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Explorando os algoritmos genéticos em Python: Tipos, Funções e Aplicações

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por Redação 360
| 01/06/2023 4 min
Imagem reproduzida de GeekHunter Blog

Explorando os algoritmos genéticos em Python: Tipos, Funções e Aplicações

por Redação 360 | 01/06/2023
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Os algoritmos genéticos são uma poderosa abordagem para problemas complexos de otimização e busca. Neste texto do Engenharia 360, exploraremos os algoritmos genéticos em Python, discutindo seus tipos, funções e aplicações em diversas áreas. Aprenderemos a implementar e personalizar esses algoritmos usando bibliotecas e técnicas disponíveis em Python, permitindo-nos resolver problemas desafiadores de forma eficiente. Prepare-se para mergulhar na área fascinante da computação evolucionária com algoritmos genéticos em Python!

algoritmos genéticos em Python
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O que são algoritmos genéticos em Python?

Os algoritmos genéticos em Python são uma técnica de otimização inspirada na evolução biológica - evolução natural e recombinação genética. Eles resolvem problemas complexos em programação encontrando soluções aproximadas. Resumidamente, funcionam criando uma "população inicial" de soluções candidatas representadas por genes. E cada solução é avaliada usando uma função de aptidão.

Em seguida, ocorre um processo de evolução ao longo de várias "gerações". Os modelos mais aptos têm maior chance de "reprodução", por meio de operadores genéticos, cruzamentos e "mutações". Esses operadores geram uma nova "geração" com características herdadas dos "pais".

Por último, o processo de "seleção, reprodução e mutação" é repetido até encontrar uma solução satisfatória ou atingir um critério.

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Existem vários tipos de algoritmos genéticos em Python, entre os quais destacam-se:

  • Algoritmos Genéticos Padrão: seguem o fluxo de seleção, reprodução e mutação descrito acima.
  • Algoritmos Genéticos Multiobjetivo: otimizam múltiplos objetivos simultaneamente, buscando um conjunto de soluções de Pareto ótimas.
  • Algoritmos Genéticos com Restrições: levam em consideração restrições adicionais durante a avaliação e evolução dos indivíduos.
  • Algoritmos Genéticos com Memória: utilizam informações de soluções passadas para guiar a busca.
  • Algoritmos Genéticos Paralelos: exploram a capacidade de processamento paralelo para acelerar a busca.

Quais são as principais funções utilizadas em algoritmos genéticos em Python?

As principais funções dos algoritmos genéticos em Python são criar uma "população" de dados, avaliar a aptidão dos modelos, selecionar os melhores para "reprodução", aplicar operadores genéticos e repetir o processo até atingir um critério estabelecido.

Para usá-los, é necessário definir a estrutura do modelo e implementar as funções de avaliação e operadores genéticos. Eles têm aplicações práticas em otimização de parâmetros, logística, finanças, engenharia, entre outros. Aliás, são poderosos para encontrar soluções aproximadas de forma eficiente.

algoritmos genéticos em Python
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Como pode ser feita a seleção de um algoritmo genético em Python?

Etapas de um algoritmo genético em Python:

  1. Inicialização: Criação de uma população inicial de modelos.
  2. Avaliação: Cálculo da aptidão de cada modelo com base em uma função de avaliação.
  3. Seleção: Escolha dos modelos mais aptos para reprodução.
  4. Reprodução: Criação de novos modelos através de operadores genéticos (cruzamento e mutação).
  5. Substituição: Substituição de parte da população anterior pelos novos modelos gerados.
  6. Critério de parada: Verificação se um critério de parada é atingido (por exemplo, número máximo de gerações ou aptidão desejada).

Anota aí! A seleção dos modelos é geralmente realizada utilizando um método chamado seleção por roleta, onde a probabilidade de um modelos ser escolhido é proporcional à sua aptidão em relação à população total.

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Os operadores genéticos mais comumente usados

Os operadores genéticos mais comumente usados em algoritmos genéticos em Python são o cruzamento (crossover) e a mutação.

O cruzamento, por exemplo, combina os genes de dois modelos para gerar descendentes, enquanto a mutação introduz diversidade ao alterar aleatoriamente os genes de um modelo. A avaliação de desempenho de um algoritmo genético em Python já envolve a aplicação da função de avaliação em cada modelo da população, calculando sua aptidão. A aptidão é usada para selecionar os modelos mais adequados para a reprodução. E o desempenho do algoritmo pode ser medido por meio de métricas como valor máximo/mínimo, tempo de execução e convergência da população para uma solução ótima.

Quais são os desafios e limitações dos algoritmos genéticos em Python?

Algoritmos genéticos em Python são utilizados para otimizar parâmetros, mas enfrentam desafios e limitações. Podemos citar a escolha dos parâmetros corretos e a eficiência computacional. Além disso, pode ocorrer convergência prematura, quando a busca estagna em uma solução subótima. Para lidar com isso, é possível ajustar a "taxa de mutação", utilizar estratégias de seleção avançadas ou aplicar técnicas de recombinação adaptativa para preservar a diversidade genética.

algoritmos genéticos em Python
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Quais são as técnicas de otimização que podem ser combinadas com algoritmos genéticos em Python?

Existem várias bibliotecas em Python para implementar algoritmos genéticos, como DEAP, PyGAD e Pyevolve. Para desenvolver algoritmos genéticos eficientes, é importante otimizar a função de avaliação e experimentar diferentes combinações de parâmetros. Técnicas avançadas, como algoritmos genéticos híbridos, algoritmos genéticos multiobjetivo e combinação com algoritmos de aprendizado de máquina, podem ser usadas para melhorar os resultados de otimização.

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Fontes: Alexandre Mundim.

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