Main menu

Глобальная оптимизация: генетические алгоритмы и эволюционные вычисления

Ловушка локальных минимумов

Классические численные методы оптимизации, такие как градиентный спуск или метод Ньютона, обладают одним фатальным недостатком: они являются локальными. Подобно капле воды, стекающей по горному склону, они всегда стремятся в ближайшую впадину. Если целевая функция имеет сложный, «гористый» ландшафт с множеством долин (мультимодальная функция), классический метод просто застрянет в первом попавшемся локальном минимуме, и алгоритм так и не узнает, что за соседним холмом скрывается гораздо более глубокая пропасть (глобальный минимум). В задачах проектирования микросхем, маршрутизации логистики или синтеза новых лекарственных молекул попадание в локальный минимум означает неэффективное и дорогостоящее решение.

Для преодоления этой проблемы были созданы методы глобальной стохастической оптимизации. Одним из самых мощных, универсальных и красивых классов таких методов являются генетические алгоритмы (ГА), которые черпают свое вдохновение напрямую из биологической теории эволюции Чарльза Дарвина.

Биологическая метафора: хромосомы, популяции и отбор

В генетическом алгоритме параметры оптимизируемой задачи кодируются в виде цепочки чисел или битов. Эта цепочка называется «хромосомой» или «геномом» особи. Каждая особь представляет собой одно из возможных решений задачи. Алгоритм работает не с одним решением, а сразу с целой популяцией таких особей (например, генерирует 100 случайных начальных решений, разбросанных по всему пространству поиска).

На каждом шаге (в каждом поколении) алгоритм оценивает приспособленность (fitness) каждой особи. Приспособленность — это просто значение целевой функции, которую мы хотим минимизировать или максимизировать. Чем лучше решение, тем выше шансы особи на выживание. Затем вступает в дело оператор селекции (рулетка или турнирный отбор): алгоритм с большей вероятностью выбирает лучших особей для формирования «родительского пула», безжалостно отсеивая слабые, неудачные решения. Это математическое воплощение принципа выживания наиболее приспособленных.

Кроссовер и мутация: двигатели математического прогресса

Выбранные родители должны произвести потомство. Для этого применяется оператор скрещивания (кроссовер). Алгоритм разрезает хромосомы двух родителей и обменивается их частями, создавая детей, которые комбинируют признаки обоих предков. Идея заключается в том, что объединение хороших частей (строительных блоков) от двух качественных решений может породить одно превосходное решение.

Однако селекция и кроссовер могут привести к тому, что популяция быстро выродится и станет состоять из одинаковых особей, застряв в локальном экстремуме. Чтобы поддерживать генетическое разнообразие и исследовать новые, неизведанные участки пространства, применяется оператор мутации. С небольшой вероятностью (например, 1%) алгоритм случайно изменяет один или несколько генов (битов) у потомков. Мутация позволяет алгоритму случайно «перепрыгивать» через холмы целевой функции, вырываясь из ловушек локальных минимумов. Повторяя эти циклы (оценка, селекция, скрещивание, мутация) на протяжении сотен поколений, генетический алгоритм стягивает популяцию к глобальному оптимуму даже для недифференцируемых, разрывных и зашумленных функций, с которыми не справляется ни один градиентный метод.

Подробнее

Численное решение краевых задач: метод стрельбы и метод прогонки

Отличие краевой задачи от задачи Коши

В предыдущих статьях мы обсуждали задачу Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений, где все начальные условия (например, начальное положение и начальная скорость) задаются в одной точке пространства или времени. Однако в инженерной практике часто возникают ситуации, когда условия заданы не в одной, а на разных концах исследуемого интервала. Например, при расчете прогиба мостовой балки мы знаем, что ее концы жестко закреплены на опорах (то есть прогиб на концах равен нулю), но мы не знаем угла наклона балки в месте крепления. Такие задачи называются краевыми (или граничными).

Краевые задачи значительно сложнее вычислительно. Мы не можем просто взять метод Рунге-Кутты и начать интегрировать от одного конца к другому, потому что нам не хватает начальных данных (мы знаем координату, но не знаем производную). Приходится применять специальные алгоритмы, которые ищут решение, удовлетворяющее одновременно всем граничным условиям на обоих концах интервала.

Метод стрельбы: искусство прицеливания в математике

Один из самых интуитивно понятных подходов к решению краевых задач — это метод стрельбы. Его название идеально отражает суть алгоритма, заимствованную из артиллерии. Представьте, что вы стреляете из пушки в мишень, расположенную на известном расстоянии (второе граничное условие). Вы знаете начальную позицию орудия, но не знаете точный угол возвышения ствола (недостающее начальное условие).

Алгоритм действует так: мы выбираем некоторый случайный или приближенный начальный угол (значение производной) и решаем систему как обычную задачу Коши методами Эйлера или Рунге-Кутты. Дойдя до конца интервала, мы смотрим, куда попал наш «снаряд». Скорее всего, мы промахнулись мимо требуемого граничного условия. Мы вычисляем величину промаха (невязку). Затем мы меняем начальный угол, стреляем еще раз и снова оцениваем промах. Задача сводится к поиску корня нелинейного уравнения: нам нужно подобрать такой начальный параметр, при котором невязка на правом конце станет равной нулю. Для быстрого поиска этого параметра обычно применяется метод Ньютона или метод секущих.

