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"Evolutionäre Algorithmen - Verfahren, Operatoren, Hinweise aus der Praxis"

Hartmut Pohlheim
Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag
322 Seiten, 105 Abbildungen und Tabellen
mit Matlab-Toolbox auf CD-ROM (GEATbx 1.95, Vollversion)
 
ISBN 3-540-66413-0 (erschienen: Oktober 1999)
Preis: DM 98,- DM
www.pohlheim.com/eavoh/

Glossar

Im Glossar werden viele Begriffe des Buches in Ursprung und Bedeutung erläutert. Besonderes Augenmerk wird auf die unterschiedliche Beschreibung im Kontext von Biologie/Genetik sowie im Bereich der Evolutionären Algorithmen gelegt.
Wenn Sie sich an der Erweiterung dieses Glossars beteiligen wollen, dann senden Sie bitte eine Email an den Autor. Dasselbe gilt für Hinweise auf Fehler bzw. Ungenauigkeiten.

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• Allel
• allelos (gr.) - einander, gegenseitig, wechselseitig
• Zustandsformen eines Gens (bei diploiden oder polyploiden Organismen)
  (bei haploiden Organismen sind Allel und Gen identisch)
• siehe auch: Dominanz, rezessiv

• bias
• (engl.) schräg, schief, Ablenkung nach einer Seite, Bevorzugung (einer Variante)
• (EA) absolute Differenz zwischen der normalisierten Fitneß eines Individuums und seiner erwarteten Reproduktionswahrscheinlichkeit,
  Parameter bei der Bewertung von Selektionsverfahren
• siehe auch: Selektion, spread

• binär-kodiert
• siehe: Kodierung

• Chromosom
• chromos (gr.) - Farbe, soma (gr.) - Körper;     färbbare Körper
• (biol.) Träger der im Zellkern enthaltenen Erbinformation eines Lebewesens
• siehe auch: Diploidie

• Chromosomensatz
• (biol.) Anzahl der im haploiden Zustand vorhandenen Chromosomen (Grundzahl, Basiszahl)
• siehe auch: Chromosom

• crossover
• crossing-over (engl.) - überkreuzen
• (biol.) Mechanismus, der zum Austausch von Genen zwischen homologen Chromosomen (in der Prophase der Meiose) führt
• (EA) Synonym für Rekombination (vor allem im amerikanischen Sprachraum benutzt)
• siehe auch: Rekombination

• crowding
• (engl.) wimmeln, zusammengedrängt sein, gefüllt sein
• (EA) der Selektionsdruck auf viele ähnlichen Individuen ist größer als auf Individuen, die sich voneinander stärker unterscheiden; Kampf um begrenzte Ressourcen - Individuen in weniger bevölkerten Nischen haben eine höhere Lebens- und Fortpflanzungswahrscheinlichkeit, als Individuen in überfüllten Nischen
• siehe auch: niching, sharing

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• deme
• demos (gr.) - Volk
• (biol.) letzte natürliche Einheit in sich sexuell fortpflanzenden Arten, die aus taxonomisch eng verwandten Individuen besteht; lokale Populationen, in denen Panmixie herrscht
• (EA) Unterpopulation; Fortpflanzungsgemeinschaft (Selektionspool)
• siehe auch: Unterpopulation, Selektionspool

• diploid / Diploidie
• diplous (gr.) - zweifach, doppelt
• (biol.) doppelter Chromosomensatz in der Zelle; normaler genetischer Zustand höherer Organismen
• siehe auch: haploid, polyploid

• diversity
• (engl.) Vielfalt, Verschiedenheit, Mannigfaltigkeit; diversus (lat.) - verschieden
• Maß für die Verschiedenheit bzw. Mannigfaltigkeit von Individuen
• siehe auch: loss of diversity

• Domain (einer Variable)
• (engl.) Gebiet
• (EA) Definitionsbereich einer Variablen;
  Bereich aller möglichen Werte, die eine Variable annehmen kann, wird oft durch eine untere und eine obere Schranke begrenzt

