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.

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.

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.

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.

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.