Introducción a la Computación Evolutivadelta.cs.cinvestav.mx/~ccoello/compevol/clase3-2015.pdf · virus), hasta decenas de miles (como los humanos). Clase No. 3 2015. Introducción

Introduccion a la Computacion Evolutiva Dr. Carlos A. Coello Coello

Introduccion a la Computacion Evolutiva

Dr. Carlos A. Coello Coello

Departamento de Computacion

CINVESTAV-IPN

Av. IPN No. 2508

Col. San Pedro Zacatenco

Mexico, D.F. 07300

email: [email protected]

http: //delta.cs.cinvestav.mx/~ccoello

Clase No. 3 2015


Crıticas a las Tecnicas Evolutivas

Las tecnicas sub-simbolicas (redes neuronales y computacionevolutiva) gozan de gran popularidad entre la comunidad cientıficaen general, excepto por algunos especialistas de IA clasica que lasconsideran “mal fundamentadas” e “inestables”.

Clase No. 3 2015


Conceptos Biologicos

El Acido Desoxirribonucleico (ADN) es el material geneticofundamental de todos los organismos vivos.

Clase No. 3 2015



El ADN es una macro-molecula doblemente trenzada que tiene unaestructura helicoidal. Ambos filamentos trenzados son moleculas deacido nucleico lineales y sin ramificaciones, formadas de moleculasalternadas de desoxirribosa (azucar) y fosfato.

Clase No. 3 2015



Las 4 bases de nucleotido: Adenina (A), Timina (T), Citosina (C) yGuanina (G) son el alfabeto de informacion genetica. Lassecuencias de estas bases en la molecula de ADN determinan elplan constructor de cualquier organismo.

Clase No. 3 2015



Un gene es una seccion de ADN que codifica una cierta funcionbioquımica definida, usualmente la produccion de una proteına. Esfundamentalmente una unidad de herencia. El ADN de unorganismo puede contener desde una docena de genes (como unvirus), hasta decenas de miles (como los humanos).

Clase No. 3 2015



Se denomina cromosoma a una de las cadenas de ADN que seencuentra en el nucleo de las celulas. Los cromosomas sonresponsables de la transmision de informacion genetica.

Clase No. 3 2015



Cada gene es capaz de ocupar solo una region en particular de uncromosoma (su “lugar” o “locus”). En cada determinado lugarpueden existir, en la poblacion, formas alternativas del gene. Aestas formas alternativas se les llama alelos.

Clase No. 3 2015



Se llama Genoma a la coleccion total de genes (y por tanto,cromosomas) que posee un organismo.

Clase No. 3 2015



Se denomina Gametos a las celulas que llevan informaciongenetica de los padres con el proposito de efectuar reproduccionsexual. En los animales, se denomina esperma a los gametosmasculinos y ovulos a los gametos femeninos.

Clase No. 3 2015



Se denomina haploide a la celula que contiene un solo cromosomao conjunto de cromosomas, cada uno de los cuales consiste de unasola secuencia de genes. Un ejemplo es un gameto.

Clase No. 3 2015



Se denomina diploide a una celula que contiene 2 copias de cadacromosoma. Las copias son homologas, es decir, contienen losmismos genes en la misma secuencia.

Clase No. 3 2015



En muchas especies que se reproducen sexualmente, los genes enuno de los conjuntos de cromosomas de una celula diploide seheredan del gameto del padre, mientras que los genes del otroconjunto son del gameto de la madre.

Clase No. 3 2015



Se denomina individuo a un solo miembro de una poblacion.

Clase No. 3 2015



Se denomina poblacion a un grupo de individuos que puedeninteractuar juntos, por ejemplo, para reproducirse.

Clase No. 3 2015



Se denomina fenotipo a los rasgos (observables) especıficos de unindividuo.

Clase No. 3 2015



Se denomina genotipo a la composicion genetica de un organismo(la informacion contenida en el genoma). Es decir, es lo quepotencialmente puede llegar a ser un individuo.

Clase No. 3 2015



El genotipo da origen, tras el desarrollo fetal y posterior, alfenotipo del organismo.

Clase No. 3 2015



En la Naturaleza, la mayorıa de las especies capaces dereproducirse sexualmente son diploides.

