Kit Ciencia Y Arte ՝ Algoritmo Genético (Vida Artificial) ՝ 6 քայլ

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:50

Los algoritmos genéticos son probablemente una de las cosas más interesantes de la computación (en mi opinión): Básicamente se toma la idea de evolución de la biología, y se aplica a un algoritmo en una compatadora para որոշում կայացնող խնդիրը:

El algoritmo genético es parte de lo que se conoce como algoritmos evolutivos en el mundo de las ciencias de la computación. Acá hacemos un ejemplo sencillo, con el fin de aprender sobre el algoritmo. Usamos el Circuit Playground (CP) de Adafruit para hacer el ejercicio.

Imaginen el CP que es un ser vivo, y que se debebe adaptar a las condiciones cambiantes de luz. El CP, debe buscar la forma más eficiente de prender sus leds, para obtener la Mayor cantidad de luz posible según su sensor de luz. Para lograrlo además debe hacerlo encendiendo la menor cantidad de leds posibles: Entonces maximiza la luz, al mismo tiempo que minimiza la cantidad de leds. Acá trataremos de hacerlo con un algoritmo genético.

ԳՈՎԱԴ. Este es un tema para estudiantes AVANZADOS

Քայլ 1: Նյութեր

Պարզ:

1. Շրջանային խաղահրապարակ (Arduino con leds y sensor de luz)
2. Բատերիաս
3. USB մալուխ
4. Algo para generar luz y sombra para pruebas

Քայլ 2: Búsqueda Al Azar

Imaginemos un mono, apretando letras en el teclado de una computadora, el mono simplemente presiona las letras al azar. Si hay unas 50 letras en el teclado, cada letra (si el mono presiona de manera pavariente cada vez), tiene una probabilidad de 1/50 = 0.02 de ser presionada.

Ahora bien, digamos que queremos que el mono escriba la palabra «banano», ¿Podrá el mono escribir la palabra? La respuesta corta es SI !!!

La respuesta larga es que si lo puede hacer pero tomará un tiempo largo para resolutionverlo. Vamos esto estadísticamente. La probabilidad de que el mono escriba "banano" es entonces la probabilidad conjunta, esto es:

(1/50) x (1/50) x (1/50) x (1/50) x (1/50) x (1/50) = (1/50)^6

Էստո իգուալ է 1 sobre 15 625 000 000, es decir la probabilidad de que el mono escriba "banano", es 1 en 15 millones… muy poco հավանական! Dicho de otro modo, es muy poco հավանական է, որ un mono escriba la palabra "banano" escribiendo teclas al azar, ah, pero si tuviéramos 15 millones de monos escribiendo, es posible que uno de ellos escriba la palabra "banano": ենթադրում է, որ հավանական է, բայց անհնար է:

Formalicemos esta idea un poco. SI (1/50)^6 es la probabilidad de escribir "banano", entonces, 1- (1/50)^6 es la probabilidad de NO escribirlo. Si un mono purposea n veces, entonces, la probabilidad P de no escribir la palabra "banano" en n purposeos sería:

P = [1- (1/50)^ 6]^ n

Así por ejemplo si purposeo una vez, P = 1, si purposeo un millón de veces, P = 0.999936, բայց 10 մլն millones, P = 0.53, y mientras más grande se n, más me acerco a P = 0, es decir, con un numero infinito de purposeos, puedo estar seguro de que el mono va a escribir la palabra «banano»:

Lo que sí, no tenemos tiempo infinito, es decir se puede buscar una solución al azar, pero, el azar solo tardaría mucho tiempo. En pocas palabras, la fuerza bruta no es una forma efectiva de buscar una solución

Lo maravilloso es que la naturaleza busca al azar, pero de manera constructiva, es decir, busca de forma aleatoria pero manteniendo una buena solución y haciendo modificaciones a veces fuertes a veces pequeñas de ellas. Esa es la manera en que el algoritmo genético funciona, tomando ideas del como se genera la variabilidad genética en los seres vivos, e inventando un algoritmo para hacerlo en computadora, con el fin de solucionar un problema. Entonces aunque contiene elementos de azar, también tiene memoria y hace que acad purposeo de buscar la solución, no sea pavariente del qëllimo anterior.

