最优化方法遗传算法
遗传算法遗传算法
（5）遗传算法在解空间进行高效启发式搜索，而非盲 目地穷举或完全随机搜索；
（6）遗传算法对于待寻优的函数基本无限制，它既不 要求函数连续，也不要求函数可微，既可以是数学解 析式所表示的显函数，又可以是映射矩阵甚至是神经 网络的隐函数，因而应用范围较广；
（7）遗传算法具有并行计算的特点，因而可通过大规 模并行计算来提高计算速度，适合大规模复杂问题的 优化。
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（4）基本遗传算法的运行参数 有下述4个运行参数需要提前设定：
M：群体大小，即群体中所含个体的数量，一般取为 20~100； G：遗传算法的终止进化代数，一般取为100~500； Pc：交叉概率，一般取为0.4~0.99；
Pm：变异概率，一般取为0.0001~0.1。
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10.4.2 遗传算法的应用步骤
遗传算法简称GA（Genetic Algorithms）是1962年 由美国Michigan大学的Holland教授提出的模拟自然 界遗传机制和生物进化论而成的一种并行随机搜索最 优化方法。
遗传算法是以达尔文的自然选择学说为基础发展起 来的。自然选择学说包括以下三个方面：
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（1）遗传：这是生物的普遍特征，亲代把生物信息交 给子代，子代总是和亲代具有相同或相似的性状。生 物有了这个特征，物种才能稳定存在。
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（3）生产调度问题 在很多情况下，采用建立数学模型的方法难以对生
产调度问题进行精确求解。在现实生产中多采用一些 经验进行调度。遗传算法是解决复杂调度问题的有效 工具，在单件生产车间调度、流水线生产车间调度、 生产规划、任务分配等方面遗传算法都得到了有效的 应用。
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（4）自动控制。 在自动控制领域中有很多与优化相关的问题需要求
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遗传算法的研究与进展
遗传算法的研究与进展一、综述随着科学技术的不断发展和计算能力的持续提高，遗传算法作为一种高效的优化方法，在许多领域中得到了广泛的应用。
本文将对遗传算法的研究进展进行综述，包括基本原理、改进策略、应用领域及最新研究成果等方面的内容。
自1975年Brendo和Wolfe首次提出遗传算法以来，该算法已经发展成为一种广泛应用于求解最优化问题的通用方法。
遗传算法主要基于自然选择的生物进化机制，通过模拟生物基因的自然选择、交叉和变异过程来寻找最优解。
在过去的几十年里，众多研究者和开发者针对遗传算法的性能瓶颈和改进方向进行了深入探讨，提出了许多重要的改进策略。
本文将对这些策略进行综述，并介绍相关的理论依据、实现方法以及在具体问题中的应用。
遗传算法的核心思想是基于种群搜索策略，在一组可行解（称为种群）中通过选择、交叉和变异等遗传操作产生新的候选解，进而根据适应度函数在种群中选择优良的候选解，重复上述过程，最终收敛于最优解。
遗传算法的关键要素包括：染色体表示、适应度函数设计、遗传操作方法等。
为进一步提高遗传算法的性能，研究者们提出了一系列改进策略。
这些策略可以从以下几个方面对遗传算法进行改进：多目标优化策略：针对单点遗传算法在求解多目标优化问题时容易出现陷入局部最优解的问题，可以通过引入多目标遗传算法来求解多目标问题。
精英保留策略：为了避免遗传算法在进化过程中可能出现未成熟个体过早死亡的现象，可以采用精英保留策略来保持种群的优良特性。
基于随机邻域搜索策略：这种策略通过对当前解的随机邻域进行搜索，可以在一定程度上避免陷入局部最优解，并提高算法的全局收敛性。
遗传算法作为一种常用的优化方法，在许多领域都有广泛应用，如组合优化、约束满足问题、机器学习参数优化、路径规划等。
随着技术的发展，遗传算法在深度学习、强化学习和智能交通系统等领域取得了显著成果。
研究者们在遗传算法的设计和应用方面取得了一系列创新成果。
基于神经网络的遗传算法被用于解决非线性优化问题；基于模型的遗传算法通过建立优化问题模型来提高算法的精度和效率；一些研究还关注了遗传算法的鲁棒性和稳定性问题，提出了相应的改进措施。
Matlab中的最优化问题求解方法
Matlab中的最优化问题求解方法近年来，最优化问题在各个领域中都扮演着重要的角色。
无论是在工程、经济学还是科学研究中，我们都需要找到最优解来满足特定的需求。
而Matlab作为一种强大的数值计算软件，在解决最优化问题方面有着广泛的应用。
本文将介绍一些Matlab中常用的最优化问题求解方法，并探讨其优缺点以及适用范围。
