等操作後所產生的適應度最低的個體。

9、隨機聯賽選擇：每次選取幾個個體中適應度最高的一個個體遺傳到下一代群體中。

10、排擠選擇：新生成的子代將代替或排擠相似的舊父代個體，提高群體的多樣性。

三、交叉

遺傳演算法的交叉操作，是指對兩個相互配對的染色體按某種方式相互交換其部分基因，從而形成兩個新的個體。

適用於二進制編碼個體或浮點數編碼個體的交叉運算元：

1、單點交叉（One－pointCrossover）：指在個體編碼串中只隨機設置一個交叉點，然後再該點相互交換兩個配對個體的部分染色體。

2、兩點交叉與多點交叉：

（1） 兩點交叉（Two－pointCrossover）：在個體編碼串中隨機設置了兩個交叉點，然後再進行部分基因交換。

（2） 多點交叉（Multi－pointCrossover）

3、均勻交叉（也稱一致交叉，UniformCrossover）：兩個配對個體的每個基因座上的基因都以相同的交叉概率進行交換，從而形成兩個新個體。

4、算術交叉（ArithmeticCrossover）：由兩個個體的線性組合而產生出兩個新的個體。該操作對象一般是由浮點數編碼表示的個體。

四、變異

遺傳演算法中的變異運算，是指將個體染色體編碼串中的某些基因座上的基因值用該基因座上的其它等位基因來替換，從而形成以給新的個體。

以下變異運算元適用於二進制編碼和浮點數編碼的個體：

1、基本位變異（SimpleMutation）：對個體編碼串中以變異概率、隨機指定的某一位或某幾位僅因座上的值做變異運算。

2、均勻變異（UniformMutation）：分別用符合某一范圍內均勻分布的隨機數，以某一較小的概率來替換個體編碼串中各個基因座上的原有基因值。（特別適用於在演算法的初級運行階段）

3、邊界變異（BoundaryMutation）：隨機的取基因座上的兩個對應邊界基因值之一去替代原有基因值。特別適用於最優點位於或接近於可行解的邊界時的一類問題。

4、非均勻變異：對原有的基因值做一隨機擾動，以擾動後的結果作為變異後的新基因值。對每個基因座都以相同的概率進行變異運算之後，相當於整個解向量在解空間中作了一次輕微的變動。

5、高斯近似變異：進行變異操作時用符號均值為P的平均值，方差為P2的正態分布的一個隨機數來替換原有的基因值。

3. 遺傳演算法-總結

最近在做遺傳演算法的項目，簡單記錄一下。
遺傳演算法是模擬自然界生物進化機制的一種演算法，在尋優過程中有用的保留無用的去除。包括3個基本的遺傳運算元：選擇（selection）、交叉（crossover）和變異（mutation）。遺傳操作的效果與上述3個遺傳運算元所取的操作概率、編碼方法、群體大小、初始群體，以及適應度函數的設定密切相關。
1、種群初始化
popsize 種群大小，一般為20-100，太小會降低群體的多樣性，導致早熟；較大會影響運行效率；迭代次數一般100-500；交叉概率：0.4-0.99，太小會破壞群體的優良模式；變異概率：0.001-0.1，太大搜索趨於隨機。編碼包括實數編碼和二進制編碼，可以參考遺傳演算法的幾個經典問題，TSP、背包問題、車間調度問題。
2、選擇
目的是把優化個體直接遺傳到下一代或通過配對交叉產生新的個體再遺傳到下一代，我大部分採用了輪盤賭的方法。具體可參考 http://my.oschina.net/u/1412321/blog/192454 輪盤賭方法各個個體的選擇概率和其適應值成比例，個體適應值越大，被選擇的概率也越高，反之亦然。在實際問題中，經常需要最小值作為最優解，有以下幾種方法進行轉換
a、0-1之間的數據，可以用1-該數值，則最小值與最大值互換；
b、 求倒數；
c、求相反數；
以上幾種方法均可以將最大值變為最小值，最小值變為最大值，便於利用輪盤賭選擇最優個體，根據實際情況來確定。
3、交叉
交叉即將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。根據編碼方法的不同，可以有以下的演算法：
a、實值重組
離散重組、中間重組、線性重組、擴展線性重組
b、二進制交叉
單點交叉、多點交叉、均勻交叉、洗牌交叉、縮小代理交叉
4、變異
基本步驟：對群中所有個體以事先設定的變異概率判斷是否進行變異；對進行變異的個體隨機選擇變異位進行變異。根據編碼表示方法的不同，有實值變異和二進制變異
變異的目的：
a、使遺傳演算法具有局部的隨機搜索能力。當遺傳演算法通過交叉運算元已接近最優解鄰域時，利用變異運算元的這種局部搜索能力可以加速向最優解收斂。顯然該情況下變異概率應取較小值，否則接近最優解的積木塊會因為變異遭到破壞。
b、使遺傳演算法可維持多樣性，以防止未成熟收斂現象。此時收斂概率應取較大值。
變異概率一般取0.001-0.1。
5、終止條件
當最優個體的適應度達到給定的閾值，或者最優個體的適應度和群體適應度不再上升時，或者迭代次數達到預設的代數時，演算法終止。預設代數一般為100-500。
6、其它
多變數：將多個變數依次連接
多目標：一種方法是轉化為單目標，例如按大小進行排序，根據排序和進行選擇，可以參考 https://blog.csdn.net/paulfeng20171114/article/details/82454310

