Доклад «Моделирование эволюции. Генетические алгоритмы»

Вид материала

Доклад

Содержание Модель Фридмана Модель де Ситтера Модель раздувающейся Вселенной

Подобный материал:

• Доклад «Моделирование эволюции. Генетические алгоритмы», 108.9kb.
• Модели эволюции. Генетические алгоритмы, 361.44kb.
• Курсовая работа По дисциплине: «Моделирование систем» По теме: «Генетические алгоритмы, 324.78kb.
• Доклад сделан на семинаре «Моделирование популяционных процессов», 144.03kb.
• Доклад на тему: "Модели эволюций и генетические алгоритмы", 155.74kb.
• Дисциплина: Инженерия знаний Доклад Генетические алгоритмы, 371.21kb.
• Информатика, вычислительная техника и инженерное образование 2011, №1(3) эволюционное, 635.81kb.
• Генетические алгоритмы. Мутация (обобщенный доклад), 124.68kb.
• Л. И. Параллелизмы в молекулярной организации генома и проблемы эволюции. В кн.: Молекулярные, 251.18kb.
• Программа дисциплины «Нечеткая логика, генетические алгоритмы и экспертные системы, 228.23kb.

Доклад «Моделирование эволюции. Генетические алгоритмы»

Конкретизация моего реферата заключалась в следующем: рассмотреть терминологию, относящуюся к моделированию эволюции. Поэтому я хочу начать свой доклад с рассмотрения термина - моделирование.

Моделирование - ведущий принцип современного научного познания. Человек не может видеть предмет познания целиком, во всех его проявлениях. Поэтому он ограничивает свои притязания и стремится познать какую-либо сторону этого предмета, в зависимости от стоящей перед человеком задачи. Моделирование опирается на следующие основные принципы научного познания:

• принцип редукционизма – возможность сведения более сложного к более простому. Это значит, что изучение более простого может что-то сказать и о самом объекте.
  
• принцип эволюции – все высшие формы постепенно развились из низших форм. Это значит, что, анализируя поведение низших форм, можно прогнозировать поведение высших форм.
  
• принцип рациональности – говорит, что объекты реального мира можно познавать с помощью логики и математики.
  

Таким образом, моделирование – это инструмент науки для познания чего-либо. При помощи моделирования мы можем увидеть многие процессы с различных сторон. Но следует отметить, что методом моделирования надо пользоваться с большой осторожностью. Любая модель отражает только какой-то фрагмент реальности и перенос закономерностей одной части на все целое может иметь непредвиденные последствия.

Чтобы перейти к термину эволюция, рассмотрим, что такое развитие.

Развитие - это необратимое, направленное, закономерное изменение материи и сознания; в результате развития возникает новое качественное состояние объекта - его состава или структуры. Развитие - всеобщий принцип объяснения природы, общества и познания, как исторически протекающих событий.
    Различают две формы развития, между которыми существует диалектическая связь: эволюционную, связанную с постепенными количественными изменениями объекта (эволюция), и революционную, характеризующуюся качественными изменениями в структуре объекта (революция). Выделяют прогрессивную, восходящую линию развития (прогресс) и регрессивную, нисходящую линию (регресс). Прогресс - направленное развитие, для которого характерен переход от низшего к высшему, от менее совершенного к более совершенному. Развитие, как бы повторяет уже пройденные ступени, но повторяет их иначе, на более высокой базе, так сказать, по спирали, а не по прямой линии. Основной особенностью, отличающей развитие от других динамических процессов, например, от процесса роста, является качественное изменение во времени переменных, характеризующих состояние развивающейся системы (для процесса роста обычно говорят лишь о количественном изменении этих переменных). Причем качественное изменение носит скачкообразный характер. 

Термин эволюция имеет несколько значений, однако чаще всего он используется как синоним развития. Так, И.И.Шмальгаузен определяет эволюцию как закономерный процесс исторического развития организма. Иногда термин "эволюция" используют в более узком смысле, понимая ее как одну из форм развития, которая противопоставляется революции. Эволюция и революция рассматриваются как взаимообусловленные стороны развития, выступая против абсолютизации какой-либо из них. В любых процессах развития естественно наличие чередующихся участков: эволюционных и революционных. 

Термин революция в большой советской энциклопедии трактуется следующим образом. Революция - глубокое качественное изменение в развитии каких-либо явлений природы, общества или познания. Наиболее широко понятие революция применяется для характеристики общественного развития. Понятие революция — неотъемлемая сторона диалектической концепции развития. Оно раскрывает внутренний механизм закона перехода количественных изменений в качественные. Революция означает перерыв постепенности, качественный скачок в развитии. Революция отличается от эволюции — постепенного развития какого-либо процесса, а также от реформы, находясь с ней в сложном соотношении, характер которого определяется конкретно-историческим содержанием самой революции и реформы.

Эволюция в широком смысле - представление об изменениях в природе и в обществе, их направленности, порядке, закономерностях; определенное состояние какой-либо системы рассматривается как результат более или менее длительных изменений ее предшествовавшего состояния; в более узком смысле - представление о медленном постепенном количественном изменении. 

Эволюция в биологии - это необратимое историческое развитие живой природы. Определяется изменчивостью, наследственностью и естественным отбором организмов. Сопровождается приспособлением их к условиям существования, образованием видов, преобразованием биогеоценозов и биосферы в целом.