一. 无约束问题求解方法1. 最速下降法最速下降法是最简单且直观的无约束问题求解方法之一。
其基本思想是沿着梯度的反方向迭代求解，直到达到所需的精度要求。
然而，最速下降法的收敛速度通常很慢，特别是在局部极小值点附近。
2. 共轭梯度法共轭梯度法是一种改进的最速下降法。
它利用了无约束问题的二次函数特性，通过选择一组相互共轭的搜索方向来提高收敛速度。
相比于最速下降法，共轭梯度法的收敛速度更快，尤其适用于大规模优化问题。
3. 牛顿法牛顿法是一种基于二阶导数信息的优化方法。
它通过构建并求解特定的二次逼近模型来求解无约束问题。
然而，牛顿法在高维问题中的计算复杂度较高，并且需要矩阵求逆运算，可能导致数值不稳定。
二. 线性规划问题求解方法1. 单纯形法单纯形法是一种经典的线性规划问题求解方法。
它通过在可行域内进行边界移动来寻找最优解。
然而，当问题规模较大时，单纯形法的计算复杂度会大幅增加，导致求解效率低下。
2. 内点法内点法是一种改进的线性规划问题求解方法。
与单纯形法不同，内点法通过将问题转化为一系列等价的非线性问题来求解。
内点法的优势在于其计算复杂度相对较低，尤其适用于大规模线性规划问题。
三. 非线性规划问题求解方法1. 信赖域算法信赖域算法是一种常用的非线性规划问题求解方法。
它通过构建局部模型，并通过逐步调整信赖域半径来寻找最优解。
信赖域算法既考虑了收敛速度，又保持了数值稳定性。
2. 遗传算法遗传算法是一种基于自然进化过程的优化算法。
它模拟遗传操作，并通过选择、交叉和变异等操作来搜索最优解。
遗传算法的优势在于其适用于复杂的非线性规划问题，但可能需要较长的计算时间。
遗传算法
遗传算法遗传算法是一种借鉴生物遗传和进化机制寻求最优解的计算方法。
该方法模拟生物进化中的复制、交换、变异等过程，并通过模拟自然选择压力的方式推动问题解集向最优解方向移动。
遗传算法为解决多种难以采用传统数学方法求解的复杂问题提供了新的思路。
1. 遗传算法的发展历史研究者采用计算机模拟生物进化过程并解决优化问题的尝试始于20世纪40至50年代。
20世纪60年代中期，美国密歇根大学的Holland教授提出了位串编码技术，这种编码技术适用于变异操作和交叉操作，他指出在研究和设计人工自适应系统时可借鉴生物遗传的机制，以群体的方式进行自适应搜索。
70年代中期，Holland提出遗传算法的模式定理（Schema Theorem），奠定了遗传算法的理论基础。
11967年，Holland教授的学生De Jong首次将遗传算法应用于函数优化中，2设计了遗传算法执行策略和性能评价指标。
他挑选的5个专门用于遗传算法数值实验的函数至今仍被频繁使用，而他提出的在线(on-line)和离线(off-line)指标则仍是目前衡量遗传算法优化性能的主要手段。
1989年，Goldberg出版专著“Genetic Algorithm in Search, Optimization, and Machine learning”3。
该书全面阐述了遗传算法的基本原理及应用，并系统总结了遗传算法的主要研究成果。
该书对遗传算法科学基础的奠定做出了重要贡献。
1991年，Davis编辑出版了专著“Handbook of Genetic Algorithms”，该书中介绍了遗传算法在工程技术和社会生活中的大量应用实例。
41992年，美国斯坦福大学的Koza出版专著“Genetic Programming, on the Programming of Computers by Means of Natural Selection”，在此书中，他将遗传算法应用于计算机程序的优化设计和自动生成，并在此基础上提出遗传编程（Genetic Programming, GP）的概念5。
最优化理论与方法 遗传算法
遗传算法研究综述罗九晖统计学 132111059优化是科学研究、工程技术以及经济管理等等领域的重要研究对象。
优化问题广泛存在于各个领域中，学者对该问题的求解研究从未停止。
一、优化算法概述优化问题是个古老的课题，目前，对优化问题的求解研究主要有三个方向：（1）经典精确优化算法（数值最优化）该算法主要用来处理目标函数以及约束条件有具体的解析表达式且存在导数的情况。
它是先利用求导或者变分法得到极值点存在的必要条件（通常是一组方程或不等式），然后再求解细方程或不等式。
（2）经典近似优化算法（解析最优化）通过最优解的性质建立迭代公式求最优解。
（3）智能算法（仿生算法、演化算法、进化算法）数值优化算法和解析优化算法必须建立在目标函数存在导数的性质条件下进行，而在实际中碰到的很多优化问题的目标函数并不存在导数。
因此，近年来，学者们以模拟物质变化过程或模拟生命体而设计的搜索方式为基础，提出各种算法，这类算法就是智能算法。
二、智能算法概述智能是在任意给定的环境和目标条件下，正确制定决策和实现目标的能力。
智能优化算法则是将生物行为与计算机科学相结合，解决优化问题，制定最优化决策。
