Fundamentos de computación evolutiva

Enrique J. Carmona Suárez, Severino Fernández Galán

• Publisher: Marcombo
• Year: 2021
• eBook ISBN: 9788426733344
• Edition: 1
• Topic: Ciencia de la computación
• Subtopic: Ciencias computacionales general

La computación evolutiva puede mejorar su vida y la del resto de personas. ¿Quiere saber cómo?Adéntrese en este libro y descubra la computación evolutiva, una rama de la inteligencia artificial formada por una familia de algoritmos de optimización global: los algoritmos evolutivos.Inspirados en la evolución natural, los algoritmos evolutivos son capaces de obtener soluciones equiparables a las de expertos humanos en gran variedad de problemas. Además, son atractivos por aportar soluciones novedosas y brillantes que podrían ser difíciles de lograr por un humano.A lo largo de las últimas décadas, han surgido diferentes variantes de algoritmos evolutivos como resultado del gran interés que han despertado en la comunidad científica. En esta guía encontrará explicaciones detalladas de: oLas subáreas de la computación evolutiva, desde las ideas pioneras hasta las más actuales y novedosas.oLos principales tipos de algoritmos evolutivos.oLas técnicas avanzadas que dotan a estos algoritmos de mayor potencia y versatilidad.Si quiere conseguir una perspectiva global sobre la computación evolutiva, tiene a su alcance el libro adecuado: no pierda la oportunidad de leerlo.Los autores del libro son profesores titulares en el área de Ciencia de la Computación e Inteligencia Artificial y pertenecen al Departamento de Inteligencia Artificial de la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED). Además de su actividad en docencia, realizan investigación en diferentes campos de la inteligencia artificial y de la computación evolutiva.

Parte I

Algoritmos evolutivos

Capítulo 1

Introducción a la computación evolutiva

La computación evolutiva [Bäck et al., 2000a, Bäck et al., 2000b, Eiben & Smith, 2003, de Jong, 2006] es una rama de las ciencias de la computación que usa métodos de búsqueda estocástica basados en la evolución natural de cara a resolver problemas de optimización en campos como planificación, diseño o control, entre otros muchos. En estos campos son numerosas las aplicaciones de interés a que ha dado lugar la computación evolutiva en las últimas décadas. Los algoritmos evolutivos resultan atractivos tanto por su capacidad de obtener soluciones equiparables a las de expertos humanos como por la sorprendente facilidad con que aportan soluciones novedosas y brillantes que quedan fuera del razonamiento humano.

El presente capítulo, que introduce los conceptos básicos utilizados en computación evolutiva y ofrece una perspectiva global de la misma, queda organizado del siguiente modo. En primer lugar, la sección 1.1 revisa los conceptos fundamentales de la evolución natural en los que se inspira la computación evolutiva. Seguidamente, la sección 1.2 repasa el desarrollo histórico de la computación evolutiva. La sección 1.3 trata diferentes aspectos de carácter genérico de un algoritmo evolutivo canónico. A continuación, la sección 1.4 analiza los algoritmos evolutivos como método de búsqueda en un espacio de estados. Por último, la sección 1.5 revisa un conjunto relevante de aplicaciones a que ha dado lugar la computación evolutiva en diferentes dominios del mundo real.

1.1 Inspiración en la biología

La computación evolutiva es un área de investigación que trata de resolver problemas inspirándose en el proceso de la evolución natural. Por ello, puede resultar revelador realizar un primer acercamiento a cómo la teoría de la evolución, tanto a nivel macroscópico como microscópico, permite explicar el origen de la diversidad biológica y describir cuáles son, y cómo actúan, los mecanismos más importantes que intervienen en el proceso evolutivo.

1.1.1 Teoría de la evolución

El conocido libro El origen de las especies (The origin of species en inglés) o, más exactamente, El origen de las especies mediante la selección natural o la conservación de las razas favorecidas en la lucha por la vida, fue escrito por Charles Darwin en 1859 [Darwin, 1859]. En dicho libro, el autor expuso por primera vez sus ideas científicas sobre la teoría de la evolución y la selección natural. La teoría de la evolución fue admitida por la comunidad científica aun en vida de su autor, y la selección natural se convirtió en la explicación general del proceso de evolución, formando en la actualidad la base del pensamiento evolucionista contemporáneo. Una versión adaptada de su pensamiento constituye la base de la biología moderna y, a partir de ella, se consigue obtener una explicación lógica unificadora de la biodiversidad.

