Giải thuật (thuật toán) di truyền (GA).
Thuật toán di truyền là một kỹ thuật của khoa học máy tính nhằm tìm kiếm giải pháp thích hợp cho các bài toán tối ưu tổ hợp (combinatorial optimization). Giải thuật di truyền là một phân ngành của giải thuật tiến hóa vận dụng các nguyên lý của tiến hóa như di truyền, đột biến, chọn lọc tự nhiên, và trao đổi chéo.
Di truyền là hiện tượng chuyển những tính trạng của cha mẹ cho con cái thông qua gen của bố mẹ. Trong sinh học, di truyền chuyển những đặc trưng sinh học từ một sinh vật cha mẹ đến con cái và nó đồng nghĩa với di chuyển gen, gen thừa nhận mang thông tin sinh học hay thông tin di truyền.
Tiến hóa nói đến quá trình hoàn thiện, biến đổi dần để hoàn thiện hơn các bộ phận, chức năng của các sinh vật để phù hợp hơn với điều kiện sinh tồn. Trong sinh học, tiến hóa là sự thay đổi đặc tính di truyền của một quần thể sinh học qua những thế hệ nối tiếp nhau. Các quá trình tiến hóa làm nảy sinh sự đa dạng ở mọi mức độ tổ chức sinh học bao gồm loài, các cá thể sinh vật và cả các phân tử như ADN và protein.
Giải thuật di truyền (GA) là phương pháp tìm kiếm tối ưu ngẫu nhiên bằng cách mô phỏng theo sự tiến hóa của con người hay của sinh vật. GA được ứng dụng rộng rãi trong giải quyết các bài toán tối ưu, như bài toán người du lịch, bài toán người bán hàng, và nhiều bài toán khác.
Bài toán người du lịch
Bài toán người du lịch là một bài toán quan trọng trong lĩnh vực tối ưu hóa và khoa học máy tính. Hãy cùng tìm hiểu về nó!
Mô tả bài toán:
+ Một người du lịch muốn thăm quan n thành phố T1, T2, …, Tn.
+ Người du lịch xuất phát từ một thành phố bất kỳ và muốn đi qua tất cả các thành phố còn lại, mỗi thành phố đi qua duy nhất một lần rồi quay trở lại thành phố xuất phát.
+ Gọi Cij là chi phí đi từ thành phố Ti đến Tj.
+ Yêu cầu: Tìm một hành trình thỏa mãn yêu cầu trên sao cho tổng chi phí là nhỏ nhất.
Thuật toán GA giải bài toán người du lịch
Bước 1: Tạo quần thể
Bước 2: Đánh giá
- Thoả mãn điều kiện (tìm được giá trị độ dài quãng được tốt nhất (nhỏ nhất) hoặc tiến hoá đủ 1000 thế hệ (số thế hệ do người dung thiết lập)) => Bước 6
- Chưa thoả điều kiện => Bước 3
Bước 3: Lựa chọn (chọn các cá thể có độ thích nghi tốt nhất (quãng đường ngắn nhất) => Bước 4
Bước 4: Lai ghép => Bước 5
Bước 5: Đột biến => Bước 2 (lặp lại)
Bước 6: Kết thúc.
Cài đặt thuật toán bằng Java
1- Tạo Project
2- Class GA
3- Class GATSP (class main)
4- Kết quả
Kết luận:
Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA) là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên tắc của tiến hóa sinh học. Dưới đây là một số ứng dụng thú vị của thuật toán di truyền:
- Giải bài toán người du lịch (Traveling Salesman Problem - TSP): Trong bài toán này, người du lịch cần tìm hành trình qua tất cả các thành phố một lần duy nhất và quay trở lại thành phố xuất phát sao cho tổng chi phí là nhỏ nhất. GA có thể áp dụng để tìm lời giải gần đúng cho TSP.
- Tối ưu hóa hàm số: GA có thể tìm kiếm giá trị tối ưu của hàm số trong không gian nhiều biến.
- Lập lịch sản xuất: Trong việc lập lịch sản xuất, GA có thể tối ưu hóa thời gian sản xuất, tối thiểu hóa chi phí và tối đa hóa hiệu suất.
- Thiết kế mạng neuron: GA có thể tối ưu hóa trọng số của mạng neuron để đạt được hiệu suất tốt nhất.
- Tối ưu hóa kích thước bộ lọc trong xử lý ảnh: GA có thể tìm kích thước và hình dạng của bộ lọc để cải thiện chất lượng ảnh.
- Tối ưu hóa các tham số trong máy học: GA có thể tìm giá trị tối ưu cho các tham số của mô hình máy học.
Thuật toán di truyền là một công cụ mạnh mẽ để giải quyết các bài toán tối ưu và tìm kiếm lời giải gần đúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.