Основные понятия и определения. Эволюция – это многоэтапный процесс возникновения органических форм с более высокой степенью организации

Эволюция – это многоэтапный процесс возникновения органических форм с более высокой степенью организации, который характеризуется изменчивостью самих эволюционных механизмов. Эволюционное моделирование можно определить как вос­произведение процесса естественной эволюции с помощью спе­циальных компьютерных программ. Необходимые и достаточные условия, определяющие главные факторы эволюции, были сформулированы в XX в. К факто­рам, определяющим неизбежность эволюции, относятся:

1) наследственная изменчивость как предпосылка эволюции, ее материал;

2) борьба за существование как контролирующий и направля­ющий фактор;

3) естественный отбор как преобразующий фактор.

На рис. 10.1 приведена конкретизация факторов эволюции, учитывающая многообразие форм их проявления, взаимосвязей и взаимовлияния. Главные факторы выделены пунктиром.

Рисунок 10.1 – Взаимосвязь факторов эволюции.

Современная теория эволюции базируется на теории общей и популяционной генетики. Элементарным объектом эволюции является популяция — сообщество свободно скрещивающихся особей. В популяциях происходят микроэволюционные процес­сы, приводящие к изменению их генофонда. Преобразования ге­нетического состава популяции происходят под действием эле­ментарных эволюционных факторов. Случайные структурные или функциональные изменения в генах, хромосомах и других воспроизводимых единицах называет мутациями, если они приводят к наследственному изменению какого-либо фенотипического признака особи. Хромосомы это специфичес­кие структуры клеточного ядра, которые играют важнейшую роль в процессах деления клеток. Хромосомы состоят из генов. Геном называется реально существующая, независимая, комбинирую­щаяся и расщепляющаяся при скрещиваниях единица наследст­венности. Преобразования генофонда популяции происходят под уп­равлением естественного отбора.

История эволюционных вычислений началась с разработки ряда независимых моделей, среди которых были генетические алгоритмы и классификационные системы, созданные американским исследователем Дж. Холландом. Он предложил исполь­зовать методы и модели развития органического мира на Земле в качестве механизма комбинаторного перебора вариантов при ре­шении оптимизационных задач. Компьютерные реализа­ции этого механизма получили название «генетические алгорит­мы».

К основным направлениям развития эволюционного модели­рования на современном этапе относятся следующие:

– генетические алгоритмы (ГА), предназначенные для оптими­зации функций дискретных переменных и использующие анало­гии естественных процессов рекомбинации и селекции;

– классифицирующие системы (КС), созданные на основе ге­нетических алгоритмов, которые используются как обучаемые системы управления;

– генетическое программирование (ГП), основанное на исполь­зовании эволюционных методов для оптимизации создаваемых компьютерных программ;

– эволюционное программирование (ЭП), ориентированное на оптимизацию непрерывных функций без использования реком­бинаций;

– эволюционные стратегии (ЭвС), ориентированные на опти­мизацию непрерывных функций с использованием рекомби­наций.

Эволюционные методы целесообразно использовать в тех случаях, когда прикладную задачу сложно сформулировать в ви­де, позволяющем найти аналитическое решение, или тогда, когда требуется быстро найти приближенный результат, например, при управлении системами в реальном времени.