Variación
Los candidatos difieren entre sí.
Algoritmos genéticos: una población de candidatos que se evalúa, se reproduce y genera nuevas variantes.
POBLACIÓN → VARIACIÓN
Los candidatos difieren entre sí.
Los descendientes reciben información de sus progenitores.
Algunas soluciones tienen mayor probabilidad de reproducirse.
El diseñador define la función de aptitud. Si una antena se optimiza solo por su ganancia en una dirección, puede perder cobertura en otras. Los requisitos omitidos quedan fuera de la presión de selección. Un candidato conserva su puntuación bajo las mismas condiciones.
El algoritmo no comienza con una única respuesta. Mantiene varias propuestas a la vez: esa es la población. Para compararlas necesita una regla de puntuación, llamada aptitud. Después utiliza esas puntuaciones para elegir quién puede aportar información a nuevos candidatos.
Crear una población de soluciones.
Evaluarlas con la función de aptitud.
Recombinar y mutar para generar descendientes.
¿Qué cambia de una generación a otra? Los candidatos que forman la población. Un individuo ya evaluado no aumenta su puntuación por el simple paso del tiempo: bajo las mismas condiciones conserva su aptitud. La mejora se observa al comparar candidatos entre generaciones.
En cada iteración, el algoritmo evalúa las soluciones y utiliza sus puntuaciones para favorecer la reproducción de algunas. La selección aprovecha esa información; el cruzamiento y la mutación permiten explorar candidatos distintos. El resultado depende de cómo se representan las soluciones, de qué se premia y del costo de evaluar cada candidato.
La variación significa que hay candidatos diferentes. La herencia permite que parte de su información pase a los descendientes. El éxito reproductivo diferencial hace que algunos candidatos tengan mayor probabilidad de contribuir a la siguiente generación. Al repetirse este proceso, puede cambiar la frecuencia de ciertos rasgos en la población.
En biología, la aptitud depende del ambiente y se relaciona con el éxito reproductivo. En el algoritmo, la función de aptitud la especifica el diseñador. Por eso, antes de buscar, hay que decidir qué características harán que una solución reciba una mejor puntuación.
Si la función de aptitud omite un requisito de la antena, ¿por qué el algoritmo no tiene por qué respetarlo?
Porque ese requisito no participa en la puntuación que guía la selección. Premiar solo la ganancia en una dirección puede favorecer diseños con poca cobertura en otras.
Genotipo: lo que manipula el algoritmo. Fenotipo: la solución que construye y evalúa.
Conjunto de candidatos activos; puede contener duplicados. Cada individuo es una solución evaluable.
Representación de la solución. Cada posición o variable puede tratarse como un gen.
Puntuación que guía la selección. Puede incorporar penalizaciones por restricciones.
Decide quién tiene oportunidad de reproducirse.
Combinan información y modifican aleatoriamente parte del cromosoma.
Decide quién forma la siguiente población. El elitismo preserva al menos al mejor.
En una ruta, un cromosoma puede ser una permutación de ciudades. Intercambiar segmentos sin más puede repetir una ciudad y omitir otra. Codificación, decodificación y operadores deben diseñarse conjuntamente. Muchas copias del mismo candidato reducen la variedad que puede recombinarse.
La cadena completa representa a un individuo del ejemplo. Cada posición es un gen y contiene un bit. La población inicial reúne cuatro individuos: 110000, 001110, 100100 y 000000. La función de aptitud cuenta los unos; por eso 001110 recibe 3.
El objetivo indica qué se quiere optimizar. La aptitud asigna una puntuación para orientar la selección y puede coincidir con la función objetivo o añadir penalizaciones por incumplir restricciones. En OneMax coinciden: se quiere maximizar la cantidad de unos y esa misma cantidad es la puntuación.
En la antena, la representación utiliza parámetros de geometría y la evaluación considera requisitos de diseño. Lo que la evaluación no premia ni penaliza queda fuera de la presión de selección.
Un individuo puede ser un diseño de antena. Su cromosoma puede ser un vector de longitudes y ángulos. El algoritmo modifica esa representación, construye la geometría correspondiente y evalúa el diseño resultante.
En un torneo binario se sortean dos candidatos y gana el de mayor aptitud entre esos dos. Un individuo inferior al mejor de toda la población aún puede ganar si su rival tiene una puntuación menor. La participación depende del sorteo; no significa que siempre se elija al mejor global.