目前，智能算法有以下几类：（1）模拟退火算法模拟退火算法是基于蒙特卡洛迭代求解策略的一种随机寻优算法,其出发点是基于物理中固体物质的退火过程与一般组合优化问题之间的相似性(即:退火过程中,固体最终达到能量最小的状态,对应于优化算法最终找到了最优解)而设计的一种智能优化算法,该算法将固体的退火过程与优化问题的求解过程有机的结合起来,因此该算法被称为模拟退火算法。
（2）禁忌搜索算法所谓禁忌就是禁止重复前面的工作。
为了回避局部邻域搜索陷入局部最优的主要不足,禁忌搜索算法用一个禁忌表来记录已经达到过的局部最优点,在下一次的搜索中,利用禁忌表中的信息不再或有选择地搜索这些点,以此来跳出局部最优点。
（3）蚁群算法蚂蚁在运动过程中,能够在它所经过的路径上留下该种物质,而且能够感知这种物质的存在及其强度, 并以此指导自己的运动方向。
五种最优化方法
五种最优化方法1.最优化方法概述最优化问题的分类1）无约束和有约束条件；2）确定性和随机性最优问题（变量是否确定）；3）线性优化与非线性优化（目标函数和约束条件是否线性）；4）静态规划和动态规划（解是否随时间变化）。
最优化问题的一般形式（有约束条件）：式中f（X）称为目标函数（或求它的极小，或求它的极大），si（X）称为不等式约束，hj（X）称为等式约束。
化过程就是优选X，使目标函数达到最优值。
2.牛顿法简介1）解决的是无约束非线性规划问题；2）是求解函数极值的一种方法：3）是一种函数逼近法。
原理和步骤3.最速下降法（梯度法）最速下降法简介1）解决的是无约束非线性规划问题；2）是求解函数极值的一种方法；3）沿函数在该点处目标函数下降最快的方向作为搜索方向；最速下降法算法原理和步骤4•模式搜索法（步长加速法）简介1）解决的是无约束非线性规划问题；2）不需要求目标函数的导数，所以在解决不可导的函数或者求导异常麻烦的函数的优化问题时非常有效。
3）模式搜索法每一次迭代都是交替进行轴向移动和模式移动。
轴向移动的目的是探测有利的下降方向，而模式移动的目的则是沿着有利方向加速移动。
模式搜索法步骤5.评价函数法简介评价函数法是求解多目标优化问题中的一种主要方法。
在许多实际问题中，衡量一个方案的好坏标准往往不止一个，多目标最优化的数学描述如下：min (f_1(x),f_2(x),…,f_k(x)).g(x)<=o传统的多目标优化方法本质是将多目标优化中的各分目标函数, 经处理或数学变换，转变成一个单目标函数，然后采用单目标优化技术求解。
常用的方法有“线性加权和法”、“极大极小法”、“理想点法”。
选取其中一种线性加权求合法介绍。
线性加权求合法6.遗传算法智能优化方法是通过计算机学习和存贮大量的输入-输出模式映射关系，进而达到优化的一种方法，主要有人工神经网络法，遗传算法和模拟退火法等。
遗传算法基本概念1.个体与种群个体就是模拟生物个体而对问题中的对象 (一般就是问题的解)的一种称呼。
最优化计算方法精品文档59页
最优化计算方法---遗传算法1 遗传算法的历史简介二十世纪六十年代，I.Rechenberg在他的《演化战略》中第一次引入了进化算法的思想（起初称之为Evolutionsstragegie）。
他的这一思想逐渐被其他一些研究者发展。
遗传算法（Genetic Algorithms）是John Holland发明的，后来他和他的学生及他的同事又不断发展了它。
终于，在1975年John Holland出版了专著《自然系统和人工系统中的自适应》（Adaptation In Natural and Artificial Systems）。
1992年，John Koza曾经使用遗传算法编出新的程序去做一些具体的工作。
他称他的这种方法为“进化规划”（Genetic Programming，简称GP）。
其中使用了LISP规划方法，这是因为这种语言中的程序被表示为“分析树”（Parse Tree），而这种遗传算法就是以这些分析树为对象的。
2 生物学与进化论背景1）基因所有的生物都是由细胞组成的。
在每一个细胞中都有想同序列的染色体。
染色体是一串DNA的片断，它为整个有机体提供了一种复制模式。
染色体是由基因组成的，或者说染色体就是一块块的基因。
每一个基因为一个特定的蛋白质编码。
或者更简单的说，每一个基因为生物体的某一特定特征编码，比如说眼睛的颜色。
所有可能的某一特定特征的属性（比如：蓝色，桔黄色等）被称之为等位基因。
每一个基因在染色体上都有其特定的位置，这个位置一般被称作位点（Locus）。
全部序列的基因物质（或者全部的染色体）称之为基因组（或染色体组）（Genome）。
基因组上特定序列的基因被称作基因型（Genotype）。
基因型和后天的表现型两者是有机体的显性、生理和心理特征。
比如说眼睛的颜色、智力的基础。
2）复制（Reproduction）在复制中，首先发生的是交叉（Crossover）。
来自于父代的基因按照一定的方式组成了新的基因。
遗传算法(GeneticAlgorithm)..