• Dominanz
• dominare (lat.) herrschen, vorherrschen
• (biol.) ein dominantes Allel hat Vorrang über alle anderen Allele (die rezessiven Allele), das dominante Allel bestimmt die Merkmalsausprägung
• siehe auch: rezessiv

• Duplikation
• (engl.) Verdopplung
• (EA) evolutionärer Operator
• siehe auch: Inversion, Mutation, Rekombination

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• elitism
• (engl.) Auswahl der Elite (der Besten)
• (EA) das beste Individuum/die besten Individuen der alten Generation überleben in die neue Generation _ elitest Selektion
• siehe auch: Selektion, generation gap

• epistasis
• (biol.) Interaktion zwischen Genen
• siehe auch: korrelierte Variablen

• Fitneß
• Leistungsfähigkeit, Eignung
• (biol.) Fortpflanzungswahrscheinlichkeit eines Individuums im Vergleich zu anderen Individuen in demselben Lebensraum
• (EA) Fortpflanzungswahrscheinlichkeit eines Individuums im Vergleich zu allen anderen Individuen in demselben Selektionspool
• siehe auch: Zielfunktion, Zielfunktionswert

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• gekoppelte Variablen
• siehe: korrelierte Variablen

• Generation
• (biol.) aufeinanderfolgende Nachkommenschaften
• (EA) zwei Bedeutungen werden verwendet: aufeinanderfolgende Nachkommenschaften und Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Nachkommenschaften

• generation gap
• (engl.) Generationslücke
• (EA) Verhältnis zwischen der Anzahl der Nachkommen und der Anzahl der Individuen in der Elternpopulation; (0,9: (0,9 · Anzahl der Eltern) Nachkommen werden gebildet; 3,0: es werden drei mal so viele Nachkommen gebildet, wie Eltern in der Population sind)

• Gen
• (gr.)
• (biol.) an spezifischer Stelle eines Chromosoms lokalisierbare Erbanlage
• siehe auch: Allel

• Genotyp
• (biol.) Gesamtheit der Erbinformation im Zellkern, Teil des Idiotyps
  Idiotyp: Gesamtheit der Erbinformation einer Zelle,
  Plasmotyp: Gesamtheit der Erbinformation im Zytoplasma (alles außerhalb des Zellkerns)
• siehe auch: Phänotyp

• gray-kodiert
• siehe: Kodierung

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• haploid / Haploidie
• haplous (gr.) - einzeln, einfach
• (biol.) einfacher Chromosomensatz in der Zelle, normaler genetischer Zustand von Prokaryoten und von eukaryotischen Keimzellen nach der Meiose.
• siehe auch: diploid, polyploid

• heterozygous
• hetero (gr.) - verschieden, ungleich, zygous (gr.) - befruchtete Eizelle;
  ungleicherbig, gemischterbig
• (biol.) diploide bzw. polyploide Zellen, in denen mindestens ein Allel unterschiedlich ist
• siehe auch: homozygous, diploid, polyploid

• homozygous
• homo (gr.) - gleich, zygous (gr.) - befruchtete Eizelle;
  reinerbig
• (biol.) beide bzw. alle Chromosomensätze sind gleich
• siehe auch: heterozygous, diploid, polyploid

• Individuum
• individuus (lat.) - losgelöst, selbständig, unteilbar
  ein einzelnes Wesen aus einer Gruppe oder Art, das in sich abgeschlossen ist
• (biol.) Tier: geschlossenes System, Pflanze: offenes System
• (EA) ein Individuum stellt jeweils eine Lösung für das bearbeitete Problem dar (ein Punkt im Suchraum); ein Individuum besteht aus Variablen, mehrere Individuen bilden eine (Unter-)Population
• siehe auch: Variable

• Inversion
• (engl.) Umkehrung
• (EA) evolutionärer Operator
• siehe auch: Duplikation, Mutation, Rekombination