El texto también menciona la selección proporcional a la aptitud. Los mecanismos ejercen presiones de selección distintas. Favorecer con mucha fuerza a los mejores puede acelerar su propagación y reducir pronto la diversidad disponible. Si abundan copias de un mismo candidato, el cruzamiento tiene menos información diferente que combinar.
La selección de progenitores decide quién contribuye a crear descendientes. El reemplazo decide quién permanece en la población activa. Un individuo puede reproducirse y desaparecer después. Con elitismo se copia al menos al mejor candidato actual sin modificarlo.
OneMax: maximizar el número de unos. f(x) = Σ xᵢ · Óptimo: 111111 → 6
Sorteos fijados del ejemplo original. No representa el rendimiento promedio. Seleccionar progenitores y seleccionar supervivientes son decisiones distintas.
Cuatro individuos, torneo binario y una copia élite. Se crean dos hijos por cruzamiento de un punto y se copia un tercer ganador de torneo. La mutación puede afectar a los descendientes. Se detiene al alcanzar 111111, el objetivo conocido. Los torneos permiten que un candidato participe y gane más de una vez. En otros problemas también puede detenerse por presupuesto de evaluaciones u otro criterio explícito. Existen variantes con incorporación gradual de descendientes.
Esta distribución corresponde al ejemplo compartido. El mejor individuo actual ocupa una plaza mediante elitismo. Dos torneos eligen a la pareja que produce los dos hijos. Un tercer torneo elige al candidato que se copia para la última plaza. La mutación puede afectar a los descendientes; en la trayectoria fijada solo cambia un bit durante el segundo ciclo.
El nombre superior indica el origen: candidato inicial, copia élite, hijo o copia del tercer ganador. Los seis cuadros muestran su cromosoma. La aptitud inferior cuenta sus unos. «Mejor» es la puntuación más alta de esa población; «Media» suma las cuatro puntuaciones y divide entre cuatro.
Durante selección, cruce y mutación, las tarjetas superiores siguen mostrando la población activa. Los candidatos nuevos aparecen en el panel de operación. Solo al llegar a reemplazo pasan a ocupar las plazas de la nueva población.
En OneMax se suman los seis bits. Para 001110: 0 + 0 + 1 + 1 + 1 + 0 = 3. Para 111110, la aptitud es 5. El máximo global es 6 y corresponde a 111111.
La media de G₀ es (2 + 3 + 2 + 0) / 4 = 1.75. En G₁ es (3 + 5 + 0 + 2) / 4 = 2.50. En G₂ es (5 + 6 + 3 + 2) / 4 = 4.00. La mejor aptitud y la media describen aspectos distintos de la población.
Se conserva 001110 como élite. En los torneos de la pareja, 110000 y 001110 vencen por separado a 000000. Al cruzar 11|0000 y 00|1110 se obtienen 11|1110 y 00|0000. Un tercer torneo elige 100100 frente a 000000; se incorpora su copia. No ocurre ninguna mutación.
El resultado reúne la élite, los dos hijos y la copia seleccionada: 001110, 111110, 000000 y 100100. El hijo de aptitud 5 supera a ambos padres; el de aptitud 0 queda por debajo de ambos.
Se conserva 111110. Para la pareja, 111110 vence a 100100 y 001110 vence a 000000. El corte vuelve a estar después del segundo bit. Como ambos segmentos finales son 1110, intercambiarlos no cambia los cromosomas.
Después se invierte el último bit del primer hijo: 111110 pasa a 111111. El tercer torneo vuelve a seleccionar 100100 frente a 000000. La población queda formada por 111110, 111111, 001110 y 100100.
Prueba el corte de un punto del ejemplo y observa una inversión aleatoria de bit.
Elige la pareja del primer o segundo ciclo. El corte permanece después del segundo bit.
Demostración ilustrativa: la probabilidad controla si se invierte el último bit de 111110. Este valor no está especificado por la fuente.
En la trayectoria fija, G₀ → G₁ no tiene mutaciones; G₁ → G₂ invierte el último bit del primer hijo. Este laboratorio no altera esa trayectoria.
Todos los candidatos iniciales tienen un cero en el último bit. El cruzamiento de un punto solo intercambia segmentos existentes: el uno en esa posición aparece por mutación. En otras representaciones, mutar puede perturbar un número real o intercambiar elementos de una permutación.