被选定的一组解 根据适应函数选择的一组解 以一定的方式由双亲产生后代的过程 编码的某些分量发生变化的过程
遗传算法的基本操作
➢选择(selection):
根据各个个体的适应值，按照一定的规则或方法，从 第t代群体P(t)中选择出一些优良的个体遗传到下一代 群体P(t+1)中。
等到达一定程度时，值0会从整个群体中那个位上消失，然而全局最 优解可能在染色体中那个位上为0。如果搜索范围缩小到实际包含全局 最优解的那部分搜索空间，在那个位上的值0就可能正好是到达全局最 优解所需要的。
2023/10/31
适应函数(Fitness Function)
➢ GA在搜索中不依靠外部信息，仅以适应函数为依据，利 用群体中每个染色体(个体)的适应值来进行搜索。以染 色体适应值的大小来确定该染色体被遗传到下一代群体 中的概率。染色体适应值越大，该染色体被遗传到下一 代的概率也越大；反之，染色体的适应值越小，该染色 体被遗传到下一代的概率也越小。因此适应函数的选取 至关重要，直接影响到GA的收敛速度以及能否找到最优 解。
2023/10/31
如何设计遗传算法
➢如何进行编码？ ➢如何产生初始种群？ ➢如何定义适应函数？ ➢如何进行遗传操作(复制、交叉、变异)？ ➢如何产生下一代种群？ ➢如何定义停止准则？
2023/10/31
编码(Coding)
表现型空间
基因型空间 = {0,1}L
编码(Coding)
10010001
父代
111111111111
000000000000
交叉点位置
子代
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111100000000 000011111111
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遗传算法的特点
特点： 通用 鲁棒 次优解、满意解 遗传算法能解决的问题： 优化 NP完全 NP难 高度复杂的非线性问题
遗传算法与传统优化算法的主要不同
1) 遗传算法不是直接作用在参变量集上, 而是 利用参变量集的某种编码;
2) 遗传算法不是从单个点, 而是在群体中从一 个点开始搜索; 3) 遗传算法利用适应值信息, 无需导数或其它 辅助信息; 4) 遗传算法利用概率转移规则, 而非确定性规 则。
（5）L.Davis
1991年，Davis编辑出版了《遗传算法手册》一书，为
推92年，Koza将遗传算法应用于计算机程序的优化设 计及自动生成，提出了遗传编程的概念，并成功地将遗传
编程的方法应用于人工智能、机器学习和符号处理等方面
遗传算法
遗传算法思想来源于生物进化过程, 它 是基于进化过程中的信息遗传机制和优胜 劣汰的自然选择原则的优化算法。遗传算 法用概率搜索过程在状态空间中搜索，产 生新的样本。
遗传算法与自然进化的比较
自然界 染色体 基因 等位基因(allele) 染色体位置(locus) 基因型(genotype) 表型(phenotype) 遗传算法 字符串 字符,特征 特征值 字符串位置 结构 参数集,译码结构
、装箱问题、图形划分问题等方面得到成功的应用。
（3）生产调度问题 在很多情况下，采用建立数学模型的方法难以对生产调度问
题进行精确求解。在现实生产中多采用一些经验进行调度。遗
传算法是解决复杂调度问题的有效工具，在单件生产车间调度 、流水线生产车间调度、生产规划、任务分配等方面遗传算法
都得到了有效的应用。
的机器学习的新概念。
（2）J.D.Bagley
1967年，Holland的学生Bagley在其博士论文中首次提
出了“遗传算法”一词，并发表了遗传算法应用方面的第一 篇论文。他发展了复制、交叉、变异、显性、倒位等遗传算 子，在个体编码上使用了双倍体的编码方法。在遗传算法的 不同阶段采用了不同的概率，从而创立了自适应遗传算法的