Метод конечных разностей и алгоритм прогонки

Метод стрельбы отлично работает для многих линейных и нелинейных систем, но может оказаться неустойчивым, если система сильно чувствительна к изменению начальных условий. В качестве альтернативы используется метод конечных разностей. Идея состоит в том, чтобы наложить на отрезок сетку и заменить все производные в дифференциальном уравнении их разностными аналогами (центральными разностями).

В результате дифференциальное уравнение превращается в систему линейных алгебраических уравнений. Особенность этой системы в том, что ее матрица является трехдиагональной (каждое уравнение связывает только три соседних узла: левый, центральный и правый). Для решения таких СЛАУ применяется специальный, невероятно быстрый и элегантный алгоритм Томаса (в русскоязычной литературе известный как метод прогонки). Прогонка состоит из прямого хода (последовательного исключения поддиагональных элементов) и обратного хода (нахождения неизвестных). Этот метод требует всего O(N) арифметических операций и является абсолютно устойчивым для задач с диагональным преобладанием, что делает его индустриальным стандартом в задачах теплопроводности и сопротивления материалов.

Подробнее

Дискретное вейвлет-преобразование: альтернатива Фурье в анализе сигналов

Анализ сигналов: выход за пределы синусоид

На протяжении почти двух столетий непревзойденным королем спектрального анализа оставалось преобразование Фурье. Его суть заключается в разложении любого сложного сигнала на сумму бесконечных, периодических, идеально гладких синусоид и косинусоид разных частот и амплитуд. Алгоритм Быстрого Преобразования Фурье (БПФ) сделал цифровую обработку звука и изображений реальностью. Однако классическое преобразование Фурье имеет один фундаментальный недостаток: оно глобально. Синусоида длится от минус бесконечности до плюс бесконечности. Фурье-анализ идеально показывает, какие частоты присутствуют в сигнале, но он абсолютно не способен сказать, в какой именно момент времени эта частота появилась или исчезла.

Для стационарных сигналов (например, равномерного гудения трансформатора) это не проблема. Но реальные сигналы (человеческая речь, электрокардиограммы, сейсмические толчки землетрясений, финансовые графики) нестационарны. Они содержат резкие всплески, разрывы и импульсы. Попытка аппроксимировать резкий короткий импульс бесконечными синусоидами требует огромного числа высокочастотных гармоник (явление Гиббса), которые «размазываются» по всему спектру. Для решения этой проблемы математикам потребовался новый инструмент, способный локализовать сигнал не только по частоте, но и по времени.

Вейвлеты: маленькие волны с конечной энергией

Этим новым инструментом стало вейвлет-преобразование, активно развивавшееся в 1980-х годах (труды Морле, Гроссмана, Ив Мейер и Ингрид Добеши). Слово «вейвлет» (wavelet) переводится как «маленькая волна» или «всплеск». В отличие от синусоиды, вейвлет отличен от нуля только на коротком отрезке времени, а за его пределами быстро затухает до нуля.

Анализ сигнала проводится не одной базовой функцией, а целым семейством функций, которые получаются из одной исходной (материнского вейвлета) путем двух операций: масштабирования (растяжения или сжатия) и сдвига (перемещения вдоль оси времени). Сжатые, узкие вейвлеты отлично улавливают кратковременные высокочастотные импульсы и разрывы, а растянутые, широкие вейвлеты анализируют медленные, низкочастотные тренды. Таким образом, вейвлет-анализ работает как математический микроскоп с изменяющимся фокусным расстоянием: мы получаем картину с высоким разрешением по времени для быстрых процессов и с высоким разрешением по частоте для медленных процессов, оптимально обходя принцип неопределенности Гейзенберга-Габора.

Дискретное преобразование и индустриальные стандарты

На практике в вычислительной технике используется Дискретное Вейвлет-Преобразование (ДВП). В нем масштабы и сдвиги изменяются не плавно, а по степеням двойки (диадическая сетка). Алгоритм Малла (Stephane Mallat) позволил вычислять ДВП с помощью каскада цифровых фильтров: на каждом шаге сигнал пропускается через низкочастотный и высокочастотный фильтры, разделяя данные на аппроксимирующие (грубые) и детализирующие коэффициенты.

Благодаря своей способности концентрировать энергию сигнала в небольшом количестве коэффициентов (большинство коэффициентов ДВП для реальных сигналов оказываются близки к нулю), вейвлеты совершили революцию в сжатии данных. Именно вейвлет-преобразование (конкретно, вейвлеты Коэна-Добеши-Фово) лежит в основе графического стандарта JPEG 2000, обеспечивая сжатие изображений высокого разрешения без характерных для обычного JPEG раздражающих квадратных «артефактов блочности». Также вейвлеты стали золотым стандартом для очистки медицинских и акустических сигналов от шумов (алгоритмы wavelet denoising/shrinkage).

Подробнее

Соц. сети