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• Kodierung
• Art der Darstellung der Information
• (EA) unterschieden wird zwischen: 1. Darstellung im Format der Variablen des Problems und 2. Umsetzung der Variablen in ein anderes Format, z.B. reelle oder ganzzahlige Variablen werden als eine Kette von binären Zahlen dargestellt
• binäre Kodierung: binär - zweiwertig
  (EA) Darstellung der Variablen eines Individuums durch binäre Zahlen; ganzzahlige Zahlen lassen sich eindeutig durch binäre Zahlen darstellen, reelle Zahlen müssen diskretisiert werden, bevor sie durch binäre Zahlen dargestellt werden können
• Gray-Kodierung (nach Frank Gray):
  (EA) Darstellung der Variablen eines Individuums durch binäre Zahlen, wobei benachbarte Werte der Variablen durch solche binäre Zahlen kodiert werden, die sich in ihrer Repräsentation nur in einer Bitposition unterscheiden. Wenn die Werte der Variablen schrittweise verändert werden, so verändert sich dadurch in jedem Schritt die entsprechende binäre Zahl nur an einer Stelle. Ganzzahlige Zahlen lassen sich direkt mittels eines Gray-Kodes in binäre Zahlen umsetzen, reelle Zahlen müssen vorher diskretisiert werden.

• korrelierte Variablen
• correlatio (lat.) - Wechselbeziehung
• auch: epistasis oder gekoppelte Variablen (coupled variables)
• (EA) Beim Vorliegen korrelierter Variablen kann durch die Veränderung nur einer Variablen keine Verbesserung der Zielfunktion erreicht werden, es müssen alle korrelierten Variablen zusammen und in die richtige Richtung verändert werden. Die Stärke dieser Kopplung/Korrelation zwischen den Variablen entscheidet über die Schwierigkeit der Zielfunktion.
• Die Variablen eines Systems sind unkorreliert, wenn das System separabel ist (keine Wechselwirkung zwischen den Variablen), ansonsten liegt eine Korrelation zwischen den Variablen vor. Die Stärke der Korrelation hängt von der Wechselwirkung der Variablen untereinander ab und läßt sich nicht allgemein beschreiben. Im Rahmen der Optimierung kann man sich den Weg zum Optimum bei stark korrelierten Variablen als ein schmales und gebogenes Tal vorstellen. Ein klassisches Beispiel eines solchen Systems ist Rosenbrock's Funktion, auch Bananenfunktion genannt.

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• Lösungsraum
• Menge der zulässigen Lösungen eines Optimierungsproblems

• loss of diversity
• (engl.) Verlust an Vielfalt/Mannigfaltigkeit/Diversität
• (EA) Anteil der Individuen des Selektionspools, die während einer Selektionsphase nicht ausgewählt werden (die Individuen/Information, die bei einer vollständigen Ersetzung der Elternpopulation durch die Nachkommenpopulation verloren gehen würden); Parameter bei der Bewertung von Selektionsverfahren
• siehe auch: diversity

• Migration
• migrare (lat.) - wandern, fortziehen, auswandern
• (biol.) Austausch von Individuen zwischen Populationen
• (EA) Wanderung bzw. Bewegung von Individuen von einer Unterpopulation zu anderen Unterpopulationen

• Mutation
• mutare (lat.) - springen
• (biol.) sprunghaft auftretende Veränderung der Information eines Individuums, meist zufällig oder mit zufälligen Elementen
• (EA) evolutionärer Operator (z.B. Umschalten einer binären Zahl, Addition einer Zufallszahl zu einer diskreten oder reellen Zahl, Austausch von Teilbäumen bei Strukturen, Austausch von Variablen in Reihenfolgeproblemen)
• siehe auch: Rekombination

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• niching
• niche (engl.) - Nische
• (EA) Ausbildung von Nischen (Gruppen voneinander räumlich getrennter Individuen) durch die Arbeit des Evolutionären Algorithmus, z.B. sharing und mehrkriterielles Ranking
• siehe auch: sharing

• offline Performanz
• (EA) Maß für den Fortschritt einer Population durch Bewertung der Güte des besten Individuums einer Population
• siehe auch: online Performanz

• online Performanz
• (EA) Maß für den Fortschritt einer Population durch Bewertung der durchschnittlichen Güte einer Population
• siehe auch: offline Performanz