4. 遺傳演算法、數值演算法、爬山演算法、模擬退火 各自的優缺點

遺傳演算法：其優點是能很好地處理約束，跳出局部最優，最終得到全局最優解。缺點是收斂速度慢，局部搜索能力弱，運行時間長，容易受到參數的影響。

模擬退火：具有局部搜索能力強、運行時間短的優點。缺點是全局搜索能力差，容易受到參數的影響。

爬山演算法：顯然爬山演算法簡單、效率高，但在處理多約束大規模問題時，往往不能得到較好的解決方案。

數值演算法：這個數值演算法的含義太寬泛了，指的是哪種數值演算法，陣列演算法與爬山演算法一樣，各有優缺點。

(4)遺傳演算法數據太少擴展閱讀：

注意事項：

遺傳演算法的機制比較復雜，在Matlab中已經用工具箱中的命令進行了打包，通過調用可以非常方便的使用遺傳演算法。

函數GA：［x，Fval，reason］＝GA（＠fitnessfun，Nvars，options）x為最優解，Fval為最優值，＠Fitnessness為目標函數，Nvars為自變數個數，options為其他屬性設置。系統的默認值是最小值，所以函數文檔中應該加上一個減號。

要設置選項，您需要以下函數：options＝GaOptimset（＇PropertyName1＇，＇PropertyValue1＇，＇PropertyName2＇，＇PropertyName3＇，＇PropertyValue3＇…）通過該函數，可以確定一些遺傳演算法的參數。

5. 遺傳演算法能處理大量數據嗎

遺傳演算法精髓是你看的fitnessFunction怎麼寫的，能不能處理大數據量，不是演算法決定的，是你的計算機性能和你的代碼決定的。遺傳演算法本身是一種搜索的演算法，實際上皮早是試出來的。行的可以，不行的淘汰。能不能處理大數據量，實際上看你的種群數量有多大，每一個單獨的序列有多長。如果很者散大，你的演算法就要費心思設計，否則要麼很慢，要麼運行不了。
遺傳演算法是沒辦法的時候才用的，在枚燃嫌雀舉或者逆向演算法是在無法完成這么大運算量的時候用的，能節約時間，找到一個相對可以接受的解而已。

6. 遺傳演算法

遺傳演算法是從代表問題可能潛在解集的一個種群開始的，而一個種群則由經過基因編碼的一定數目的個體組成。每個個體實際上是染色體帶有特徵的實體。染色體作為遺傳物質的主要載體，即多個基因的集合，其內部表現（即基因型）是某種基因的組合，它決定了個體形狀的外部表現，如黑頭發的特徵是由染色體中控制這一特徵的某種基因組合決定的。因此，在一開始需要實現從表現型到基因型的映射即編碼工作。由於仿照基因編碼的工作很復雜，我們往往進行簡化，如二進制編碼。初始種群產生之後，按照適者生存和優勝劣汰的原理，逐代（generation）演化產生出越來越好的近似解。在每一代，根據問題域中個體的適應度（fitness）大小挑選（selection）個體，並藉助於自然遺傳學的遺傳運算元（genetic operators）進行組合交叉（crossover）和變異（mutation），產生出代表新的解集的種群。這個過程將導致種群自然進化一樣的後生代種群比前代更加適應環境，末代種群中的最優個體經過編碼（decoding），可以作為問題近似最優解。

