الگوریتم ژنتیک

• نحوه نمایش مسئله:

می‌دانیم اگر دو وزیر در یک ستون قرار گیرند قطعاً به جواب نخواهیم رسید. بنابراین قرار دادن دو وزیر در یک ستون باعث غیرامیدبخش شدن جواب مسئله می‌شود.

برای نمایش مسئله در کروموزوم‌ها از این ویژگی استفاده کرده و به صورت زیر عمل می‌کنیم:

یک آرایه تک بعدی ایجاد می‌کنیم که به تعداد ستون‌های صفحه شطرنج عنصر دارد. هر عنصر از این آرایه نشان می‌دهد که وزیر در کدام سطر از آن ستون قرار دارد. به عنوان مثال اگر مسئله ۸ وزیر را در نظر بگیریم، آرایه تک بعدی باید دارای ۸ عنصر باشد. فرض کنید آرایه دارای مقادیر زیر باشد:

۸ , ۷ , ۶ , ۵ , ۴ , ۳ , ۲ , ۱

مقدار ۸ در اولین عنصر آرایه گویای این مطلب است که در ستون اول صفحه شطرنج وزیری در سطر هشتم قرار داده‌ایم.

• تولید جمعیت اولیه:

الگوریتم‌های ژنتیک ابتدا جمعیت اولیه‌ای تولید کرده و سپس سعی در بهبود بخشیدن این جمعیت دارند. برای مسئله n وزیر تولید جمعیت به صورت تصادفی خواهد بود. بدین صورت که وزیرها به‌طور تصادفی روی صفحه شطرنج قرار می‌دهیم.

برای محاسبه میزان بهینگی جواب تعداد جفت وزیرهایی را که به هم گارد می‌دهند، محاسبه می‌کنیم. برای مسئله ۸ وزیر در بدترین حالت هر وزیر با همه وزیرهای دیگر گارد می‌دهد (فرض کنید همه وزیرها در یک سطر قرار گیرند). در این حالت حداکثر تعداد جفت وزیرهایی که به همگدیکر کارد می‌دهند ۲۸ جفت است:

۷ + ۶ + ۵ + ۴ +۳ + ۲ + ۱

در حالت کلی برای مسئله n وزیر حداکثر تعداد جفت وزیرهایی که به همدیگر گارد می‌دهند به صورت زیر محاسبه می‌شود:

۱+ ۲ +.. +(n-۱) = (n * (n-۱)) /۲

• برای محاسبه میزان بهینگی هر کروموزوم از فرمول زیر استفاده می‌کنیم:

Fitness[i] =1 – (Guard(chromosome[i])) / MaxGuards

• حداکثر تعداد گاردها:

MaxGuards

• تعداد جفت وزیرهایی که در کروموزوم ام همدیگر را گارد می‌دهند:

 Guard(chromosome[i])

 

منبع

 

---

پیاده سازی الگوریتم ۸ وزیر با استفاده از الگوریتم ژنتیک

راهکاری که برای حل یک مسئله با الگوریتم ژنتیک استفاده می شود تکامل می یابد. الگوریتم ژنتیک مثل هر الگوریتم بهینه سازی دیگر با تعریف متغیرهای بهینه سازی آغاز می شود و مانند الگوریتم های بهنیه سازی دیگر نیز خاتمه می یابد یعنی با تست همگرایی.

یک الگوریتم GA دارای پارامترهای زیر است:

• : Fitnessتابعی برای ارزیابی یک فرضیه  که مقداری عددی به هر فرضیه نسبت میدهد
• : Fitness_threshold مقدار آستانه که شرط پایان را معین میکند
• : population تعداد فرضیه هائی که باید در جمعیت در نظر گرفته شوند
• : crossover rate  در صدی از جمعیت که در هر مرحله توسط الگوریتم crossover  جایگزین میشوند
• :mutation rate  نرخ mutation

الگوریتم GA  به صورت زیر کار می کند:

• : Initializeجمعیت را با تعداد population فرضیه بطور تصادفی مقدار دهی اولیه کنید.
• : Evaluateبرای هر فرضیه h در population مقدار تابع Fitness(h) را محاسبه نمائید.
• تا زمانیکه[max_h Fitness(h)] < Fitness_threshold یک جمعیت جدید ایجاد  کنید.
• فرضیه ای که دارای بیشترین مقدار Fitness است را برگردانید.

روش های مختلف crossover:

Single-point crossover

• یک نقطه تصادفی در طول رشته انتخاب میشود.
• والدین در این نقطه به دوقسمت میشوند.
• هر فرزند با انتخاب تکه اول از یکی از والدین و تکه دوم از والد دیگر بوجود میاید.

روشهای دیگر Crossover

در crossover یکنواخت بیتها بصورت یکنواخت از والدین انتخاب می شوند.