Теперь рассмотрим эволюцию искусственных систем. Эволюция - процесс многомерный, и замедление ее в одном измерении (направлении)  отнюдь не обязательно влечет за собой снижение темпов в других измерениях. Наоборот, замедление эволюции в одном измерении довольно часто ускоряет рост ее потенциала в другом. Во многих случаях то, что представлялось недосягаемо высоким пределом роста, в действительности - только стартовая площадка для следующей стадии развития. Эволюция искусственных систем имеет, вообще говоря, несколько пределов. Множественность пределов становится почти очевидной, если учесть, сколь широк и разнообразен спектр препятствий, возникающих на пути эволюции. Одни пределы обусловлены тем, что материал конструкции не обладает безграничной изменчивостью, в других случаях пределы возникают из-за неизменности формы. Если в одном направлении обнаруживается "узкое место", то в других, как правило, открываются какие-то новые возможности. Краткосрочная эволюция системы (рождение, рост, зрелось, старость) происходит под влиянием, главным образом, динамики самой системы, в то время как долгосрочная эволюция (развитие популяции, класса систем) зависит от существования  более широкой интегрированной системы (т.е. надсистемы) и определяется ею. Эволюция  подсистемы  может  развиваться  в направлении возрастающей сложности, в то время как эволюция всей системы в целом развивается в направлении все большей простоты (например, внедрение микропроцессоров в технические системы).


Теперь, рассмотрев основные термины моделирования и эволюции, рассмотрим понятие эволюционное моделирование. Эволюционное моделирование - направление в математическом моделировании, объединяющее компьютерные методы моделирования эволюции, а также близкородственные по источнику заимствования идей другие направления в эвристическом программировании. Включает в себя разделы: генетические алгоритмы, эволюционные стратегии, эволюционное программирование, искусственные нейронные сети, нечеткую логику. Эволюционное моделирование является важной частью эволюционной биокибернетики. Рис.1 иллюстрирует области исследований, которые могут быть отнесены к эволюционной биокибернетики.




Рис.1. Области исследования эволюционной кибернетики.


В эволюционном моделировании можно выделить 4 части:

1. Модели возникновения молекулярно-генетических систем.
   
2. Моделирование общих закономерностей эволюции.
   
3. Эволюционные модели искусственной жизни.
   
4. Прикладное эволюционное моделирование.
   

В качестве примера моделей эволюции, я хочу рассмотреть как происходила эволюция моделей Вселенной.

Существует много моделей эволюции Вселенной, но точный сценарий пока неясен. Общепризнанной, пожалуй, является картина Большого взрыва, когда Вселенная начала расширяться из состояния сверхплотного вещества. Однако интерпретация сути этого взрыва даже в среде ученых разная. Рассмотрим некоторые модели эволюции Вселенной.

Модель Фридмана

Расширение Вселенной началось из сверхплотного состояния вещества, занимающего нулевой объем, и продолжается вот уже в течение 10¹⁰ лет. У этой модели есть две проблемы.

Во-первых, проблема начальной сингулярности, то есть бесконечной плотности вещества и нулевых размеров Вселенной в начальный момент времени. Решение этой проблемы видится ученым в разработке последовательной квантовой теории гравитации в области очень малых масштабов пространства-времени.

Во-вторых, проблема горизонта. Суть этой проблемы сводится к следующему. В настоящее время некоторые галактики обнаруживаются на расстоянии в 10¹⁰ световых лет от Земли. В процессе расширения Вселенной за 10¹⁰ лет (возраст Вселенной) на такое расстояние мог переместиться только свет, но никак не галактики. Проблема эта не находит своего решения в рамках фридмановской модели.

Модель де Ситтера

Вселенная в течение очень длительного времени практически не меняла свои крайне малые (но не нулевые!) размеры. Затем, начиная с некоторого начального момента времени, в течение очень короткого времени Вселенная расширилась до невообразимо больших размеров, сохраняя в среднем плотность вещества постоянной.

Проблема: в этой модели устраняется сингулярность, но добавляются проблемы сохранения средней плотности материи в процессе ее расширения и сверхсветовые скорости расширения вещества. Поэтому пределы применимости ранней версии модели де Ситтера ограничивались пустым пространством, которое расширяется, не меняя свою плотность, и в котором вещество не перемещается.

Модель раздувающейся Вселенной

Эта модель является синтезом двух предыдущих. Вначале, в течение времени от 10^-43с до 10^-35с Вселенная расширялась "по де Ситтеру" и увеличилась до огромных размеров. Далее Вселенная начала развиваться "по Фридману". Синтез обеих моделей оказался возможным благодаря открытию нового вида материи - физического вакуума.

Проблема: проблемы горизонта в этой модели больше нет: во время первой фазы расширения Вселенная "распадается на множество малых областей, которые являются зародышами метагалактик, развивающихся в дальнейшем по Фридману". Поэтому расстояние от Земли до далеких галактик никак не связано с возрастом нашей Метагалактики. Нет и проблемы начальной сингулярности с ее бесконечно большой плотностью вещества. Однако хоть и не бесконечное, но все же сверхплотное состояние вещества, существовавшее в первые мгновения расширения "по Фридману", вынуждает исследователей искать более правдоподобные модели эволюции Вселенной.

Модель квазистатической Вселенной

Первая такая модель была предложена Эйнштейном. В ней силы притяжения между телами компенсируются космическими силами отталкивания. "Но после того, как из результатов Хэббла стало ясно, что внегалактические туманности разбегаются", Эйнштейн отказался от искусственно введенных в теорию сил отталкивания и, тем самым, от статической модели Вселенной.