Ո NOTՇԱԴՐՈԹՅՈՆ. Ուղղակի տեղեկատվության տրամադրում, որը թույլ է տալիս օգտագործել անվերջություն

Քայլ 3. Էվոլյուցիա և սահմանումներ

La evolución

Un algoritmo genético (AG) es un algoritmo que թույլատրել encontrar una solución a problemas difíciles de resolutionver. El AG, se basa en tres principios principales de herencia Darwiniana:

• Հերենցիա. Los hijo reciben las características de sus padres. En el AG indica que las nuevas soluciones heredan lo alcanzado por soluciones anteriores
• Տարբերակ. Debe haber un mecanismo para introducir variedad: en el AG, indica que se debe agregar variabilidad de alguna manera para encontrar nuevas soluciones
• Սելեկցիոներ. Hay un mecanismo en la cual se seleccionan los mejores. En el AG, hay una función de "fitness" que permite determinar cual solución es mejor

Acá no me voy a meter en los detalles de como funciona la evolución de seres vivos, sino que quiero entrar de una vez a la explicación del Algoritmo Genético- ի միջոցով:

Սահմանումներ

Para poder lehtes պարզաբանում el algoritmo, debemos definir algunas cosas antes. Estas definiciones son comunes en cualquier explicación de algoritmo genético que encuentren, y les lehtará entender la literatura en las redes.

1. Uno de los primeros pasos es "codificar" el problema, esto quiere decir que debemos tener una representación de el problema para poder trabajarlo en el CP. Acá lo hacemos de manera sencilla: Como se muestra en a foto, tenemos 10 LEDS que pueden estar encendidos "1" o apagados "0", entonces tenemos un arreglo con 10 elementos 0 y 1. Así entonces 101000000 Նշանակում է, որ los leds 0 y 2 están encendidos, y el resto ապագադոս. y 0010011010, que los leds 2, 5, 6 y 8 están encendidos
2. Una Población es un conjunto de posibles combinaciones de leds encendidos (ver la imagen de población), estas pueden ser iguales o diferentes. Se le llama un Cromosoma a un elemento en la población. Մուտքագրում է քրոմոսոմա, ոչ մի կերպ չի ներկայացվում LEDS- ի ներկայացուցչությունը և բարձրացնում է CP- ն
3. Una mutación, es cambiar al azar uno o varios LEDS, como se muestra en la foto, donde arbitrariamente la posición 5 cambia de apagado a encendido
4. La recombinación, constee en tomas dos cromosomas, escoger un punto de cruzamiento, e intercambiar la información entre ambos (ver el diagrama)
5. Ֆիթնեսի գնահատման ունակությունը, դա այն չափանիշն է, որը թույլ է տալիս գնահատել այս գույնը, որը նշանակում է, որ ես պետք է ընտրեմ մեր մեծության ընտրությունը: En este caso, voy a trabajar con la intensidad de de luz y la cantidad de leds encendidos

Քայլ 4: El Algoritmo

paso a paso

1. Crear una población de muchos cromosomas inicializados al azar
2. Evaluar cual es el mejor con la función de "fitness"
3. Copiar el mejor recombinando con el segundo mejor al resto de la población
4. Aplicar mutación a toda la población
5. Repertir a partir de 2

Ejemplo

Como expliqué en las definiciones, una tira (cromosoma) 1000101010, presenta los leds encendidos "1" y apagados "0", en el circuit խաղահրապարակ: Vamos a definir nuestra función de "fitness" como:

ֆիթնես = (lectura de luz) x 0.5 - (número de leds) x 0.5

Noten como restamos el numero de leds en la fórmula, pues queremos la mejor luz con la cantidad menor de leds, entonces si una solución es similar en luz pero con menos leds, seleccionaremos esa.

Ahora entonces encendemos los ledsrespondentses a cada cromosoma y գնահատականներ է պիտանիության համար, como se muestra en la figura. Noten como en el ejemplo tenemos:

0011100000 ֆիթնես = 98.5

1011100001 ֆիտնես = 102.5

1010101011 ֆիթնես = 102

Los de fitness más alto son 102.5 y 102, seleccionamos esos, y hacemos recombinación y mutación como se muestra en la imagen, lo que nos permite terminal con una nueva población, 1011100001

0011101011

1010100011

Esta nueva población nuevamente vlerësamos su fitness y así Continamos. A medida que llega a una solución óptima, aunque sigue probando, se mantiene hasta que haya cambios en el ambiente.