En la evolución, desde un punto de vista macroscópico, la selección natural juega un papel crucial: dado un entorno que puede alojar un número limitado de individuos, que poseen el instinto básico de reproducirse, el mecanismo de selección favorecerá a aquellos individuos con mayor aptitud para reproducirse. Normalmente, esta aptitud reproductiva es directamente proporcional a la capacidad de los individuos para competir por los recursos. Individuos más competitivos tienen más probabilidad de sobrevivir y, por tanto, de reproducirse. Es lo que se conoce como supervivencia del más apto.

Si bien la selección natural es un mecanismo crucial para que exista evolución, esta requiere también de variación genética. Aquí entra en juego la genética molecular, aportando el punto de vista microscópico de la evolución. De acuerdo a la genética, cada individuo es una entidad dual: sus propiedades fenotípicas expresan lo que marcan sus genes. El fenotipo corresponde al conjunto de propiedades morfológicas, fisiológicas, bioquímicas y conductuales exhibidas por un organismo y que directamente intervienen en la respuesta provocada por su relación con el entorno, incluyendo otros individuos, determinando así su grado de adaptación. De otro lado, los genes son unidades funcionales de herencia que codifican propiedades fenotípicas, es decir, el genotipo de un individuo codifica su fenotipo. En los organismos biológicos, la relación entre genes y características fenotípicas no es necesariamente una a una: un gen podría afectar a varios rasgos fenotípicos y, a su vez, un rasgo fenotípico podría ser expresado por más de un gen. Las variaciones fenotípicas son causadas siempre por variaciones genéticas, las cuales, a su vez, son provocadas por recombinación de genes durante la reproducción sexual o por mutación genética.

Las diferentes versiones de un mismo gen reciben el nombre de alelos. Por ejemplo, los humanos pueden tener los alelos A, B u O, que determinan diferentes propiedades de su tipo de sangre. La mayoría de los animales, incluyendo los humanos, están formados por células diploides, es decir, células que contienen una dotación doble de cromosomas (23 pares en el caso humano). Por tanto, existen dos alelos de cada gen en cada locus, uno heredado de la madre y el otro heredado del padre. Un locus es la localización de un gen en un cromosoma. Los humanos pueden ser AA, AB, AO, BB, BO u OO en el locus que codifica cada grupo de sangre. La excepción a esta regla son los gametos, células que intervienen en el proceso de reproducción, y que poseen una dotación simple de cromosomas (células haploides).

El genoma constituye la información genética completa de un individuo, mientras que el acervo genético es el conjunto de todos los genes de una especie o población. Los genes de cada individuo se agrupan en estructuras lineales formando cromosomas, 46 en el ser humano y, a su vez, la materia prima de la que está constituida cada cromosoma es el ADN (ácido desoxirribonucleico), es decir, la famosa doble hélice que codifica la totalidad de un organismo. El proceso mediante el cual un gen es capaz de expresar su fenotipo se abordará en la siguiente sección.

1.1.2 Del ADN a las proteínas

A finales del siglo XIX, Mendel fue el primero en investigar y comprender la herencia en organismos diploides. Posteriormente, la genética moderna ha añadido muchos detalles a la primera aportación mendeliana, pero aún hoy día estamos lejos de comprender completamente todos los procesos genéticos. Lo que sí se sabe es que toda la vida en la Tierra está basada en la molécula de ADN. Básicamente, el ADN es una doble cadena, adoptando la configuración de una doble hélice, en la que aparecen cuatro tipos de eslabones, denominados nucleótidos, cuyos nombres son: ácido adenílico, ácido guanílico, ácido citosílico y ácido timílico. Si comparásemos los cuatro tipos de nucleótidos con los caracteres de un alfabeto, se puede considerar el ADN total de un organismo como un libro en el que todas las letras, palabras, frases y párrafos están ensamblados conjuntamente, constituyendo una larga cadena que codifica todas las partes y funciones de dicho organismo.

En la analogía anterior, los genes, que son fragmentos de la cadena, equivalen aproximadamente a las frases del libro. Así, un gen es una secuencia de letras (nucleótidos) que codifica una determinada estructura o función de un organismo. Los genes están engarzados uno a continuación de otro en la larguísima cadena de ADN. Diferentes tripletas de nucleótidos en un g...

Table of contents

• Cubierta
• Título
• Créditos
• Índice general
• Prólogo
• I Algoritmos evolutivos
• II Técnicas avanzadas en computación evolutiva
• Anexo A: Traducción de términos relevantes del libro
• Bibliografía