A: 11 | 0000 y B: 00 | 1110
↓ intercambiar únicamente los segmentos a la derecha del corte
Hijo 1: 11 | 1110 → aptitud 5
Hijo 2: 00 | 0000 → aptitud 0
El primer hijo conserva los dos primeros bits de A y recibe los cuatro últimos de B. El segundo hace lo contrario. En el segundo ciclo, los dos finales son 1110: el intercambio ocurre, pero las cadenas resultantes no cambian.
El control se aplica únicamente a invertir el último bit de 111110 en cada prueba. Con 0 % no se invierte; con 100 % siempre se invierte. Con un valor intermedio, el resultado depende del sorteo mostrado. No se exige una cantidad exacta de cambios en unas pocas pulsaciones.
El número sorteado se compara con la probabilidad elegida. Si es menor, ocurre la inversión. El valor del control es ilustrativo: la presentación no especifica una probabilidad numérica de mutación. Este experimento no añade reglas a la trayectoria fija de dos generaciones.
El corte divide cada progenitor en dos segmentos. El primer hijo recibe el inicio de A y el final de B; el segundo recibe el inicio de B y el final de A. Las etiquetas A y B y la línea de corte permiten seguir la herencia.
Con la pareja de G₁ los finales son idénticos: recombinar no modifica los cromosomas. Aplicar el operador no garantiza producir información diferente ni mejorar la aptitud.
La inversión transforma un cero en uno o un uno en cero. La fuente también contempla perturbaciones de números reales e intercambios en permutaciones: la operación debe corresponder a la representación.
En este laboratorio cada prueba parte del mismo cromosoma. El control modifica la probabilidad de la inversión concreta; los resultados aleatorios se muestran por separado del ejemplo de sorteos fijados.
Si todos los cromosomas tienen un cero en la última posición, ¿puede este cruzamiento producir un uno ahí?
No. El cruzamiento de un punto intercambia segmentos existentes. En el ejemplo, el uno final aparece al invertir ese bit mediante mutación. Esto permite distinguir el aporte de cada operador.
Un resultado asintótico no dice cuántas evaluaciones hacen falta para llegar al óptimo.
Bajo las hipótesis de su modelo, el algoritmo canónico sin preservar al mejor no converge al óptimo en el sentido analizado, aunque pueda visitarlo. Variantes que preservan al mejor presentan convergencia asintótica bajo las condiciones estudiadas.
Los esquemas describen patrones parciales. Si los genes interactúan, recombinar puede romper combinaciones útiles.
11**** agrupa cadenas que comparten los dos primeros bits. El teorema de los esquemas trata sus copias esperadas bajo operadores concretos. La dependencia entre genes se llama epistasis; el éxito en OneMax no se generaliza a variables fuertemente acopladas.
Mismo presupuesto de evaluaciones; medir calidad, factibilidad y variación entre semillas.
En ingeniería, cada evaluación puede requerir una simulación. Para atribuir una ventaja se necesitan alternativas comparadas bajo condiciones equivalentes. En OneMax, la solución se deduce directamente de la fórmula.
La subida de la media pertenece a esta trayectoria particular. No toda generación necesariamente mejora.
El elitismo conserva la mejor aptitud cuando la evaluación es determinista y el objetivo permanece fijo.
Con elitismo, evaluación determinista y objetivo fijo, la mejor aptitud permanece disponible.
La conservación del mejor no implica que todos los individuos ni la media mejoren en cada generación.
Los sorteos fijados permiten seguir las operaciones, pero no estiman el desempeño promedio.
En OneMax basta con contar seis bits. En ingeniería, evaluar cada candidato puede requerir una simulación. Un resultado de alta calidad debe interpretarse junto con el costo de encontrarlo. Una comparación informativa usa condiciones equivalentes y considera cuántas evaluaciones consume cada método.
Los resultados teóricos de convergencia y las comparaciones empíricas responden preguntas diferentes: el comportamiento al aumentar las iteraciones no garantiza llegar al objetivo dentro de un presupuesto práctico.
Visitar una solución óptima, conservarla y encontrarla dentro de un presupuesto práctico son cuestiones distintas. Los resultados de convergencia dependen de las hipótesis del modelo y se refieren al comportamiento al aumentar las iteraciones. No establecen por sí solos el costo de una ejecución concreta.
