Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Экстремальная оптимизация (ЭО) - это эвристика оптимизации, вдохновленная моделью самоорганизованной критичности БакСнеппена из области статистической физики. Эта эвристика была разработана изначально для решения комбинаторных проблем оптимизации, таких как проблема странствующего продавца и спин-очки, хотя было доказано, что техника работает в областях оптимизации.
Extremal optimization (EO) is an optimization heuristic inspired by the Bak–Sneppen model of self organized criticality from the field of statistical physics. This heuristic was designed initially to address combinatorial optimization problems such as the travelling salesman problem and spin glasses, although the technique has been demonstrated to function in optimization domains.
Отношение к самоорганизованной критичности
Самоорганизованная критичность (СОК) - это концепция статистической физики, используемая для описания класса динамических систем, которые имеют критическую точку как атрактор. В частности, это неравновесные системы, которые развиваются через лавины изменений и рассеивания, которые достигают самых высоких масштабов системы. Считается, что SOC управляет динамикой некоторых природных систем, которые имеют эти взрывоподобные явления, включая формирование ландшафта, землетрясения, эволюцию и гранулярную динамику риса и песчаных кусков. Особый интерес представляет модель SOC Бака-Снеппена, которая способна описать эволюцию через пунктуационное равновесие (события вымирания), таким образом моделируя эволюцию как самоорганизованный критический процесс.
Self organized criticality (SOC) is a statistical physics concept to describe a class of dynamical systems that have a critical point as an attractor. Specifically, these are non equilibrium systems that evolve through avalanches of change and dissipations that reach up to the highest scales of the system. SOC is said to govern the dynamics behind some natural systems that have these burst like phenomena including landscape formation, earthquakes, evolution, and the granular dynamics of rice and sand piles. Of special interest here is the Bak–Sneppen model of SOC, which is able to describe evolution via punctuated equilibrium (extinction events) – thus modelling evolution as a self organised critical process.
Отношение к вычислительной сложности
Еще одна часть головоломки - это работа над вычислительной сложностью, в частности, было показано, что критические точки существуют в NP-полных задачах, где близкие к оптимальным решения широко рассредоточены и разделены барьерами в поисковом пространстве, вызывая зацикленность или серьезные помехи для локальных алгоритмов поиска. Эволюционная самоорганизованная модель критичности Бак и Снеппен и наблюдение критических точек в комбинаторных проблемах оптимизации привели к разработке Экстремальной оптимизации Стефаном Боэтчером и Аллоном Перкусом.
Another piece in the puzzle is work on computational complexity, specifically that critical points have been shown to exist in NP complete problems, where near optimum solutions are widely dispersed and separated by barriers in the search space causing local search algorithms to get stuck or severely hampered. It was the evolutionary self organised criticality model by Bak and Sneppen and the observation of critical points in combinatorial optimisation problems that lead to the development of Extremal Optimization by Stefan Boettcher and Allon Percus.
Техника
EO был разработан как локальный алгоритм поиска для комбинаторных задач оптимизации. В отличие от генетических алгоритмов, которые работают с популяцией возможных решений, EO развивает единственное решение и вносит локальные модификации в худшие компоненты. Для этого необходимо выбрать подходящее представление, которое позволяет присвоить отдельным компонентам раствора меру качества ("пригодность"). Это отличается от целостных подходов, таких как оптимизация муравьиной колонии и эволюционные вычисления, которые назначают одинаковую пригодность всем компонентам решения на основе их коллективной оценки по отношению к объективной функции. Алгоритм инициализируется с первоначальным решением, которое может быть построено случайным образом или получено из другого процесса поиска. Метод представляет собой тонкозернистый поиск и поверхностно напоминает метод восхождения на холм (локальный поиск). Более подробное исследование показывает некоторые интересные принципы, которые могут иметь применимость и даже некоторое сходство с более широкими подходами, основанными на популяции (эволюционные вычисления и искусственная иммунная система). Основной принцип, лежащий в основе этого алгоритма, заключается в улучшении путем выборочного удаления низкокачественных компонентов и замены их случайным образом выбранным компонентом. Это, очевидно, противоречит генетическим алгоритмам, типичному эволюционному алгоритму вычислений, который выбирает хорошие решения в попытке сделать лучшие решения. Результатом этой простой динамики является, во-первых, устойчивое поведение поиска в горах, а во-вторых, механизм разнообразия, напоминающий многократный поиск с перезагрузкой. Графическое отображение качества целостного решения с течением времени (итерации алгоритма) показывает периоды улучшения, за которыми следуют сбои качества (аваланги), в значительной степени описанные пунктуационным равновесием. Именно эти сбои или драматические прыжки в поисковом пространстве позволяют алгоритму избежать локальных оптималов и отличать этот подход от других локальных поисковых процедур. Хотя такое поведение в пунктуационном равновесии может быть "проектировано" или "зашифровано", следует подчеркнуть, что это возникающий эффект принципа выбора отрицательной компоненты, фундаментального для алгоритма. ЭО применяется в основном к комбинаторным проблемам, таким как разделение графов и проблема странствующего продавца, а также к проблемам статистической физики, таким как спин-очки.