5.4.1 非線性優化與模型編碼

假定有一組未知參量

x_i（i=1，2，…，M）

構成模型向量m，它的非線性目標函數為Φ（m）。根據先驗知識，對每個未知量都有上下界α_i及b_i，即α_i≤x≤b_i，同時可用間隔d_i把它離散化，使

d_i=（b_i-α_i）/N （5.4.1）

於是，所有允許的模型m將被限制在集

x_i=α_i+jd_i（j=0，1，…，N） （5.4.2）

之內。

通常目標泛函（如經濟學中的成本函數）表示觀測函數與某種期望模型的失擬，因此非線性優化問題即為在上述限制的模型中求使Φ（m）極小的模型。對少數要求擬合最佳的問題，求目標函數的極大與失擬函數求極小是一致的。對於地球物理問題，通常要進行殺重離散化。首先，地球模型一般用連續函數表示，反演時要離散化為參數集才能用於計算。有時，也將未知函數展開成已知基函數的集，用其系數作為離散化的參數集x_i，第二次離散化的需要是因為每一個未知參數在其變化范圍內再次被離散化，以使離散模型空間最終包含著有限個非線性優化可選擇的模型，其個數為

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其中M為未知參數x_i的個數。由此式可見，K決定於每個參數離散化的間隔d_i及其變化范圍（α_i，b_i），在大多數情況下它們只能靠先驗知識來選擇。

一般而言，優化問題非線性化的程度越高，逐次線性化的方法越不穩定，而對蒙特卡洛法卻沒有影響，因為此法從有限模型空間中隨機地挑選新模型並計算其目標函數 Φ（m）。遺傳演算法與此不同的是同時計算一組模型（開始時是隨機地選擇的），然後把它進行二進制編碼，並通過繁殖、雜交和變異產生一組新模型進一步有限的模型空間搜索。編碼的方法可有多種，下面舉最簡單的例說明之，對於有符號的地球物理參數反演時的編碼方式一般要更復雜些。

假設地球為有三個水平層的層次模型，含層底界面深度h_j（j=1，2，3）及層速度v_j（j=1，2，3）這兩組參數。如某個模型的參數值為（十進制）：

h₁=6，h₂=18，h₃=28，單位為10m

v₁=6，v₂=18，v₃=28，單位為 hm/s

按正常的二進制編碼法它們可分別用以下字元串表示為：

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為了減少位元組，這種編碼方式改變了慣用的單位制，只是按精度要求（深度為10m，波速為hm/s）來規定參數的碼值，同時也意味著模型空間離散化間距d_i都規格化為一個單位（即10m，或hm/s）。當然，在此編碼的基礎上，還可以寫出多種新的編碼字元串。例如，三參數值的對應位元組順序重排，就可組成以下新的二進制碼串：

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模型參數的二進制編碼是一種數學上的抽象，通過編碼把具體的非線性問題和生物演化過程聯系了起來，因為這時形成的編碼字元串就相當於一組遺傳基因的密碼。不僅是二進制編碼，十進制編碼也可直接用於遺傳演算法。根據生物系統傳代過程的規律，這些基因信息將在繁殖中傳到下一帶，而下一代將按照「適者生存」的原則決定種屬的發展和消亡，而優化准則或目標函數就起到了決定「適者生存」的作用，即保留失擬較小的新模型，而放棄失擬大的模型。在傳帶過程中用編碼表示的基因部分地交合和變異，即字元串中的一些子串被保留，有的改變，以使傳代的過程向優化的目標演化。總的來說，遺傳演算法可分為三步：繁殖、雜交和變異。其具體實現過程見圖5.8。

圖5.8 遺傳演算法實現過程

5.4.2 遺傳演算法在地震反演中的應用

以地震走時反演為例，根據最小二乘准則使合成記錄與實測數據的擬合差取極小，目標函數可取為

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式中：T_i，0為觀測資料中提取出的地震走時；T_i，s為合成地震或射線追蹤算出的地震走時；ΔT為所有合成地震走時的平均值；N_A為合成地震數據的個數，它可以少於實測T_i，0的個數，因為在射線追蹤時有陰影區存在，不一定能算出合成數據T_j，0。利用射線追蹤計算走時的方法很多，參見上一章。對於少數幾個波速為常數的水平層，走時反演的參數編碼方法可參照上一節介紹的分別對深度和速度編碼方法，二進制碼的字元串位數1不會太大。要注意的是由深度定出的字元串符合數值由淺到深增大的規律，這一約束條件不應在雜交和傳代過程中破壞。這種不等式的約束（h₁＜h₂＜h₃…）在遺傳演算法中是容易實現的。