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• panmictic
• (engl.) uneingeschränkt
  Panmixie (gr.) - Mischung
• (biol.) Bezeichnung für die zufällige Paarung von zwei verschiedengeschlechtlichen Individuen in einer Population. In sehr großen Populationen haben zwei beliebige verschiedengeschlechtliche Individuen die gleiche Paarungswahrscheinlichkeit.
• (EA) panmictische Population: keine Beschränkungen innerhalb der Population für die Selektion von Individuen (im Gegensatz zu einer in Unterpopulationen unterteilten Population bzw. einer Population, in der eine lokale Selektion stattfindet)
• siehe auch: Selektion

• Pareto-Dominanz
• (EA) Ein Vektor a = (a₁,...,a_n) dominiert einen Vektor b = (b₁,...,b_n) dann und nur dann wenn gilt:

• Pareto-Optimalität
• (EA) Ein Individuum A ist dann Pareto-optimal, wenn es kein anderes Individuum B gibt, durch dessen Kriterienvektor, b = f(B) = (b₁,...,b_n), der Kriterienvektor des Individuums A, a = f(A) = (a₁,...,a_n), dominiert wird.
• siehe auch: Pareto-Dominanz

• Phänotyp
• phen (gr.) - Merkmal, Erscheinung, das Erscheinende
• Gesamtheit der Merkmale eines Individuums
• siehe auch: Genotyp

• Permutation
• Vertauschung
• eine Permutation von (1, 2, ..., n) ist ein n-dimensionaler Vektor, dessen Elemente höchstens durch Vertauschungen von (1, 2, ..., n) entstehen

• polyploid /Polyploidie
• polyo (gr.) - viel, polyplous (gr.) - vielfältig
• (biol.) mehrfache (mehr als zwei) Ausführung des haploiden Genoms in einem Zellkern
• siehe auch: diploid, haploid

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• Ranking (rank-based fitness assignment)
• rank (engl.) - Reihe, Reihenfolge
• (EA) Verfahren der Fitneßzuweisung, wobei nur der Rang eines Individuums in der sortierten Reihe der Zielfunktionswerte verwendet wird und nicht der Wert des Zielfunktionswertes
• siehe auch: Selektion

• Rekombination
• recombinare (lat.) - neu verteilen, wieder vereinigen
• (biol.) intrachromosomale R.: Austausch von Allelen zwischen homologen Chromosomen, chromosomale R.: Neuverteilung von ursprünglich väterlichen und mütterlichen Chromosomen bei der Meiose (Reduktionsteilung) und Zusammenführung von einfachen Chromosomensätzen bei der Befruchtung
• (EA) evolutionärer Operator; Erstellung neuer Individuen durch Kombination bzw. Neuverteilung der Information zweier oder mehr Individuen (Eltern)
• siehe auch: crossover

• rezessiv
• (lat.) überdeckt
• (biol.) Allel, das sich im heterozygoten Zustand nicht ausprägt
• siehe auch: Dominanz

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• Selektion
• selectio (lat.) - Auswahl
• (biol.) Begriff der Populationsgenetik, Auslese, Auswahl, Zuchtwahl
• (EA) Auswahl von Individuen aus einem Selektionspool entsprechend der Fitneß der Individuen für die Produktion von Nachkommen
• siehe auch: S.-druck, S.-intensität, S.-pool, S.-varianz, bias, spread, loss of diversity

• Selektionsdruck (selective pressure)
• (biol.) Maßstab für die Stärke der Selektionswirkung in einer Population
• (EA) Parameter der Selektion: Wahrscheinlichkeit der Auswahl des besten Individuums, verglichen mit der durchschnittlichen Selektionswahrscheinlichkeit aller Individuen des Selektionspools

• Selektionsintensität (selection intensity)
• (EA) Parameter der Selektion: erwarteter durchschnittlicher Fitneßwert der selektierten Individuen nach einer durchgeführten Selektion (Voraussetzung: die Fitneßwerte des Selektionspools sind normal verteilt)

