遺傳演算法機器學習

Ⅰ 遺傳演算法的特點

遺傳演算法具有十分頑強的魯棒性^{［56，53］}，這是因為比起普通的優化搜索方法，它採用了許多獨特的方法和技術，歸納起來，主要有以下幾個方面。

遺傳演算法的處理對象不是參數本身，而是對參數集進行了編碼的個體。此編碼操作，使得遺傳演算法可直接對結構對象進行操作。所謂結構對象泛指集合、序列、矩陣、樹、圖、鏈和表等各種一維或二維甚至三維結構形式的對象。這一特點，使得遺傳演算法具有廣泛的應用領域。比如：

①通過對連接矩陣的操作，遺傳演算法可用來對神經網路或自動機的結構或參數加以優化；②通過對集合的操作，遺傳演算法可實現對規則集合或知識庫的精煉而達到高質量的機器學習目的；③通過對樹結構的操作用遺傳演算法可得到用於分類的最佳決策樹；④通過對任務序列的操作，遺傳演算法可用於任務規劃，而通過對操作序列的處理遺傳演算法可自動構造順序控制系統。

如前所述許多傳統搜索方法都是單點搜索演算法，即通過一些變動規則，問題的解從搜索空間中的當前解（點）移到另一解（點）。這種點對點的搜索方法，對於多峰分布的搜索空間常常會陷於局部的某個單峰的優解。相反，遺傳演算法是採用同時處理群體中多個個體的方法，即同時對搜索空間中的多個解進行評估，更形象地說，遺傳演算法是並行地爬多個峰。這一特點使遺傳演算法具有較好的全局搜索性能，減少了陷於局部優解的風險，同時這使遺傳演算法本身也十分易於並行化。

在標準的遺傳演算法中，基本上不用搜索空間的知識或其他輔助信息，無需導數或其他輔助信息，而僅用適應度函數值來評估個體，並在此基礎上進行遺傳操作。需要著重提出的是，遺傳演算法的適應度函數不僅不受連續可微的約束，而且其定義域可以任意設定。對適應度函數的惟一要求是，對於輸入可計算出加以比較的正的輸出。遺傳演算法的這一特點使它的應用范圍大大擴展。

圖7-1 基本遺傳演算法的框圖

遺傳演算法不是採用確定性規則，而是採用概率的變遷規則來指導它的搜索方向。在以後的章節中我們將會看到，遺傳演算法採用概率僅僅是作為一種工具來引導其搜索過程朝著搜索空間的更優化的解區域移動。因此雖然看起來它是一種盲目搜索方法，但實際上有明確的搜索方向。

遺傳演算法利用簡單的編碼技術和繁殖機制來表現復雜的現象，從而解決非常困難的問題。特別是由於它不受搜索空間的限制性假設的約束，不必要求諸如連續性、導數存在和單峰等假設，它能從離散的、多極值的、含有噪音的高維問題中以很大的概率找到全局最優解；其次，由於它固有的並行性，遺傳演算法非常適用於大規模並行計算。遺傳演算法目前已經在優化、機器學習和並行處理等領域得到了越來越廣泛的應用。

Ⅱ 遺傳演算法有哪些方向

遺傳演算法研究方向主要有以下幾個方面：
1. 遺傳演算法基礎理論研究
在遺傳演算法中,群體規模和遺傳運算元的控制參數的選取 是必要的試驗參數。
遺傳演算法的收斂也是遺傳演算法基礎理論研究方向之一。

2. 遺傳演算法的分類系統
分類系統屬於基於遺傳演算法的機器學習中的一類,包括一個簡單 的基於串規則的並行生成子系統、規則評價子系統和遺傳演算法子系統 。
分類系統被人們越來越多地應用在科學、工程和經濟領域中,是目 前遺傳演算法研究中一個十分活躍的領域。
3. 分布並行遺傳演算法
分布並行遺傳算 法的研究表明,只要通過保持多個群體和恰當控制群體間的相互作用 來模擬並行執行過程,即使不使用並行計算機,也能提高演算法的執行效 率。
4. 遺傳進化演算法
模擬自然進化過程可以產生魯棒的計算機演算法--進化演算法。其餘兩種演算法是進化規劃和進化策略 。

5. 遺傳神經網路
包括連接權、網路結構和學習規則的進化。

Ⅲ 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。

(3)遺傳演算法機器學習擴展閱讀

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。