Քայլ 5: El Código

El código lo pueden descargar en mi GitHub. No voy a explicar los detalles de la librería "cromosome.h", sino nada más el algoritmo genético, como es utilizado en el código principal.

Código- ի տնօրեն

El siguiente código crea una población de 20 cromosomas:

#սահմանի N 20

բնակչության փոփ (N);

El objeto es բնակչությունը y lo hemos llamado pop. Esto inmediatamente ctrea una pobación de 20 cromosomas, inicializados con todos ceros. En el setup, agregamos la línea:

pop.mutate Քրոմոսոմներ (0.5, 0);

Para cambiar aleatoriamente cada cromosoma con una probabilidad de 0.5, iniciando desde el cromosoma 0. En el loop tenemos el algortimo, primero hacemos crossover:

pop.copyCrossover (2);

Luego aplicamos mutación con una probabilidad baja (0.05), e iniciando del cromosoma 1 para mantener el mejor que hemos obtenido en la población (el cromosoma 0 es el mejor)

pop.mutate քրոմոսոմներ (0.05, 1);

Y valuesamos con la función de գնահատում, que explico más abajo

գնահատել ();

Luego ordenamos los cromosomas de Mayor a menor fitness (usando bubble sort), esto facilita el processo de recombinación, pop.sort ();

Allí está todo: Ahora veamos la función de գնահատում, որն անհրաժեշտ է

Գնահատման գործառույթ

El codigo de գնահատել () es:

դատարկ գնահատել () {

for (int i = 0; i <pop.n; i ++) {setPixels (i); // LED- ին տալիս է հետաձգման միացման ժամանակ (100); ֆիթնես (i); }}

Vean que simplemente prendemos los ledsrespondentses al cromosoma (eso es lo que hace setPixels ()), y vlerësamos su fitness, con la función, դատարկ ֆիզիկական պատրաստվածություն (int a) {

pop.fitness [a] = 0.5 * float (CircuitPlayground.lightSensor ()) - 0.5 * float (pop.countBits (a)); }

Almacenamos el valor de fitness de cada cromosoma en pop.fitness

Քայլ 6: Funcionando Y Retos

Ֆունկցիանանդո

En el video se ve como va adaptando de apoco a las diferentes condiciones de luz. Siempre encuentra una buena solución: Si lograste entender este insectable, te felicito, los algoritmos genéticos son un tema difícil en computación, pero eso es lo que lo hace más emocionante.

De alguna marea al dejar funcionando el CP con el algoritmo, parece casi como un ser vivo explorando las condiciones y evolucionando para mejorar. En este caso están ocurriendo muchas iteraciones de eovlución en poco tiempo, para un organismo vivo son mucho más lentas

de cierto modo el algoritmo sirve para encontrar la mejor solución, dadas ciertas condiciones. Se puede correr el algoritmos para determinar lo mejor en cada situación, y luego dejar estas definidas en el CP, pero en este ejemplo dejamos que el algoritmo siempre esté explorando.

Si se dejan muchas mutaciones, verán como el algoritmo es algo inestable y le va a costar llegar a una situación optima.

Comentario եզրափակիչ

El ejemplo utilizado es ilustrativo, y es para easilar el uso de la librería. El reto planteado de mejorar la luz con el menor número de LEDS, es simple y hasta trivial, que probablemente se puede solucionar de manera más rápida con otros métodos. Sin embargo, si lo vemos desde el punto de vista de seres vivos, la evolución organa, utiliza algo como un algoritmo genético para búsquedas no lineales, entonces, algo como optimizar la luz, es un problema que en la naturaliza tiene sendido (me disculpan si me puse espeso!)

Retos

• Buscar un problema de optimización más complexado con una función de "fitness" más լրացում
• Mejorara el desempeño, cambiando probabilidad de mutación, re-combinación, aumentando la población, cambiando tiempos (esos delays por allí metidos)
• Կիրառեք ռոբոտը, որն ունի տարբեր իրավիճակներ
• Estudiar meiosis, para aprender sobre mecanismos de evolución
• Estudiar a fondo los algoritmos genéticos (hay libros completeos el el tema)