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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
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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung „Evolutionsstrategie I“
Von der „Insel der Krebse“ zum ES-Kalkül
Geschichte, Gegenwart und Zukunft der Evolutionsstrategie
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Biologische Evolution
in Kurzform
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1
Schleimklumpen in der Ursuppe der Erde
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2
Im Urozean entwickeln sich die Fische
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3
Vorsichtig erobert das Leben das Land
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4
Unsere Vorfahren erklettern die Bäume
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5
Die Krönung der Evolution denkt über
seine Entstehung nach
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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
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EvolutionEvolution einer Augenlinse einer Augenlinse
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Fdk
qk
Verformbarer Glaskörper als Evolutionsobjekt
0 2 kk kk k ddq MinundMin
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Auf dem Weg zu einerAuf dem Weg zu einer
evolutionsstrategischenevolutionsstrategischen
AlgebraAlgebra
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1 +1( )2 - gliedrige Wettkampfsituation- ES ,+,
Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra
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( ) - ES +,
Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra
/
Beispiel = 2
( ) - ES +,/ 2
Elter liefert nur die Hälfte der Erbinformation
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( ) - ES +,
Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra
Beispiel:
(1+ 6)4 = (1+ 6) (1+ 6) (1+ 6) (1+ 6)
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( ) - 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 ,
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( ) - 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
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Biologische Entsprechung der Strategie-Schachtelung
| Familie Gattung { Art [ Varietät ( Individuum ) ] } |
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( ) - ES +,
Geschachtelte Evolutionsstrategie
+,[ ]
Evolution der ObjektvariablenEvolution der
Strategievariablen
Beispiel:
Mutative Schrittweitenregelung
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( ) - ES +,
Geschachtelte Evolutionsstrategie
+,[ ]
Lokales GipfelsteigenSetzen von
Gründerpopulationen
Beispiel:
Globale Optimierung
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[1, 3 ( , ) ]-ES
Gipfelspringen und mit der geschachtelten Evolutionsstrategie
Gipfelklettern
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[1, 3 ( , ) ]-ES
Gipfelspringen und mit der geschachtelten Evolutionsstrategie
Gipfelklettern
Gründer
Populationen
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[1, 3 ( , ) ]-ES
Gipfelspringen und mit der geschachtelten Evolutionsstrategie
Gipfelklettern
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[1, 3 ( , ) ]-ES
Gipfelspringen und mit der geschachtelten Evolutionsstrategie
Gipfelklettern
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[1, 3 ( , ) ]-ES
Gipfelspringen und mit der geschachtelten Evolutionsstrategie
Gipfelklettern
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Evolutionsstrategische Optimierung eines
Freiträgers mit minimalem Gewicht
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Evolutionsstrategische Optimierung einer
Fachwerkbrücke mit minimalem Gewicht
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( ) - ES +,
Geschachtelte Evolutionsstrategie
+,[ ]
Aktuelle PositionGründerposition
Ortho-Evolution !
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Dynamische Brückenoptimierung
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Melancholie, Kupferstich von Albrecht Dürer aus dem Jahr 1514
Magisches Quadrat
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Von den Anfängen
der Evolutionsstrategie
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Wissenschaftler als Autoren von Science-Fiction
Johannes Alfven
Isaac Asimov
Wernher von Braun
Konrad Fialkowski
Stanislav Lem
Fred Hoyle
Konstantin Ziolkowski
Michael Crichton
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Bob Shaw
Augen der Vergangenheit
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d = 20 mm
C C
= 10 Atomlagen8
Speicherzeit = 1/10 s pro Atomschicht
10 Bilder/s Austritt nach 115 Tagen
Science-Fiction:
Langsamglas
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Anatolij Dnjeprow
Insel der Krebse
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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
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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.
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Idee für ein mechanisches Evolutionsexperiment (1964)
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Formgebungsproblem
Tragflügelprofil
Windkanal
Stahlhautprofil
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„Darwin“ im Windkanal
Schlüsselexperiment mit der Evolutionsstrategie
1964
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Zahl der Einstellmöglichkeiten:
515 = 345 025 251
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Fiktive Mutationsmaschine
GALTONsches Nagelbrett
34
52
1
5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5
xi
+++++
x1
x2
x3
x4
x5
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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
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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
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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
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Der Spiegel
18. November 1964
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Manuelles und maschinelles Evolutionsexperiment
6 handbewegte Stangen (links) und 10 roboterbetätigte Seilzüge (rechts) mutieren einen Rohrkrümmer
1965
1980
Evolution Rohrkrümmer
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Start Ergebnis
Start ErgebnisOptimaler 90°- Strömungskrümmer
Optimaler 180°- Strömungskrümmer
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Heißwasserdampfdüse für das Evolutionsexperiment mutierbar gemacht
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0
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SCHWEFELs Evolutionsexperiment mit einer Heißwasserdampfdüse
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Evolution des Pferdefußes
Vom Eohippus zum Equus (60 Millionen Jahre)
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Ende