Clase No. 3 2015



Durante la reproduccion sexual ocurre la recombinacion (o cruza):

a) Caso Haploide: Se intercambian los genes entre loscromosomas (haploides) de los dos padres.

Clase No. 3 2015



b) Caso Diploide: En cada padre, se intercambian los genesentre cada par de cromosomas para formar un gameto, yposteriormente los gametos de los 2 padres se aparean paraformar un solo conjunto de cromosomas diploides.

Clase No. 3 2015



Durante la mutacion, se cambian nucleotidos individuales depadre a hijo. La mayorıa de estos cambios se producen por erroresde copiado.

Clase No. 3 2015



La aptitud de un individuo se define como la probabilidad de queeste viva para reproducirse (viabilidad), o como una funcion delnumero de descendientes que este tiene (fertilidad).

Clase No. 3 2015



Se denomina ambiente a todo aquello que rodea a un organismo.Puede ser “fısico” (abiotico) o biotico. En ambos casos, elorganismo ocupa un nicho que ejerce una influencia sobre suaptitud dentro del ambiente total.

Clase No. 3 2015



Un ambiente biotico puede presentar funciones de aptituddependientes de la frecuencia dentro de una poblacion. En otraspalabras, la aptitud del comportamiento de un organismo puededepender de cuantos mas esten comportandose igual.

Clase No. 3 2015



A traves de varias generaciones, los ambientes bioticos puedenfomentar la co-evolucion, en la cual la aptitud se determinamediante la seleccion parcial de otras especies.

Clase No. 3 2015



La seleccion es el proceso mediante el cual algunos individuos enuna poblacion son seleccionados para reproducirse, tıpicamente conbase en su aptitud.

Clase No. 3 2015



La seleccion dura se da cuando solo los mejores individuos semantienen para generar progenia futura.

Clase No. 3 2015



La seleccion blanda se da cuando se usan mecanismosprobabilısticos para mantener como padres a individuos que tenganaptitudes relativamente bajas.

Clase No. 3 2015



Se llama pleitropıa al efecto en el cual un solo gene puede afectarsimultaneamente a varios rasgos fenotıpicos.

Un ejemplo es un problema con la celula responsable de formar lahemoglobina. Al fallar, se afecta la circulacion sanguınea, lasfunciones del hıgado y las acciones capilares.

Clase No. 3 2015



Cuando una sola caracterıstica fenotıpica de un individuo puede serdeterminada mediante la interaccion simultanea de varios genes, sedenomina al efecto: poligenia.

El color del cabello y de la piel son generalmente rasgos poligenicos.

Clase No. 3 2015



Aunque no existe una definicion universalmente aceptada deespecie, diremos que es una coleccion de criaturas vivientes quetienen caracterısticas similares, y que se pueden reproducir entre sı.Los miembros de una especie ocupan el mismo nicho ecologico.

Clase No. 3 2015



Se denomina especiacion al proceso mediante el cual aparece unaespecie. La causa mas comun de especiacion es el aislamientogeografico.

Clase No. 3 2015



Si una subpoblacion de una cierta especie se separageograficamente de la poblacion principal durante un tiemposuficientemente largo, sus genes divergiran.

Clase No. 3 2015



Estas divergencias se deben a diferencias en la presion de seleccionen diferentes lugares, o al fenomeno conocido como desvıogenetico.

Clase No. 3 2015



Se llama desvıo genetico a los cambios en las frecuencias degenes/alelos en una poblacion con el paso de muchas generaciones,como resultado del azar en vez de la seleccion.

Clase No. 3 2015



El desvıo genetico ocurre mas rapidamente en poblacionespequenas y su mayor peligro es que puede conducir a que algunosalelos se extingan, reduciendo en consecuencia la variabilidad de lapoblacion.

Clase No. 3 2015



En los ecosistemas naturales, hay muchas formas diferentes en lasque los animales pueden sobrevivir (en los arboles, de la cacerıa, enla tierra, etc.) y cada estrategia de supervivencia es llamada un“nicho ecologico”.