對於波場反演，較方便的做法是將地球介質作等間距的劃分。例如，將水平層狀介質細分為100個等厚度的水平層。在上地殼可假定波速小於6400 m/s（相當於解空間的硬約束），而波速空間距為100m/s，則可將波速用100m/s為單位，每層用6位二進制字元串表示波速，地層模型總共用600位二進制字元串表示（l=600）。初始模型可隨機地選取24～192個，然後通過繁殖雜交與變異。雜交概率在0.5～1.0之間，變異概率小於0.01。目標函數（即失擬方程）在頻率域可表示為

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式中：P₀（ω_k，v_j）為實測地震道的頻譜；ω_k為角頻率；v_j為第j層的波速；P_s（ω_k，v_j）為相應的合成地震道；A（ω_k）為地震儀及檢波器的頻率濾波器，例如，可取

A（ω）=sinC⁴（ω/ω_N） （5.4.6）

式中ω_N為Nyquist頻率，即ω_N=π/Δt，Δt為時間采樣率。參數C為振幅擬合因子，它起到合成與觀測記錄之間幅度上匹配的作用。C的計算常用地震道的包絡函數的平均比值。例如，設E［］為波動信號的包絡函數，可令

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式中：t_max為包絡極大值的對應時間；J為總層數。包絡函數可通過復數道的模擬取得。

用遺傳演算法作波速反演時失擬最小的模型將一直保存到迭代停止。什麼時候停止傳代還沒有理論上可計算的好辦法，一般要顯示解空間的搜索范圍及局部密度，以此來判斷是否可以停止傳代。值得指出的是，由（5.4.4）和（5.4.5）式給出的目標函數對於有誤差的數據是有問題的，反演的目標不是追求對有誤差數據的完美擬合，而是要求出准確而且解析度最高的解估計。

遺傳演算法在執行中可能出現兩類問題。其一稱為「早熟」問題，即在傳代之初就隨機地選中了比較好的模型，它在傳代中起主導作用，而使其後的計算因散不開而白白浪費。通常，增加Q值可以改善這種情況。另一類問題正相反，即傳相當多代後仍然找不到一個特別好的解估計，即可能有幾百個算出的目標函數值都大同小異。這時，最好修改目標函數的比例因子（即（5.4.5）式的分母），以使繁殖概率P_s的變化范圍加大。

對於高維地震模型的反演，由於參數太多，相應的模型字元串太長，目前用遺傳演算法作反演的計算成本還嫌太高。實際上，為了加快計算，不僅要改進反演技巧和傳代的控制技術，而且還要大幅度提高正演計算的速度，避免對遺傳演算法大量的計算花費在正演合成上。

7. 優化演算法筆記（六）遺傳演算法

遺傳演算法(Genetic Algorithms，GA)是一種模擬自然中生物的遺傳、進化以適應環境的智能演算法。由於其演算法流程簡單，參數較少優化速度較快，效果較好，在圖像處理、函數優化、信號處理、模式識別等領域有著廣泛的應用。
在遺傳演算法（GA）中，每一個待求問題的候選解被抽象成為種群中一個個體的基因。種群中個體基因的好壞由表示個體基因的候選解在待求問題中的所的得值來評判。種群中的個體通過與其他個體交叉產生下一代，每一代中個體均只進行一次交叉。兩個進行交叉的個體有一定幾率交換一個或者多個對應位的基因來產生新的後代。每個後代都有一定的概率發生變異。發生變異的個體的某一位或某幾位基因會變異成其他值。最終將以個體的適應度值為概率選取個體保留至下一代。

遺傳演算法啟發於生物的繁殖與dna的重組，本次的主角選什麼呢？還是根據大家熟悉的孟德爾遺傳規律選豌豆吧，選動物的話又會有人疑車，還是植物比較好，本次的主角就是它了。

遺傳演算法包含三個操作（運算元）：交叉，變異和選擇操作。下面我們將詳細介紹這三個操作。
大多數生物的遺傳信息都儲存在DNA，一種雙螺旋結構的復雜有機化合物。其含氮鹼基為腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶及胸腺嘧啶。

