Кіріспе

Экстремалды оңтайландыру (ЭО) - статистикалық физика саласындағы өзін-өзі ұйымдастырушы сыншылдықтың БакСнеппен моделіне сүйенген оптимизациялық эвристика. Бұл эвристика бастапқыда комбанатариялық оңтайландыру проблемаларын шешу үшін жасалған, мысалы, саяхатшы сатушы проблемасы және айналу көзілдірігі, бірақ бұл әдіс оңтайландыру домендерінде жұмыс істейтіндігі дәлелденді.

Өзін-өзі ұйымдастырған сыншылдықпен қатынасы

Өзін-өзі ұйымдастырған сынилық (SOC) - бұл тартымды нүктесі бар динамикалық жүйелердің класын сипаттау үшін статистикалық физика тұжырымдамасы. Нақты айтқанда, бұл тепе-теңдікке жатпайтын жүйелер, олар өзгерістердің қар көшкіндері мен жүйелердің ең жоғары шкалаларына дейін жететін ығысулар арқылы дамып келеді. SOC кейбір табиғи жүйелердің динамикасын басқарады, олар ландшафттың пайда болуы, жер сілкінісі, эволюция және күріш пен құм үйінділерінің түйіршікті динамикасы сияқты құбылыстар сияқты жарылыстар. Мұнда ерекше қызығушылық туғызатын нәрсе - SOC-тің BakSneppen моделі, ол эволюцияны үзілген тепе-теңдік (құрып кету оқиғалары) арқылы сипаттай алады, осылайша эволюцияны өзін-өзі ұйымдастырған маңызды процесс ретінде үлгілейді.

Есептеу күрделілігімен байланысы

Пазлдың тағы бір бөлшегі - есептеу күрделілігі бойынша жұмыс, атап айтқанда, NP толық проблемаларда сындық нүктелер бар екені дәлелденді, онда оңтайлы шешімдерге жақын іздеу кеңістігіндегі кедергілер арқылы кеңінен таралған және бөлінген, бұл жергілікті іздеу алгоритмдерінің тығылып қалуына немесе қатты кедергі келтіруге әкеледі. Бұл Бак пен Снеппеннің эволюциялық өзін-өзі ұйымдастырушылық сынилығы моделі және Стефан Боэтчер мен Аллон Перкустың Экстремалды оптимизацияны дамытуға әкелген комбинаторлық оптимизациялау проблемаларындағы сыни нүктелерді байқау болды.

Техникасы

EO комбинаторлық оңтайландыру проблемалары үшін жергілікті іздеу алгоритмі ретінде жасалған. Кандидат шешімдердің популяциясымен жұмыс істейтін генетикалық алгоритмдерден айырмашылығы, EO бір шешімді дамытады және ең нашар компоненттерге жергілікті өзгерістер енгізеді. Бұл үшін ерітінді компоненттеріне сапа өлшемін ("сағдат") беруге мүмкіндік беретін қолайлы бейнелеуді таңдау қажет. Бұл құмырсқалар колониясын оңтайландыру және эволюциялық есептеу сияқты тұтас тәсілдерден ерекшеленеді, олар шешімнің барлық компоненттеріне олардың ұжымдық бағалауына негізделген объективті функцияға тең жарамдылықты береді. Алгоритм кездейсоқ құрылуы немесе басқа іздеу процесінен алынуы мүмкін бастапқы шешіммен басталады. Бұл әдіс ұсақ түйірлі іздеу болып табылады және үстіңгі жағында дөңгелекке көтерілу (жергілікті іздеу) әдісіне ұқсас. Толығырақ зерттеуде кейбір қызықты принциптер ашылады, олар қолданылуы мүмкін және тіпті тұрғындардың кеңінен негізделген тәсілдеріне (эволюциялық есептеулер мен жасанды иммундық жүйе) ұқсас болуы мүмкін. Бұл алгоритмнің негізгі қағидасы - сапасы төмен компоненттерді іріктеп алып тастау және оларды кездейсоқ таңдалған компонентпен ауыстыру арқылы жақсарту. Бұл генетикалық алгоритмдерге қайшы келеді, эволюциялық есептеу алгоритмі жақсы шешімдерді таңдап, жақсы шешімдерді жасауға тырысады. Бұл қарапайым принциптің нәтижесінде пайда болған динамикасы, біріншіден, дөңгелекке көтерілудің мықты іздеу мінез-құлқы, ал екіншісі, бірнеше рет қайта бастау іздеуіне ұқсас әртүрлілік механизмі. Уақыт өте келе тұтас шешімнің сапасын графиктендіру (алгоритмнің қайталануы) сапаның құлдырауынан кейін жақсару кезеңдерін көрсетеді (аваланша) пунктуацияланған тепе-теңдікпен сипатталғандай. Бұл іздеу кеңістігіндегі осы апаттар немесе күрт секірулер алгоритмге жергілікті оптималдан құтылуға және осы әдісті басқа жергілікті іздеу процедураларынан ажыратуға мүмкіндік береді. Мұндай тынықты тепе-теңдік мінез-құлқы "жоспарланған" немесе "қатты кодталған" болуы мүмкін болса да, бұл алгоритмнің негізгі теріс компонент таңдау қағидатының пайда болатын әсері екенін атап өту керек. ЭО негізінен графикті бөлу және саяхатшы сатушы мәселесі сияқты комбинаторлық проблемаларға, сондай-ақ спин шынылары сияқты статистикалық физика проблемаларына қолданылды.

Тақырыптың өзгеруі және қолданылуы

Жалпыланған шеткі оптималдеу (GEO) біт тізбектерінде жұмыс істеу үшін әзірленді, онда компонент сапасы биттің абсолютті өзгеру жылдамдығына немесе біттердің тұтастай шешім сапасына қосқан үлесіне байланысты анықталады. Бұл жұмыстың стандартты функцияларды оңтайландыру проблемаларына, сондай-ақ инженерлік проблемалар салаларына қолданылуы бар. EO-ға ұқсас тағы бір кеңейту - үздіксіз экстремалды оңтайландыру (CEO). EO кескінді растерлеуге, сондай-ақ құмырсқалар колониясын оңтайландыруды қолданғаннан кейін жергілікті іздеу ретінде қолданылды. ЭО күрделі желілердегі құрылымдарды анықтау үшін пайдаланылды. ЭО бірнеше нысананы бақылауда қолданылды. Ақырында, таңдауға бақылау жасау үшін пайдаланылатын ықтималдық үлестірімін зерттеу бойынша біраз жұмыс жүргізілді.