Clase No. 3 2015



Dos especies que ocupan nichos diferentes (p.ej. una que sealimenta de plantas y otra que se alimenta de insectos) puedencoexistir entre ellas sin competir, de una manera estable.

Clase No. 3 2015



Sin embargo, si dos especies que ocupan el mismo nicho se llevan ala misma zona, habra competencia, y a la larga, la especie masdebil se extinguira (localmente).

Clase No. 3 2015



Por lo tanto, la diversidad de las especies depende de que ocupenuna diversidad de nichos (o de que esten separadasgeograficamente).

Clase No. 3 2015



Se denomina reproduccion a la creacion de un nuevo individuo apartir de:

a) 2 progenitores (sexual)

b) un progenitor (asexual)

Clase No. 3 2015



Se denomina migracion a la transferencia de (los genes de) unindividuo de una subpoblacion a otra.

Clase No. 3 2015



Se dice que un gene es epistatico cuando su presencia suprime elefecto de un gene que se encuentra en otra posicion.

Los genes epistaticos son llamados algunas veces genes deinhibicion por el efecto que producen sobre otros genes.

Clase No. 3 2015


Tipos de Aprendizaje

Algunos cientıficos (como Atmar) consideran que existen 3 tiposdistintos de inteligencia en los seres vivos:

a) Filogenetica

b) Ontogenetica

c) Sociogenetica

Clase No. 3 2015


Inteligencia Filogenetica

El aprendizaje se efectua en este caso a nivel de las especies. Launidad de mutabilidad es un solo par base nucleotido, y el acervode la inteligencia es el genoma de la especie.

Clase No. 3 2015


Inteligencia Ontogenetica

En este caso, el aprendizaje se efectua a nivel del individuo. Launidad de mutabilidad (o cambio) es la propension de una neuronapara dispararse y la sensibilidad del sitio receptor de dichaneurona. El acervo de este tipo de inteligencia es la memorianeuronal y hormonal (a la supuesta ruta de conexiones neuronalesaprendidas se le llama “engrama”).

Clase No. 3 2015


Inteligencia Sociogenetica

En este caso, el aprendizaje se efectua a nivel del grupo. La unidadde mutabilidad es la “idea”, o la experiencia compartida y el acervode este tipo de inteligencia es la cultura.

Clase No. 3 2015


El algoritmo basico de un AG es el siguiente:

- Generar (aleatoriamente) una poblacion inicial

- Calcular aptitud de cada individuo

- Seleccionar (probabilısticamente) en base a aptitud

- Aplicar operadores geneticos (cruza y mutacion) para generarla siguiente poblacion

- Ciclar hasta que cierta condicion se satisfaga

Clase No. 3 2015


Seleccion Proporcional (Ruleta)

Cromosoma Num. Cadena Aptitud % del Total

1 11010110 254 24.5

2 10100111 47 4.5

3 00110110 457 44.1

4 01110010 194 18.7

5 11110010 85 8.2

Total 1037 100.0

Clase No. 3 2015


Reproduccion Usando Un Punto de Cruza

Uso de un solo punto de cruza entre 2 individuos. Observe que cadapareja de cromosomas da origen a 2 descendientes para la siguientegeneracion.

Clase No. 3 2015


Reproduccion Usando Dos Puntos de Cruza

Uso de 2 puntos de cruza entre 2 individuos. Note como en estecaso se mantienen los genes de los extremos, y se intercambian losdel centro.

Clase No. 3 2015


Cruza Uniforme

Cruza Uniforme con probabilidad de 0.5. Notese como la mitad delos genes de cada hijo proviene de cada uno de sus padres. La ideade este algoritmo es ir eligiendo, posicion por posicion, el padre queaportara un gen a cada hijo, usando la probabilidad definida por elusuario.

