Vorlesung Evolutionsstrategie I

Freitag: 10 - 12

Hörsaal: H 107

Prinzipien der Biologischen Evolution

Logik des Experimentierens und Optimierens

Chaos und Determinismus - Schwache und starke Kausalität

Das Evolutionsfenster und die 1/5-Erfolgsregel

Das Prinzip der mutativen Schrittweitenregelung

Praxis des evolutionsstrategischen Experimentierens

Mehrgliedrige Evolutionsstrategien und das ES-Kalkül

Algorithmus der zweigliedrigen Evolutionsstrategie

Optimierung in Technik und Natur

Beginn: 24. 10. 03

Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung „Evolutionsstrategie I“

Von der „Insel der Krebse“ zum ES-Kalkül

Geschichte, Gegenwart und Zukunft der Evolutionsstrategie

Biologische Evolution

in Kurzform

1

Schleimklumpen in der Ursuppe der Erde

2

Im Urozean entwickeln sich die Fische

3

Vorsichtig erobert das Leben das Land

4

Unsere Vorfahren erklettern die Bäume

5

Die Krönung der Evolution denkt über

seine Entstehung nach

Die Annahme, dass das Auge mit all seinen

unnachahmlichen Einrichtungen, die Linse den

verschiedenen Entfernungen anzupassen,

wechselnde Lichtmengen zuzulassen und

sphärische wie chromatische Abweichungen zu

verbessern, durch die natürliche Zuchtwahl

entstanden sei, erscheint, wie ich offen bekenne,

in höchstem Grade absurd.

Aus Charles Darwin: „Die Entstehung der Arten“

Die Zweifel in

Darwin

EvolutionEvolution einer Augenlinse einer Augenlinse

Fdk

qk

Verformbarer Glaskörper als Evolutionsobjekt

0 2 kk kk k ddq MinundMin

Auf dem Weg zu einerAuf dem Weg zu einer

evolutionsstrategischenevolutionsstrategischen

AlgebraAlgebra

1 +1( )2 - gliedrige Wettkampfsituation- ES ,+,

Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra

( ) - ES +,

Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra

/

Beispiel = 2

( ) - ES +,/ 2

Elter liefert nur die Hälfte der Erbinformation

( ) - ES +,

Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra

Beispiel:

(1+ 6)4 = (1+ 6) (1+ 6) (1+ 6) (1+ 6)

( ) - ES +,

Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra

Beispiel:

= (1, 6)8 + (1, 6)8

+ (1, 6)8 + (1, 6)84 (1, 6)8

2 ,

( ) - ES +,

Auf dem Weg zur geschachtelten Evolutionsstrategie

+,[ ]

' = Zahl der Eltern-Populationen' = Zahl der Nachkommen-Populationen

= Zahl der Eltern-Individuen = Zahl der Nachkommen-Individuen = Generationen der Isolation

'= Zahl der Populations-Generationen

Biologische Entsprechung der Strategie-Schachtelung

| Familie Gattung { Art [ Varietät ( Individuum ) ] } |

( ) - ES +,

Geschachtelte Evolutionsstrategie

+,[ ]

Evolution der ObjektvariablenEvolution der

Strategievariablen

Beispiel:

Mutative Schrittweitenregelung

( ) - ES +,

Geschachtelte Evolutionsstrategie

+,[ ]

Lokales GipfelsteigenSetzen von

Gründerpopulationen

Beispiel:

Globale Optimierung

[1, 3 ( , ) ]-ES

Gipfelspringen und mit der geschachtelten Evolutionsstrategie

Gipfelklettern

[1, 3 ( , ) ]-ES

Gipfelspringen und mit der geschachtelten Evolutionsstrategie

Gipfelklettern

Gründer

Populationen

[1, 3 ( , ) ]-ES

Gipfelspringen und mit der geschachtelten Evolutionsstrategie

Gipfelklettern

[1, 3 ( , ) ]-ES

Gipfelspringen und mit der geschachtelten Evolutionsstrategie

Gipfelklettern

[1, 3 ( , ) ]-ES

Gipfelspringen und mit der geschachtelten Evolutionsstrategie

Gipfelklettern

Evolutionsstrategische Optimierung eines

Freiträgers mit minimalem Gewicht

Evolutionsstrategische Optimierung einer

Fachwerkbrücke mit minimalem Gewicht

( ) - ES +,

Geschachtelte Evolutionsstrategie

+,[ ]

Aktuelle PositionGründerposition

Ortho-Evolution !