EO was designed as a local search algorithm for combinatorial optimization problems. Unlike genetic algorithms, which work with a population of candidate solutions, EO evolves a single solution and makes local modifications to the worst components. This requires that a suitable representation be selected which permits individual solution components to be assigned a quality measure ("fitness"). This differs from holistic approaches such as ant colony optimization and evolutionary computation that assign equal fitness to all components of a solution based upon their collective evaluation against an objective function. The algorithm is initialized with an initial solution, which can be constructed randomly, or derived from another search process. The technique is a fine grained search, and superficially resembles a hill climbing (local search) technique. A more detailed examination reveals some interesting principles, which may have applicability and even some similarity to broader population based approaches (evolutionary computation and artificial immune system). The governing principle behind this algorithm is that of improvement through selectively removing low quality components and replacing them with a randomly selected component. This is obviously at odds with genetic algorithms, the quintessential evolutionary computation algorithm that selects good solutions in an attempt to make better solutions. The resulting dynamics of this simple principle is firstly a robust hill climbing search behaviour, and secondly a diversity mechanism that resembles that of multiple restart search. Graphing holistic solution quality over time (algorithm iterations) shows periods of improvement followed by quality crashes (avalanche) very much in the manner as described by punctuated equilibrium. It is these crashes or dramatic jumps in the search space that permit the algorithm to escape local optima and differentiate this approach from other local search procedures. Although such punctuated equilibrium behaviour can be "designed" or "hard coded", it should be stressed that this is an emergent effect of the negative component selection principle fundamental to the algorithm. EO has primarily been applied to combinatorial problems such as graph partitioning and the travelling salesman problem, as well as problems from statistical physics such as spin glasses.
Вариации на тему и применения
Генерализованная экстремальная оптимизация (GEO) была разработана для работы с битовыми строками, где качество компонента определяется абсолютной скоростью изменения бита или вкладом битов в качество целостного решения. Эта работа включает в себя применение к стандартным проблемам оптимизации функций, а также к инженерным проблемам. Еще одно подобное расширение EO - это непрерывная экстремальная оптимизация (CEO). EO применяется для растрирования изображений, а также используется в качестве локального поиска после использования оптимизации муравьиных колоний. ЭО используется для идентификации структур в сложных сетях. ЭО использовали для обнаружения нескольких целей. Наконец, была проведена некоторая работа по исследованию распределения вероятности, используемого для контроля отбора.
Generalised extremal optimization (GEO) was developed to operate on bit strings where component quality is determined by the absolute rate of change of the bit, or the bits contribution to holistic solution quality. This work includes application to standard function optimisation problems as well as engineering problem domains. Another similar extension to EO is Continuous Extremal Optimization (CEO). EO has been applied to image rasterization as well as used as a local search after using ant colony optimization. EO has been used to identify structures in complex networks. EO has been used on a multiple target tracking problem. Finally, some work has been done on investigating the probability distribution used to control selection.