Clase No. 3 2015


Mutacion

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Denominamos cromosoma a una estructura de datos quecontiene una cadena de parametros de diseno o genes. Estaestructura de datos puede almacenarse, por ejemplo, como unacadena de bits o un arreglo de enteros.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Se llama gene a una subseccion de un cromosoma que(usualmente) codifica el valor de un solo parametro.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Se denomina genotipo a la codificacion (por ejemplo, binaria)de los parametros que representan una solucion del problema aresolverse.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Se denomina fenotipo a la decodificacion del cromosoma. Esdecir, a los valores obtenidos al pasar de la representacion(binaria) a la usada por la funcion objetivo.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Se denomina individuo a un solo miembro de la poblacion desoluciones potenciales a un problema. Cada individuo contieneun cromosoma (o de manera mas general, un genoma) querepresenta una solucion posible al problema a resolverse.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Se denomina aptitud al valor que se asigna a cada individuo yque indica que tan bueno es este con respecto a los demas parala solucion de un problema.

Si f(x) = x2 entonces f(10102) = 100

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Se llama paisaje de aptitud (fitness landscape) a lahipersuperficie que se obtiene al aplicar la funcion de aptitud acada punto del espacio de busqueda.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Se denomina alelo a cada valor posible que puede adquirir unacierta posicion genetica. Si se usa representacion binaria, unalelo puede valer 0 o 1.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Llamamos generacion a una iteracion de la medida de aptitudy a la creacion de una nueva poblacion por medio deoperadores de reproduccion.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Una poblacion puede subdividirse en grupos a los que sedenomina subpoblaciones. Normalmente, solo pueden cruzarseentre sı los individuos que pertenezcan a la mismasubpoblacion.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

En los esquemas con subpoblaciones, suele permitirse lamigracion de una subpoblacion a otra (sobre todo en elcontexto de AGs paralelos).

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Al hecho de permitir la cruza solo entre individuos de la mismasubpoblacion se le llama especiacion en una emulacion delfenomeno natural del mismo nombre.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Se llama migracion a la transferencia de (los genes de) unindividuo de una subpoblacion a otra.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Hay un tipo de poblacion usada en CE en la que cualquierindividuo puede reproducirse con otro con una probabilidad quedepende solo de su aptitud. Se le llama poblacion panmıtica.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Lo opuesto de la poblacion panmıtica es permitir lareproduccion solo entre individuos de la misma subpoblacion.La mayor parte de los AEs convencionales usan poblacionespanmıticas.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Debido a ruidos estocasticos, los AEs tienden a converger a unasola solucion. Para evitar eso, y mantener la diversidad, existentecnicas que permiten crear distintos nichos para losindividuos.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Se llama epıstasis a la interaccion entre los diferentes genes deun cromosoma. Se refiere a la medida en que la contribucion deaptitud de un gene depende de los valores de los otros genes.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Cuando un problema tiene poca epıstasis (o ninguna), susolucion es trivial (un algoritmo escalando la colina essuficiente para resolverlo).

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Cuando un problema tiene una epıstasis elevada, el problemasera deceptivo, por lo que sera muy difıcil de resolver por unAE.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Se llama bloque constructor a un grupo pequeno y compactode genes que han co-evolucionado de tal forma que suintroduccion en cualquier cromosoma tiene una altaprobabilidad de incrementar la aptitud de dicho cromosoma.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Se llama decepcion a la condicion donde la combinacion debuenos bloques constructores llevan a una reduccion deaptitud, en vez de un incremento. Este fenomeno fue sugeridooriginalmente por Goldberg para explicar el mal desempeno delAG en algunos problemas.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Se llama operador de reproduccion a todo aquel mecanismoque influencia la forma en que se pasa la informacion geneticade padres a hijos. Los operadores de reproduccion caen en 3amplias categorıas:

a) Cruza

b) Mutacion

c) Reordenamiento

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

La cruza es un operador que forma un nuevo cromosomacombinando partes de cada uno de sus cromosomas padres.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Se denomina mutacion a un operador que forma un nuevocromosoma a traves de alteraciones (usualmente pequenas) delos valores de los genes de un solo cromosoma padre.

Clase No. 3 2015


Conceptos de CE

Un operador de reordenamiento es aquel que cambia elorden de los genes de un cromosoma, con la esperanza dejuntar los genes que se encuentren relacionados, facilitandoası la produccion de bloques constructores.

Clase No. 3 2015

Documents

Introducción a la Computación Evolutivadelta.cs.cinvestav.mx/~ccoello/compevol/clase3-2015.pdf · virus), hasta decenas de miles (como los humanos). Clase No. 3 2015. Introducción