表格中表示了一個有10個基因的個體，它們每一個基因的值為0或者1。

生物的有性生殖一般伴隨著基因的重組。遺傳演算法中父輩和母輩個體產生子代個體的過程稱為交叉。

表中給出了兩個豌豆的基因，它們均有10個等位基因（即編號相同的基因）。
遺傳演算法的交叉過程會在兩個個體中隨機選擇1位或者n位基因進行交叉，即這兩個個體交換等位基因。
如，A豌豆和B豌豆在第6位基因上進行交叉，則其結果如下

當兩個個體交叉的等位基因相同時，交叉過程也有可能沒有產生新的個體，如交叉A豌豆和B豌豆的第2位基因時，交叉操作並沒有產生新的基因。

一般的會給群體設定一個交叉率，crossRate，表示會在群體中選取一定比例的個體進行交叉，交叉率相對較大，一般取值為0.8。

基因的變異是生物進化的一個主要因素。
遺傳演算法中變異操作相對簡單，只需要將一個隨機位基因的值修改就行了，因為其值只為0或1，那麼當基因為0時，變異操作會將其值設為1，當基因值為1時，變異操作會將其值設為0。

上圖表示了A豌豆第3位基因變異後的基因編碼。
與交叉率相似，變異操作也有變異率，alterRate，但是變異率會遠低於交叉率，否則會產生大量的隨機基因。一般變異率為0.05。

選擇操作是遺傳演算法中的一個關鍵操作，它的主要作用就是根據一定的策略隨機選擇個體保留至下一代。適應度越優的個體被保留至下一代的概率越大。
實現上，我們經常使用「輪盤賭」來隨機選擇保留下哪個個體。

假設有4個豌豆A、B、C、D，它們的適應度值如下：

適應度值越大越好，則它們組成的輪盤如下圖：

但由於輪盤賭選擇是一個隨機選擇過程，A、B、C、D進行輪盤賭選擇後產生的下一代也有可能出現A、A、A、A的情況，即雖然有些個體的適應度值不好，但是運氣不錯，也被選擇留到了下一代。
遺產演算法的三個主要操作介紹完了，下面我們來看看遺傳演算法的總體流程：

前面我們說了遺傳演算法的流程及各個操作，那麼對於實際的問題我們應該如何將其編碼為基因呢？

對於計算機來所所有的數據都使用二進制數據進行存放，如float類型和double類型的數據。
float類型的數據將保存為32位的二進制數據：1bit（符號位） 8bits（指數位） 23bits（尾數位）
如-1.234567f，表示為二進制位

Double類型的數據將保存為64位的二進制數據：1bit（符號位） 11bits（指數位） 53bits（尾數位）
如-1.234567d，表示為二進制為

可以看出同樣的數值不同的精度在計算機中存儲的內容也不相同。之前的適應度函數 ，由於有兩個double類型的參數，故其進行遺傳演算法基因編碼時，將有128位基因。
雖然基因數較多，但好在每個基因都是0或者1，交叉及變異操作非常簡單。

相比二進制編碼，十進制編碼的基因長度更短，適應度函數 有兩個輸入參數，那麼一個個體就有2個基因，但其交叉、變異操作相對復雜。
交叉操作
方案1：將一個基因作為一個整體，交換兩個個體的等位基因。
交換前

交換第1位基因後

方案2：將兩個個體的等位基因作為一個整體，使其和不變，但是值隨機
交換前

交換第1位基因後

假設A、B豌豆的第一位基因的和為40，即 ,第一位基因的取值范圍為0-30，那麼A、B豌豆的第一位基因的取值范圍為[10,30],即 為[0,30]的隨機數， 。
變異操作，將隨機的一位基因設置為該基因取值范圍內的隨機數即可。

這個過程說起來簡單但其實現並不容易。

我們要將它們的值映射到一個軸上才能進行隨機選擇，畢竟我們無法去繪制一個輪盤來模擬這個過程

如圖，將ABCD根據其值按順序排列，取[0,10]內的隨機數r，若r在[0,1]內則選擇A,在(1,3]內則選擇B,在(3,6]內則選擇C,在(6,10]則選擇D。
當然這仍然會有問題，即當D>>A、B、C時，假如它們的值分布如下

