CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN DI TRUYỀN
2.2. Một số khái niệm cơ bản
Thuật toán di truyền dựa vào quá trình tiến hoá trong tự nhiên nên các khái niệm và thuật ngữ của nó đều có liên quan đến các thuật ngữ của di truyền học.
2.2.1. Cá thể, nhiễm sắc thể
Trong thuật toán di truyền, một cá thể biểu diễn một giải pháp của bài toán. Không giống với trong tự nhiên, một cá thể có nhiều nhiễm sắc thể, ở đây ta quan niệm một cá thể có một nhiễm sắc thể. Do đó khái niệm cá thể và nhiễm sắc thể trong
thuật toán di truyền coi như là tương đương (và được gọi là cá thể).
Một cá thểđược tạo thành từ nhiều gien, mỗi gien có thể có các giá trị khác nhau để quy định một tính trạng nào đó. Trong thuật toán di truyền, một gien được coi như một phần tử trong cá thể.
2.2.2. Quần thể
Quần thể là một tập hợp các cá thể có cùng một số đặc điểm nào đấy. Trong thuật toán di truyền ta quan niệm quần thể là một tập các lời giải của một bài toán.
2.2.3. Chọn lọc
Trong tự nhiên, quá trình chọn lọc và đấu tranh sinh tồn đã làm thay đổi các cá thể trong quần thể. Những cá thể tốt, thích nghi được với điều kiện sống thì có khả năng đấu tranh lớn hơn, do đó có thể tồn tại và sinh sản. Các cá thể không thích nghi được với điều kiện sống thì dần mất đi. Dựa vào nguyên lý của quá trình chọn lọc và đấu tranh
sinh tồn trong tự nhiên, chọn lọc các cá thể trong thuật toán di truyền chính là cách chọn các cá thể có độ thích nghi tốt để đưa vào thế hệ tiếp theo hoặc để cho lai ghép, với mục đích là sinh ra các cá thể mới tốt hơn. Có nhiều cách để lựa chọn nhưng cuối cùng đều nhằm đáp ứng mục tiêu là các cá thể tốt sẽ có khả năng được chọn cao hơn.
2.2.4. Lai ghép
Lai ghép hay trao đổi chéo là quá trình hình thành cá thể mới dựa trên cơ sở cá thể cha mẹ bằng cách ghép một hay nhiều đoạn gien của cá thể cha mẹ.Cá thể mới có các đặc tính mong muốn là tốt hơn cá thể cha mẹ. Đây là quá trình xảy ra chủ yếu trong thuật toán di truyền.
a) Lai ghép một điểm
Chọn ngẫu nhiên một vị trí được gọi là điểm lai ghép. Sau đó ghép đoạn trước điểm lai ghép của cha với đoạn sau điểm lai ghép của mẹ và ngược lại. Ví dụ, cho cá thể cha mẹ trong Hình 2.1, phép lai ghép một điểm sau gien thứ 5 cho kết quả hai cá thể con trong Hình 2.2.
Hình 2.1: Cá thể cha mẹ cho phép lai ghép một điểm
Hình 2.2:Hai cá thể con sau khilai ghép một điểm b) Lai ghép hai điểm b) Lai ghép hai điểm
Chọn ngẫu nhiên hai vị trí trên chuỗi cá thể cha mẹ. Sau đó tráo đổi đoạn gien nằm giữa hai điểm đó của cá thể cha mẹ cho nhau. Ví dụ, cho cá thể cha mẹ như trong Hình 2.3, phép lai ghép hai điểm sau gien thứ 3 và sau gien thứ 7 cho kết quả hai cá thể con như trong Hình 2.4.
Hình 2.3: Cá thể cha mẹ cho phép lai ghép hai điểm
Hình 2.4: Hai cá thể con sau lai ghép hai điểm c) Lai ghép đồng nhất c) Lai ghép đồng nhất 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 Cha Mẹ Con 1 Con 2 Cha Mẹ Con 1 Con 2 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0
Phép lai ghép này gieo ngẫu nhiên một đồng xu, số lần gieo bằng số gien của cá
thể cha mẹ. Nếu kết quả gieo là 1 (mặt sấp) thì cá thể con thứ nhất sao chép gien từ cá
thể của mẹ, cá thể con thứ hai sao chép gien từ cá thể cha. Ngược lại,cá thể con thứ nhất sao chép gien từ cá thể cha, cá thể con thứ nhất sao chép gien từ cá thể mẹ. Ví dụ cho cá thể cha mẹ như trong Hình 2.5, phép trao đổi chéo đồng nhất với kết quả gieo ngẫu nhiên đồng xu là 10101010 kết quả là cá thể con trong Hình 2.6.
Hình 2.5: Cá thể cha mẹ cho phép lai ghép đồng nhất
Hình 2.6: Hai cá thể con sau lai ghép đồng nhất 2.2.5. Đột biến 2.2.5. Đột biến
Đột biến là một sự biến đổi tại một (hay một số) gien của cá thể ban đầu được
chọn một cách ngẫu nhiên bằng cách thay đổi các gien có giá trị 0 thành 1 để tạo ra một cá thể mới. Đột biến có xác suất xảy ra thấp hơn lai ghép. Đột biến có thể tạo ra một cá thể mới tốt hơn hoặc xấu hơn cá thể ban đầu. Tuy nhiên trong thuật toán di truyền thì ta luôn muốn tạo ra những phép đột biến cho phép cải thiện lời giải qua từng thế hệ. Ví dụ, cho cá thể ban đầu như trong Hình 2.7, giả sử các gien thứ 2, 5, 7, 8 được chọn để đột biến, chúng ta có cá thể con sau đột biến trong Hình 2.8.
Hình 2.7: Cá thể ban đầu trước đột biến
Hình 2.8: Cá thể con sau phép đột biến
Trong thuật toán di truyền phép đột biến có thể rất đa dạng. Tuy nhiên vẫn phải đảm bảo thực hiện sửa đổi một số gien trên cá thể cha để có một cá thể con.