Dynamische Brückenoptimierung

Melancholie, Kupferstich von Albrecht Dürer aus dem Jahr 1514

Magisches Quadrat

Von den Anfängen

der Evolutionsstrategie

Wissenschaftler als Autoren von Science-Fiction

Johannes Alfven

Isaac Asimov

Wernher von Braun

Konrad Fialkowski

Stanislav Lem

Fred Hoyle

Konstantin Ziolkowski

Michael Crichton

Bob Shaw

Augen der Vergangenheit

d = 20 mm

C C

= 10 Atomlagen8

Speicherzeit = 1/10 s pro Atomschicht

10 Bilder/s Austritt nach 115 Tagen

Science-Fiction:

Langsamglas

Anatolij Dnjeprow

Insel der Krebse

Sich selbst reproduzierende Roboterkrebse

http://www.bionik.tu-berlin.de/institut/skript/inskreb.htm

Insel der Krebse: Eine Science-Fiction-Erzählung über künstliche Evolution, die bei der Entwicklung der Evolutionsstrategie Pate stand

U. Berg

Experiment „künstliche Evolution“

Gesucht ist ein einfaches technisches System mit den Eigenschaften:

1. Das System soll manuell mit geringstem Aufwand bei

vorgegebener Fehlerhäufigkeit reproduziert werden können.

2. Das System soll eine Qualität (Tauglichkeit) besitzen,

die besonders einfach gemessen werden kann.

Idee für ein mechanisches Evolutionsexperiment (1964)

Formgebungsproblem

Tragflügelprofil

Windkanal

Stahlhautprofil

„Darwin“ im Windkanal

Schlüsselexperiment mit der Evolutionsstrategie

1964

Zahl der Einstellmöglichkeiten:

515 = 345 025 251

Fiktive Mutationsmaschine

GALTONsches Nagelbrett

34

52

1

5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5

xi

+++++

x1

x2

x3

x4

x5

Analogien - Evolutionsstrategie

Biologie Technik

Erbanlagen, niedergeschrieben im DNA-Molekül (Genotyp)

Winkelgrade, notiert auf einem Protokollblatt

Sichtbares Erscheinungsbild eines Lebewesens (Phänotyp)

Eingestellte Form der Gelenkplatte im Windkanal

Zunehmende Tauglichkeit des Lebewesens in der Umwelt

Abnehmender Widerstand der Gelenkplatte im Windkanal

80400

2

4

6

0120 160 200 240 280 320

M u ta tio n e n

E rg e b n isW

ide

rsta

nd

Künstliche Evolution: Gelenkplatte im Windkanal

8040200 60 100 140 180

4

5

3

2

1

6

120 160 200M u ta tio n e n

E rg e b n isW

ide

rsta

nd

Künstliche Evolution: Gelenkplatte im Windkanal

Der Spiegel

18. November 1964

Manuelles und maschinelles Evolutionsexperiment

6 handbewegte Stangen (links) und 10 roboterbetätigte Seilzüge (rechts) mutieren einen Rohrkrümmer

1965

1980

Evolution Rohrkrümmer

Start Ergebnis

Start ErgebnisOptimaler 90°- Strömungskrümmer

Optimaler 180°- Strömungskrümmer

Heißwasserdampfdüse für das Evolutionsexperiment mutierbar gemacht

1

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43

44

0

45

SCHWEFELs Evolutionsexperiment mit einer Heißwasserdampfdüse

Evolution des Pferdefußes

Vom Eohippus zum Equus (60 Millionen Jahre)

Ende