遗传算法（一）——生物学基础

短命女 2022-12-23 15:20 137阅读 0赞

**目录**

引言

1.1遗传算法的生物学基础

1.1.1遗传与变异

1.1.2进化

1.1.3遗传与进化的系统观

参考资料

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# 引言 #

生物在自然界中的生存繁衍，显示出了其对自然环境的优异自适应能力。

人类之所以能够向其自身的进化学习以增强求解问题的能力，是因为自然进化本质上就是一个学习与优化的过程。这一优化过程的目的是使生命体达到适应环境的最佳结构与效果。

基本认识：生物进化过程（从简单到复杂，从低级向高级）本身是一个自然的、并行发生的、稳健的优化过程。这一优化过程的目标是对环境的自适应性，生物种群通过“优胜劣汰”及遗传变异来达到进化（优化）的目的。依达尔文的自然选择与孟德尔的遗传变异理论，生物的进化是通过繁殖、变异、竞争和选择四种基本形式实现的。

# 1.1遗传算法的生物学基础 #

遗传算法是一种宏观意义下的仿生算法，它模仿的机制是一切生命与智能的产生与进化过程。它通过模拟达尔文“优胜劣汰、适者生存”的自然选择产生好的结构，通过模仿孟德尔遗传变异理论在迭代过程中保持已有的结构，同时寻找更好的结构。

## 1.1.1遗传与变异 ##

1）世间的生物从其亲代继承特性或性状，这种生命现象就称为**遗传**（Heredity）：种瓜得瓜，种豆得豆。鸟儿在空中飞翔，鱼儿在水中遨游。

2）细胞（生物的基本结构和功能单位）中含有的一种微小的丝状化合物称为**染色体**（Chromosome），生物的所有遗传信息都包含在这个复杂而又微小的染色体中。

3）遗传信息是由基因（Gene）组成的。生物的各种性状由其相应的基因所控制，**基因**是遗传的基本单位。遗传基因被复制到下一代，从而其所控制的性状也被下一代所继承。

4）控制并决定生物遗传性状的染色体主要是由一种叫做**DNA**的物质所构成。DNA在染色体中有规律地排列着。DNA中，遗传信息在一条长链上按一定的模式排列，即进行了遗传编码。

细胞在分裂时，遗传物质DNA通过**复制**（Reproduction）而转移到新产生的细胞中，新细胞就继承了DNA上基因所控制的特性。有性繁殖生物在繁殖下一代时，两个同源染色体之间通过**交叉**（Crossover）而重组，即在染色体的某一相同位置处DNA被切断，其前后两串分别交叉组合而形成两个新的染色体。另外，在进行细胞复制时，虽然概率很小，但也有可能产生某些复制差错，从而使DNA发生某些**变异**（Mutation），产生出新的染色体。这些新的染色体表现出新的性状。如此这般，遗传基因或染色体在遗传过程中由于各种各样的原因而发生变化。

**补充：**

染色体、DNA及基因三者之间的关系

1）染色体是由DNA和蛋白质两种物质组成，即DNA在染色体上，如下图；

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2）DNA是遗传信息的载体，主要存在于细胞核中，DNA分子为双螺旋结构，由两条长长的、互相盘绕的链组成像螺旋形的梯子；

3）基因是有遗传效应的DNA片段（不是所有的DNA都叫基因），决定生物的性状。一个DNA分子上有许多个基因，如下图。

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## 1.1.2进化 ##

生物在其延续生存的过程中，逐渐适应于生存环境，使得其品质不断得到改良，这种生命现象称为**进化**（Evolution）。

进化是以**群体**（Population）的形式进行的，组成群体的单个生物称为**个体**（Individual），每个个体对其生存环境都有不同的适应能力，这种适应能力称为个体的**适应度**（Fitness）。适应度高的个体，生存可能就大；而后再进行交叉遗传变异。

由于某些原因，基因变异产生新的基因，并遗传到下一代。这种新的基因依据其与环境的适应程度决定其增殖能力，有利于生存环境的基因逐渐增多，而不利于生存环境的基因逐渐减少。通过这种自然的选择，物种将逐渐地向适应于生存环境的方向进化，从而产生出优良的物种。

## 1.1.3遗传与进化的系统观 ##

后继相关内容，可能只会从下面的相关角度进行形式化！上述生物学的概念可能用处仅用于理解。

遗传与进化的几个特点：

1）生物的所有遗传信息都包含在其染色体中，染色体决定了生物的性状。

2）染色体是由基因及其有规律的排列所构成的，遗传和进化过程发生在染色体上。

3）生物的繁殖过程是由其基因的复制过程来完成的。

4）通过同源染色体之间的交叉或染色体的变异会产生新的物种，使生物呈现新的性状。

5）对环境适应性好的基因或染色体经常比适应性差的基因或染色体有更多的机会遗传到下一代。

# 参考资料 #

《遗传算法原理及应用》周明、孙树栋编著

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