🌒 Genetic Algorithms - 유전 알고리듬

N차시

@ 용불용설
@ 루카 LUCA
@ En~ : ~이 되게 하다
@ Takes Place : 발생하다

@ 유전자 알고리듬 (X, 잘못된 표현)

@ 답을 찾아야 하는데, 답을 모름
@ 더 좋은 상태들을 섞어서 답을 찾겠다는 것

💫 Genetic Algorithms - 유전 알고리듬

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계산 문제 해결에 쓰는
Simulated Evolution 모의 진화, 진화 흉내
를 알아본다

유전 알고리듬은 탐색 알고리듬이다

주어진 문제를 해결하기 위해
Encoded 암호화된 Candidate 후보 Solutions 의 Population 모집단
에서 동작하는 알고리듬이다

간단한 알고리듬의
Sequence of Instructions 명령어 열을 진화시키는 진화적인 계산을 통해
유전 알고리듬의 Use를 Illustrate 보여준다
→ Stack Machine

💫 Biological Inspiration

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Phenomenon 현상 of Natural Evolution를 흉내내는
Optimization 최적화 알고리듬이다

자연 진화에 있어서,
Species 종은, 복잡한 환경/치열한 경쟁 속에서 생존하기 위해
적응하는 방법을 Search 탐색한다

탐색, Chromosomes(염색체, DNA)에서 일어나는 변화와 그 효과는
생존과 Reproduction 재생산에 대한 Graded 점수로 매겨진다

Natural Selection 자연 선택
~

💫 Genetic Algorithm High-Level Flow

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@ U 중간고사 출제 : 8-Queen 문제에 유전 알고리듬을 적용하는 과정

1. Initialization
   • 문제 정의
   • 인코딩 (컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로, 자료구조 지식 요구)
   • 적합도 함수 디자인
2. Evaluation
   • 적합도 계산 (적합도 함수 사용)
3. Selection
   • 선택 연산
4. Recombination
   • Generic Operation 유전 연산
     • Crossover 교차
     • Mutation 돌연변이

Initialization - 문제 정의, 인코딩, 적합도 함수 디자인
→ 사람이 관여하는 단계

Evaluation - 적합도 평가(계산) 단계
→ .E. PPT 라면 맛 척도 7, 10, 9, 5

Selection - 선택 연산 단계
→ 모든 맛 척도를 더하고, 그 비율을 원판에 표시, (다트 게임처럼) 랜덤으로 선택
→ 비율이 낮은 요소도 꽤 높은 확률로 선택될 수 있음 = 자연선택
→ 좋은 것만 선택하지 않음

Recombination - Genetic Operation 유전 연산 단계
→ Crossover 교차, Mutation 돌연변이

Crossover - 교차, 부분 교체 : 부모 유전자 섞이듯
Mutation - 돌연변이 : 아주 드물게, 부모에게 없는 성질을 주기 위해
→ (교체보다 나빠질 확률이 높음, 교체보다 비율을 적게)

@ 대부분 나빠지는 경우가 많은데,
@ 공학적(수학적)인 문제의 경우, 모집단의 평균 점수는 높아짐

💫 In Example

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MSG, 계란, 파, 김
라면에 재료 들어가는 경우의 수
@ 실제로는 재료 종류가 많겠죠

→ 2^4 - 1 = 15
→ (아무것도 안넣는 경우 제외, 0000)

1 = 0001, 2 = 0010, 3 = 0011, …
레시피 Like DNA
레시피 번호를 통해 어떤 재료가 들어가있는 지 알 수 있음 (10진수 → 2진수)

Initialization
→ 데이터를 기반으로 맛을 평가할 수 있는 함수 (적합도 함수)
→ 모집단 만들기 : 임의의 모집단 요소 수 (초매개변수)

Evaluation 적합도 평가 : 적합도 함수 계산 ~
Selection 선택 연산 : 누적막대~

Recombination - Genetic Operation 유전 연산
→ 교차 : 일반적으로 모두 교차 X, (70%? - 초매개변수)
→ 돌연변이 : 염색체 단위가 아니라 유전자 단위로, 아주 드물게

💫 Sample Problem - Stack Machine

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@ U 중간고사 출제 : Stack Machine, 주어진 명령어와 스택을 보고, 최종적으로 프로그램이 어떤 문제를 푸는지

숫자가 아니라 기호를 다루는 문제를 최적화하는 문제를 다뤄보자
→ 명령어들의 열

스택 머신 (in VM)
Zero-Address

• 0 DUP : A → A A, Duplicate
• 1 SWAP : A B → B A
• 2 MUL : 2 3 → 6, Multiply
• 3 ADD : 2 3 → 5
• 4 OVER : A B → B A B, 위에서 두 번째에 있는 요소 DUP
• 5 NOP : No-Operation, Filler

Solution Encoding
문제의 솔루션을 인코딩 (문제 자체가 아니라)
→ 명령어 (0 ~ 5)를 연속된 바이트 문자열로 표현

Fitness Evaluation - 적합도 평가
→ 임의의 스택, 프로그램이 End하거나 (Solve?), END 명령에 도달할 때까지
→ 그 다음 적합도 계산 (현재 스택 상태와 목적 함수 결과 차이)

Recombination - 재생산
→ Crossover 연산자, 특정 지점에서 부모의 꼬리를 SWAP
→ Mutation 돌연변이, 명령 랜덤 재할당

I.E.

x^8 → DUP MUL DUP MUL DUP MUL

DUP : x → x x
MUL : → x^2
DUP : → x^2 x^2
MUL : → x^4
DUP : → x^4 x^4
MUL : → x^8