传算法实现模糊控制规则的优化，可以改进模糊系统的性能；遗传算 法可用于神经网络连接权的调整和结构的优化；采用遗传算法设计的
分类器系统可用于学习式多机器人路径规划。
（4）自动控制。
在自动控制领域中有很多与优化相关的问题需要求解，遗传
算法已经在其中得到了初步的应用。例如，利用遗传算法进行 控制器参数的优化、基于遗传算法的模糊控制规则的学习、基 于遗传算法的参数辨识、基于遗传算法的神经网络结构的优化 和权值学习等。
（5）机器人
例如，遗传算法已经在移动机器人路径规划、关节机器人运
遗传算法的发展
遗传算法起源于对生物系统所进行的计算机模拟 研究。早在20世纪40年代，就有学者开始研究如何利 用计算机进行生物模拟的技术，他们从生物学的角度
进行了生物的进化过程模拟、遗传过程模拟等研究工
作。进入20世纪60年代，美国密执安大学的Holland 教授及其学生们受到这种生物模拟技术的启发，创造 出一种基于生物遗传和进化机制的适合于复杂系统优 化计算的自适应概率优化技术—遗传算法。
（1）J.H.Holland 20世纪70年代初，Holland教授提出了遗传算法的基本 定理—模式定理，从而奠定了遗传算法的理论基础。模式定 理揭示了群体中优良个体（较好的模式）的样本数将以指数
级规律增长，从理论上保证了遗传算法用于寻求最优可行解
的优化过程。1975年，Holland出版了第一本系统论述遗传 算法和人工自适应系统的专著《自然系统和人工系统的自适 应性》。20世纪80年代，Holland教授实现了第一个基于遗 传算法的机器学习系统—分类器系统，开创了基于遗传算法
动轨迹规划、机器人结构优化和行为协调等方面得到研究和应用 。 （6）图像处理 遗传算法可用于图像处理过程中的扫描、特征提取、图像分 割等的优化计算。目前遗传算法已经在模式识别、图像恢复、图 像边缘特征提取等方面得到了应用。
（7）人工生命 人工生命是用计算机、机械等人工媒体模拟或构造出的具有生物系统
遗传算法
大连理工大学 金博
达尔文进化理论的主要论点
1) 生物的所有遗传信息都包含在其染色体中，染 色体决定了生物的性状； 2) 染色体是由基因及其有规律的排列所构成的， 遗传和进化过程发生在染色体上； 3) 生物的繁殖过程是由其基因的复制过程来完成 的； 4) 通过同源染色体之间的交叉或染色体的变异会 产生新的物种，使生物呈现新的性状； 5) 对环境适应性好的基因或染色体经常比适应性 差的基因或染色体有更多的机会遗传到下一代。
。
（1）函数优化。 函数优化是遗传算法的经典应用领域，也是遗传算法进行性 能评价的常用算例。尤其是对非线性、多模型、多目标的函数优 化问题，采用其他优化方法较难求解，而遗传算法却可以得到较 好的结果。 （2）组合优化。 随着问题的增大，组合优化问题的搜索空间也急剧扩大，采 用传统的优化方法很难得到最优解。遗传算法是寻求这种满意解 的最佳工具。例如，遗传算法已经在求解旅行商问题、背包问题
特有行为的人造系统。人工生命与遗传算法有着密切的联系，基于遗传
算法的进化模型是研究人工生命现象的重要基础理论。遗传算法为人工 生命的研究提供了一个有效的工具。
（8）遗传编程
遗传算法已成功地应用于人工智能、机器学习等领域的编程。
（9）机器学习
基于遗传算法的机器学习在很多领域都得到了应用。例如，采用遗
概念。
（3）K.A.De Jong
1975年，De Jong博士在其博士论文中结合模式定理
进行了大量纯数值函数优化计算实验，树立了遗传算法的 工作框架。他推荐了在大多数优化问题中都较适用的遗传 算法的参数，建立了著名的De Jong五函数测试平台，定 义了评价遗传算法性能的在线指标和离线指标。 （4）D.J.Goldberg 1989年，Goldberg出版了专著《搜索、优化和机器 学习中的遗传算法》，该书全面地论述了遗传算法的基本 原理及其应用，奠定了现代遗传算法的科学基础。