那麼顯然，選D的概率明顯大於其他，根據輪盤賭的選擇，下一代極有可能全是D的後代有沒有辦法均衡一下呢？
首先我想到了一個函數，

不要問我為什麼我不知道什麼是神經什麼網路的，什麼softmax、cnn統統沒聽說過。

這樣一來，它們之間的差距沒有之前那麼大了，只要個體適應度值在均值以上那麼它被保留至下一代的概率會相對較大，當然這樣縮小了個體之間的差距，對真正優秀的個體來說不太公平，相對應，我們可以在每次選擇過程中保留當前的最優個體到下一代，不用參與輪盤賭這個殘酷的淘汰過程。

最令人高興的環節到了，又可以愉快的湊字數了。

由於遺傳演算法的收斂速度實在是太慢，區區50代，幾乎得不到好的結果，so我們把它的最大迭代次數放寬到200代。

使用二進制編碼來進行求解
參數如下：

求解過程如上圖，可以看出基因收斂的很快，在接近20代時就圖中就只剩一個點了，之後的點大概是根據變異操作產生。看一下最後的結果。

可以看出最好的結果已經得到了最優解，但是10次實驗的最差值和平均值都差的令人發指。為什麼會這樣呢？

問題出在二進制編碼上，由於double類型的編碼有11位指數位和52位小數位，這會導致交叉、變異操作選到指數位和小數位的概率不均衡，在小數位上的修改對結果的影響太小而對指數為的修改對結果的影響太大，
如-1.234567d，表示為二進制為

對指數為第5位進行變異操作後的結果為-2.8744502924382686E-10，而對小數位第5為進行變異操作後的結果為-1.218942。可以看出這兩部分對數值結果的影響太不均衡，得出較好的結果時大概率是指數位與解非常相近，否則很難得出好的結果，就像上面的最差值和均值一樣。
所以使用上面的二進制編碼不是一個好的基因編碼方式，因此在下面的實驗中，將使用十進制來進行試驗。

使用:十進制編碼來進行求解
參數如下：

我們可以看到直到40代時，所有的個體才收束到一點，但隨後仍不斷的新的個體出現。我們發現再後面的新粒子總是在同一水平線或者豎直線上，因為交叉操作直接交換了兩個個體的基因，那麼他們會相互交換x坐標或者y坐標，導致新個體看起來像在一條直線上。
我們來看看這次的結果。

這次最優值沒有得到最優解，但是最差值沒有二進制那麼差，雖然也不容樂觀。使用交換基因的方式來進行交叉操作的搜索能力不足，加之輪盤賭的選擇會有很大概率選擇最優個體，個體總出現在矩形的邊上。
下面我們先改變輪盤賭的選擇策略，使用上面的sigmod函數方案，並且保留最優個體至下一代。

使用:十進制編碼來進行求解
參數如下：

看圖好像跟之前的沒什麼區別，讓我們們看看最終的結果：

可以看出，最優值沒有什麼變化，但是最差值和平均值有了較大的提升，說明該輪盤賭方案使演算法的魯棒性有了較大的提升。在每次保留最優個體的情況下，對於其他的個體的選擇概率相對平均，sigmod函數使得即使適應度函數值相差不太大的個體被選到的概率相近，增加了基因的多樣性。

使用:十進制編碼來進行求解，改變交叉方案，保持兩個個體等位基因和不變的情況下隨機賦值。
參數如下：

上圖可以看出該方案與之前有明顯的不同，在整個過程中，個體始終遍布整個搜索空間，雖然新產生的個體大多還是集中在一個十字架型的位置上，但其他位置的個體比之前的方案要多。
看看結果，

這次的結果明顯好於之前的所有方案，但仍可以看出，十進制的遺傳演算法的精度不高，只能找到最優解的附近，也有可能是演算法的收斂速度實在太慢，還沒有收斂到最優解。

遺傳演算法的探究到此也告一段落，在研究遺傳演算法時總有一種力不從心的感覺，問題可能在於遺傳演算法只提出了一個大致的核心思想，其他的實現細節都需要自己去思考，而每個人的思維都不一樣，一萬個人能寫出一萬種遺傳演算法，其實不僅是遺傳演算法，後面的很多演算法都是如此。
為什麼沒有對遺傳演算法的參數進行調優，因為遺傳演算法的參數過於簡單，對結果的影響的可解釋性較強，意義明顯，實驗的意義不大。