اپراتورهای ژنتیکی Mutation :

• اپراتور mutation برای بوجود آوردن فرزند فقط از یک والد استفاده میکند. اینکار با انجام تغییرات کوچکی در رشته اولیه  بوقوع میپیوندد.
• با استفاده از یک توزیع یکنواخت یک بیت بصورت تصادفی اتنخاب و مقدار آن تغییر پیدا میکند.
• معمولا mutation بعد از انجام crossover اعمال میشود.

تابع fitness  معیاری برای رتبه بندی فرضیه هاست که کمک میکند تا فرضیه های برتر برای نسل بعدی جمعیت انتخاب شوند. نحوه انتخاب این تابع بسته به کاربر مورد نظر دارد

در روش معرفی شده در الگوریتم ساده GA احتمال انتخاب یک فرضیه برای استفاده در جمعیت بعدی بستگی به نسبت fitness  آن به fitness  بقیه اعضا دارد. این روش Roulette Wheel selectionنامیده میشود.

روش جستجوی GA با روشهای دیگر مثل شبکه های عصبی تفاوت دارد:

در شبکه عصبی روش Gradient descent بصورت  هموار از فرضیه ای به فرضیه  مشابه دیگری حرکت میکند در حالیکه GA  ممکن است بصورت ناگهانی فرضیه والد را با فرزندی جایگزین نماید که تفاوت اساسی با والد آن داشته باشد.از اینرو احتمال گیر افتادن GA در مینیمم محلی کاهش می یابد. با این وجود GA با مشکل دیگری روبروست که crowding  نامیده میشود crowding پدیده ای  است که در آن  عضوی که سازگاری بسیاربیشتری از بقیه افراد جمعیت دارد بطور مرتب تولید نسل کرده و با تولید اعضای مشابه درصد عمده ای از جمعیت را اشغال میکند. راه حل رفع مشکل Crowdingاستفاده از ranking  برای انتخاب نمونه ها است، با اختصاص رتبه به فرضیه ای که بسیار بهتر از بقیه عمل میکند.

مسئله ۸ وزیر:

بدین ترتیب دیدیم که مسیر میان اجزای الگوریتم ژنتیک به ترتیب زیر است:

1. تعریف توابع و متغیرها
2. تولید جمعیت اولیه
3. دیکد کردن کروموزوم ها
4. پیدا کردن هزینه برای هر کروموزوم
5. انتخاب جفت ها
6. جفت گیری
7. میوتیشن
8. بررسی همگرایی
9. خاتمه یا بازگشت به مرحله دیکد کردن کروموزوم ها

ژن عددی از ۰ تا n-1 است در ۸ وزیر n برابر با ۸ است بنابراین ژن عددی از ۰ تا ۷ می شود و کروموزوم آرایه ای از ژن هاست. که می تواند پاسخ مسئله باشد.

جمعیت هر نسل می تواند  تعداد کروموزوم ها را تعیین کند.

جمعیت اولیه از انتخاب رندومی از کروموزوم ها ایجاد می شود. تعداد نسل هایی که برای همگرایی مورد نیاز است به جمعیت تصادفی اولیه بستگی دارد.

برای پیدا کردن هزینه مربوط به هر کروموزوم یک تابع هزینه تعریف می شود. نتیجه تابع هزینه یک cost value است که در نهایت میانگین cost valueهای هر نسل به نتیجه مطلوب نزدیک می شود.

کروموزوم هایی که فیتنس بالاتری (هزینه پایین تر) دارند برای تولید نسل بعدی استفاده می شوند.

در فرایند cross over فرزندان توسط والدین تولید می شوند که ترکیب آنها شامل ترکیب ژن های آنهاست. اگر نسل جدید حاوی کروموزومی باشد که نزدیک یا برابر با نتایج مطلوب باشد آنگاه مسئله حل شده است. در غیر اینصورت فرایند قبلی در نسل جدید هم پیاده سازی می شود مانند فرایندی که برای والدین آنها اتفاق افتاد. تا زمانی که به راه حل مناسب برسیم این روال ادامه دارد.

در شطرنج وزیر می تواند هر طور که مایل بود حرکت کند افقی عمودی یا در قطر. صفحه شطرنج ۸ در ۸ است یعنی ۸ سطر و ۸ ستون دارد . در مسئله ۸ وریز استاندارد به دنبال این هستیم که چگونه ۸ وزیر در خانه های جدول به گونه ای قرار بگیرند که هیچ یک دیگری را تهدید نکنند. در اینجا با الگوریتم ژنتیک این کار را انجام می دهیم.

برای تولید فرزندان از والیدن نیاز به crossover داریم که تصمیم می گیرد از دو والدین کدام ژن باید انتخاب شود.

 

مسئله چند وزیر قسمت 1
مسئله چند وزیر قسمت 2
مسئله چند وزیر قسمت 3
مسئله چند وزیر قسمت 4