El patrón 11**** representa cualquier cadena de seis bits que empieza por 11. El teorema de los esquemas estudia cómo cambia el número esperado de copias de patrones parciales bajo operadores concretos. Permite razonar sobre su supervivencia bajo ciertas condiciones.
Si la utilidad de un gen depende mucho de otros, existe epistasis. Separar y recombinar segmentos puede romper combinaciones valiosas. Por eso el resultado de OneMax no basta para predecir el desempeño con variables fuertemente acopladas.
El mismo presupuesto permite comparar cuántas evaluaciones necesita cada método para obtener diseños factibles, qué calidad alcanza y cuánto varían los resultados entre semillas. Cuando evaluar implica una simulación costosa, ese presupuesto forma parte del problema.
El ejemplo de seis bits permite verificar cada operación a mano y aislar los operadores. Su solución se deduce de la fórmula; una trayectoria favorable sirve para explicar el mecanismo, pero no demuestra una ventaja frente a otros métodos.
Una antena de banda X para tres satélites: ancho de banda amplio, haz amplio y polarización circular.
Representar y simular
Geometrías candidatas evaluadas con un simulador electromagnético.
Ajustar los requisitos
El cambio de órbita llevó a modificar la aptitud. Nuevos diseños en menos de un mes.
Fabricar, probar, aprobar
Un diseño aprobado para los tres satélites, lanzados el 22 de marzo de 2006.
Ilustración esquemática de la misión; no representa la geometría de la antena.
Un enfoque utilizó parámetros reales para brazos sin ramificaciones. El otro empleó una representación generativa en árbol, propia de la programación genética, con ramificaciones. Cada representación delimitó las formas posibles. La evidencia incluyó simulación, comparación con un diseño convencional, ensayos físicos y operación en la misión.
El caso muestra por qué la calidad no depende solo de reproducir y mutar: también depende de qué diseños permite construir la representación y de qué requisitos se incluyen al evaluarlos.
Hornby, Lohn y Linden documentaron el diseño de la antena para Space Technology 5. El trabajo conectó la representación de geometrías con una evaluación electromagnética y con requisitos concretos de la misión. Cuando cambió la órbita prevista, también cambiaron los requisitos: hubo que ajustar qué se consideraba un buen diseño.
El enfoque con parámetros reales restringía los brazos a geometrías sin ramificaciones. La representación generativa en árbol, propia de la programación genética, permitía ramificaciones. La diferencia delimitaba qué formas podían aparecer durante la búsqueda.
El caso documenta un algoritmo genético con parámetros reales como parte del trabajo y el despliegue de un diseño obtenido mediante búsqueda evolutiva. No conviene confundir las dos representaciones ni atribuirlas a un único operador.
¿Por qué no bastaba con obtener una puntuación alta en el simulador?
La evidencia decisiva incluyó comparar con un diseño convencional, fabricar, ensayar físicamente y aprobar el diseño. El caso también documenta su operación en una misión espacial.
Una definición de «buena solución» se convierte en presión de selección repetida.
La codificación y los operadores deben alcanzar candidatos útiles sin perder pronto la diversidad.
OneMax aísla operadores; la aplicación real exige comparar, simular y validar físicamente.
Contenido basado exclusivamente en el texto facilitado por el usuario. No se consultaron fuentes teóricas adicionales.
Primero representamos las soluciones y definimos cómo puntuarlas. Después evaluamos una población y seleccionamos progenitores. El cruzamiento combina su información y la mutación modifica parte de ella. La política de reemplazo determina qué candidatos pasan a la generación siguiente. El proceso continúa hasta cumplir una condición de parada explícita.
En el ejemplo, el cruzamiento produce 111110 y la mutación permite obtener 111111. En la aplicación espacial, las geometrías se evalúan con simulación y la solución elegida se valida físicamente. El mecanismo explica cómo se explora; las comparaciones y las pruebas permiten juzgar qué resultados se han conseguido.
En OneMax, la representación y la aptitud son fáciles de leer: seis bits y su suma. En la antena, la representación describe geometrías y la evaluación requiere simulación. En ambos casos, la definición de aptitud orienta la reproducción de candidatos y los operadores delimitan las variantes que pueden aparecer.