遺傳演算法由於是模仿了生物的進化過程，因此我感覺它的求解速度非常的慢，而且進化出來的結果不一定是最適應環境的，就像人的闌尾、視網膜結構等，雖然不是最佳的選擇但是也被保留到了今天。生物的進化的隨機性較大，要不是恐龍的滅絕，也不會有人類的統治，要不是人類有兩只手，每隻手有5根手指，也不會產生10進制。
以下指標純屬個人yy,僅供參考

目錄
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8. 為什麼遺傳演算法優化後反而效果變差了

遺傳演算法優化時，可能會遇到過早收斂的問題，也就是演算法在早期階段就褲棚開始陷入局部最優解，導致後續的求解過程無法得到更好的結果。過早收斂的主要原因可能有以下幾種：
1. 種群規模太小：在遺傳演算法中，種群規模的大小會影響演算法的收斂速度和質量。如果種群規模太小，演算法容易陷入局部最優解。
2. 選擇運算元不合適：選擇運算元是遺傳演算法中比較重要的部分，它直接決定了種群中父代和子代的選擇情況。若選擇運算元的設計不當，可能會導胡中則致早期階段種群快速收斂到一個較小的范圍內。
3. 變異率太小：變異是遺傳演算法中使種群具有多樣性和避免早期收斂的重要方法之一。如果變異率太小，種群中的培薯多樣性就會越來越小，趨向於收斂到一個較小的范圍內。
4. 初始種群設計不合理：如果初始種群的設計不合理，可能會導致演算法在早期階段陷入局部最優解而無法跳出。
綜上所述，如果遺傳演算法優化後效果變差，可能存在演算法參數不適合或設計不當的問題，需要重新調整及優化演算法參數或方法，避免過早收斂等問題，以進一步優化遺傳演算法的效果。

9. 遺傳演算法的優缺點

優點：

1、遺傳演算法是以決策變數的編碼作為運算對象，可以直接對集合、序列、矩陣、樹、圖等結構對象進行操作。這樣的方式一方面有助於模擬生物的基因、染色體和遺傳進化的過程，方便遺傳操作運算元的運用。

另一方面也使得遺傳演算法具有廣泛的應用領域，如函數優化、生產調度、自動控制、圖像處理、機器學習、數據挖掘等領域。

2、遺傳演算法直接以目標函數值作為搜索信息。它僅僅使用適應度函數值來度量個體的優良程度，不涉及目標函數值求導求微分的過程。因為在現實中很多目標函數是很難求導的，甚至是不存在導數的，所以這一點也使得遺傳演算法顯示出高度的優越性。

3、遺傳演算法具有群體搜索的特性。它的搜索過程是從一個具有多個個體的初始群體P(0)開始的，一方面可以有效地避免搜索一些不必搜索的點。

另一方面由於傳統的單點搜索方法在對多峰分布的搜索空間進行搜索時很容易陷入局部某個單峰的極值點，而遺傳演算法的群體搜索特性卻可以避免這樣的問題，因而可以體現出遺傳演算法的並行化和較好的全局搜索性。

4、遺傳演算法基於概率規則，而不是確定性規則。這使得搜索更為靈活，參數對其搜索效果的影響也盡可能的小。

5、遺傳演算法具有可擴展性，易於與其他技術混合使用。以上幾點便是遺傳演算法作為優化演算法所具備的優點。

缺點：

1、遺傳演算法在進行編碼時容易出現不規范不準確的問題。

2、由於單一的遺傳演算法編碼不能全面將優化問題的約束表示出來，因此需要考慮對不可行解採用閾值，進而增加了工作量和求解時間。

3、遺傳演算法效率通常低於其他傳統的優化方法。

4、遺傳演算法容易出現過早收斂的問題。

(9)遺傳演算法數據太少擴展閱讀

遺傳演算法的機理相對復雜，在Matlab中已經由封裝好的工具箱命令，通過調用就能夠十分方便的使用遺傳演算法。

函數ga：[x, fval,reason]= ga(@fitnessfun, nvars, options)x是最優解，fval是最優值，@fitnessness是目標函數，nvars是自變數個數，options是其他屬性設置。系統默認求最小值，所以在求最大值時應在寫函數文檔時加負號。

為了設置options，需要用到下面這個函數：options=gaoptimset('PropertyName1', 'PropertyValue1', 'PropertyName2', 'PropertyValue2','PropertyName3', 'PropertyValue3', ...)通過這個函數就能夠實現對部分遺傳演算法的參數的設置。