• Selektionspool
• (EA) Bereich der Population, der alle Individuen enthält, die zusammen zur Auswahl der Reproduktionspartner (Eltern) in Betracht gezogen werden. Bei einer Gesamtpopulation ist dies z.B. die Population, bei der Verwendung des regionalen Modells zur Unterteilung der Population in Unterpopulationen jeweils eine Unterpopulation und beim lokalen Modell die lokale Nachbarschaft.
• siehe auch: Selektion, deme, panmictic

• Selektionsvarianz (selection variance)
• (EA) erwartete Varianz der Fitneßwerte der selektierten Individuen nach einer durchgeführten Selektion (Voraussetzung: die Fitneßwerte des Selektionspools sind normal verteilt); Parameter bei der Bewertung von Selektionsverfahren

• sharing
• (engl.) verteilen
• (EA) verteilen der räumlich begrenzten Ressourcen auf die Individuen;
  liegen viele Individuen im Suchraum dicht beieinander, dann sind die Ressourcen in diesem Bereich bald aufgebraucht, weitere Individuen können nicht in diesen Bereich gelangen; dadurch kommt es zu einer Verteilung der Individuen im Suchraum, z.B. auf mehrere vielversprechende Bereiche
• siehe auch: niching

• spread
• (engl.) Ausdehnung, Spannweite
• (EA) Bereich der möglichen Werte für die Anzahl der Nachkommen eines Individuums; Parameter bei der Bewertung von Selektionsverfahren
• siehe auch: Selektion, bias

• subpopulation
• (engl.) Unterpopulation
• siehe auch: Unterpopulation

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• Traveling Salesman Problem (TSP)
• (engl.) Problem des Handlungsreisenden
• Kombinatorisches Problem, bei dem der kürzeste Rundreiseweg gesucht ist, den ein Handlungsreisender nimmt, wenn er von einem Ausgangsort aus vorgegebene Orte genau einmal besucht und wieder zum Ausgangsort zurückkehrt.
• Einige praktische Optimierungsprobleme lassen sich direkt oder teilweise auf dieses Problem zurückführen.

• Unterpopulation
• subpopulation (engl.)
• (EA) Teil der Individuen einer Population, die untereinander Nachkommen bilden können (zu einem Selektionspool gehören), aber nicht mit den anderen Individuen der Population in Verbindung stehen
• siehe auch: Migration, deme

• Variable
• (EA) Teil eines Individuums, die Gesamtheit der Variablen bildet ein Individuum
• reelle Variable (auch kontinuierliche Variable): kann beliebige reelle Werte innerhalb vorgegebener Grenzen annehmen (lb <= x <= ub), lb stellt die untere Schranke dar (lower bound) und ub die obere Schranke (upper bound)
• diskrete Variable: kann nur bestimmte Werte annehmen
• ganzzahlige Variable: diskrete Variable, die nur ganzzahlige Werte innerhalb vorgegebener Grenzen annehmen kann (lb <= x<=ub)
• binäre Variable: spezielle ganzzahlige Variable mit lb = 0 und ub = 1
• siehe auch: Allel

• Zielfunktion
• auch: Gütefunktion
• (EA) definiert das zu optimierende Kriterium bei einer Optimierungsaufgabe (und damit das zu lösende Problem);
  die Zielfunktion erhält als Eingabeparameter ein Individuum (sowie zusätzliche problemspezifische Parameter), berechnet damit die Zielfunktion und liefert als Ausgabe den Zielfunktionswert für dieses Individuum
• siehe auch: Fitneß

• Zielfunktionswert
• objective value (engl.), auch: Gütewert
• (EA) Wert, den die Zielfunktion für ein Individuum liefert; gibt die Güte eines Individuums an; der Zielfunktionswert ist problemspezifisch (z.B. Wertebereich, Skalierung)
• der Zielfunktionswert entspricht nicht der Fitneß; allerdings kann der Zielfunktionswert als Fitneß verwendet werden
• siehe auch: Fitneß

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Bei der Arbeit am Glossar fanden u.a. die folgenden Quellen Verwendung: [Fwb63], [Hen95], [RM54], [Wer68], [Lit92] und [Fon95].

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