選択は、 進化アルゴリズム (EA)における遺伝的演算子 です。EA は、生物の進化 に触発されたメタヒューリスティック であり、少なくとも近似的に 困難な問題を解決することを目的としています。選択には 2 つの目的があります。一方では、次の交配のために集団から個々のゲノムを選択できます (たとえば、交叉演算子 を使用します)。さらに、選択メカニズムは、次世代の候補解 (個体) を選択するためにも使用されます。生物学的モデルは自然選択 です。
ある世代で最も優れた個体を次の世代にそのまま残すことを、エリート主義 またはエリート選択 と呼ぶ。これは、新しい集団を構築する一般的なプロセスの、成功した(わずかな)変種である。
選択の基準は個体の質であり、これは適応度関数 によって決定されます。EAの拡張であるミームアルゴリズムでは、 ミーム (例えばヒューリスティック )の助けを借りて改良されるべき子孫を選択する際にも選択が行われます。
初期に用いられた育種のための選抜手順[ 1 ] は、以下のように実施される可能性がある。
計算された適応度値(適応度関数 )は正規化され、結果として得られるすべての適応度値の合計が 1 になります。 累積正規化適応度値が計算されます。個体の累積適応度値は、その個体自身の適応度値と、それ以前のすべての個体の適応度値の合計です。最後の個体の累積適応度は1になるはずです。そうでなければ、正規化ステップで何らかの問題が発生したことになります。 0から1までの乱数R が選択されます。 選ばれた個人は、累積正規化値がR 以上となる最初の個人です。上記のアルゴリズムは、多くの問題において計算負荷が高い可能性がある。よりシンプルで高速な代替手段として、いわゆる確率的受理法が用いられる。
この手順を十分な数の選択された個体が得られるまで繰り返す場合、この選択方法は適応度比例選択 またはルーレット選択 と呼ばれます。 1 つのポインターを複数回回転させる代わりに、1 回回転するホイール上に等間隔に配置された複数のポインターがある場合、それは確率的普遍サンプリング と呼ばれます。 ランダムに選択された部分集合から最良の個体を繰り返し選択することは、トーナメント選択 です。 個体の最良の半分、3 分の 1、またはその他の割合を選択することは、切り捨て選択 です。
選択アルゴリズムの中には、すべての個体を選択するのではなく、所定の(任意の)定数よりも高い適応度値を持つ個体のみを選択するものもある。また、適応度値に基づいて、一定の割合の個体のみを選択する制限されたプールから選択するアルゴリズムもある。
選抜方法 リストされている方法は主に選択圧が異なり、[ 2 ] [ 3 ] これは後述するランク選択の戦略パラメータで設定できます。選択圧が高いほど、集団は特定の解に早く収束し、探索空間が十分に探索されない可能性があります。この早期収束 [ 4 ] は、集団を適切に構造化する ことで抑制できます。[ 5 ] [ 6 ] 使用する集団モデルと適切な選択圧の間には密接な相関関係があります。[ 5 ]圧力が低すぎると、長時間の計算後でも集団が収束しないことが予想されます。その他の選択方法と詳細については、 [ 7 ] [ 8 ] を参照してください。
ルーレットホイールの選択 ルーレット選択 では、次世代の繁殖のために個体を選択する確率はその個体の適応度に比例し、適応度が高いほどその個体が選ばれる可能性が高くなります。個体の選択は、現在の世代の個体数と同じ数のポケットがあり、ポケットの大きさがそれぞれの確率に応じて決まるルーレットを回すこととして表現できます。個体を選択する確率私 {\displaystyle i} に等しいp 私 = f 私 Σ j = 1 N f j {\displaystyle p_{i}={\frac {f_{i}}{\Sigma _{j=1}^{N}f_{j}}}} 、 どこf 私 {\displaystyle f_{i}} のフィットネスは私 {\displaystyle i} そしてN {\displaystyle N} は現在の世代のサイズです(この方法では、1人の個体が複数回抽出される可能性があることに注意してください)。
確率的普遍的サンプリング 確率的普遍サンプリング は、ばらつきが最小限で偏りのないルーレット選択法の発展形である。
ランク選択 ランク選択では、選択の確率は適応度に直接依存するのではなく、集団内における個体の適応度ランクに依存します。[ 9 ] 正確な適応度値自体は必要ではなく、個体を品質に応じて並べ替えるだけで十分です。
調整可能な選択圧に加えて、ランクベースの選択の利点は、劣った個体にも繁殖して改善する機会を与えるという点にもある。[ 10 ] これは、制約のあるアプリケーションで特に役立つ。なぜなら、制約違反のために評価が低い複数の個体のシーケンスを介して、複数の中間ステップで制約を克服することが容易になるからである。
指数ランク選択 指数ランク選択は次のように定義されます。[ 9 ]
P ( 私 ) = w n − 私 ∑ k = 1 n w n − k 、 0 ≤ w ≤ 1 {\displaystyle P(i)={\frac {w^{ni}}{\sum _{k=1}^{n}{w^{nk}}}},0\leq w\leq 1}
定常状態選択 世代ごとに、少数の染色体(優れた染色体、つまり適応度の高い染色体)が選択され、新しい子孫が作られます。次に、一部の染色体(劣った染色体、つまり適応度の低い染色体)が除去され、新しい子孫がその場所に配置されます。残りの個体群は次の世代へと生き残ります。
トーナメント選択 トーナメント選抜と は、複数の参加者の中から1名を選ぶ方法である。各トーナメントの優勝者がクロスオーバーを行うために選ばれる。
切り捨て選択 切り捨て選択 では、個体は適応度に応じてソートされ、上位個体の一部(10%~50%)が次世代のために選択される。[ 9 ]
エリート選抜 より良い結果を得るために、部分的な繁殖戦略が用いられることが多い。その一つがエリート主義であり、前世代の最も優れた個体のごく一部を(何の変更も加えずに)次世代に引き継ぐものである。
ボルツマン選択 ボルツマン選択では、連続的に変化する温度が、あらかじめ設定されたスケジュールに従って選択率を制御します。温度は最初は高く、選択圧は低いことを意味します。温度は徐々に低下し、選択圧が徐々に高まるため、GAは適切な多様性を維持しながら、探索空間の最良の部分にさらに近づくことができます。[ 14 ]
語彙選択 ほとんどの選択アルゴリズムは、多くの場合、複数のトレーニングケースから導出されたスカラーの適合度値に基づいて個々のゲノムを選択します。対照的に、Lexicase選択は、複数のケースにわたるパフォーマンス指標を集計するのではなく、個々のトレーニングケースのパフォーマンスを個別に考慮します。各選択イベントで、ケースを異なるランダムな順序で、したがって異なる優先順位で考慮します。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
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外部リンク 遺伝的アルゴリズム入門 確率的受容バージョンの実装概要