复杂性科学与智能计算

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1、复杂性科学与智能计算（2）报告人：陈贤富中国科学技术大学电子科学与技术系E_mail:xfchen@ustc.edu.cnTel:3602173(o)3661273(H)33869872004年5月19日攻城不怕坚攻书莫畏难科学有险阻苦战能过关----叶剑英元帅1977年安徽高考作文题：“从科学有险阻苦战能过关谈起”往哪儿谈？演化性==〉非线性==〉复杂性==〉创造性模式定理==〉混沌现象==〉涌现机制==〉突生演化==〉创新系统模型报告内容1.“复杂性”的根源2.3.积木块假设与混沌现象4.

2、复杂系统与复杂性（简介）5.突生演化==创新过程6.创新:丰富联想+随机碰撞（个人观点）1.Holland的生物进化模拟与复杂自适应系统（1）科学技术发展的源泉----路甬祥院长1.生产、生活2.模拟自然1960年前后，Holland企图运用计算机模拟生物的遗传演化过程没料到：遗传模拟==〉优化算法1975年，Holland出版名著“自然与人工系统的自适应”遗传算法的基本思想：达尔文进化论+门德尔遗传学说遗传算法的基本构架：选择+交叉+变异遗传算法的基本理论：Holland模式定理1.Holland

3、的生物进化模拟与复杂自适应系统（2）再次出乎所料：精心模拟达尔文进化论的遗传算法实际上反映的是非达尔文主义进化思想。----由选择+交叉+变异三个基本GA算子构成的遗传算法却呈现出独特的阶跃性、探险式搜索方式和学习能力，这种阶跃性、探险式搜索方式反映了突生演化的主要特征。80年代中后期，Holland转入非线性、复杂性科学领域智能诞生在混沌边缘智能==复杂自适应系统2.关于Holland模式定理的理论研究生物进化动力(主流观点)自然选择基因突变区域隔离与基因流动随机漂变标准遗传算法基本算子（Holl

4、and）：选择（selection）交叉（crossover）变异（mutation）Holland模式定理推导思路：交叉操作破坏模式（Schema）变异操作破坏模式（Schema）2.关于Holland模式定理的理论研究(2)Holland的模式定理在选择、交叉和变异操作的作用下，低模阶、短模长、高适应度的优模式在连续后代中呈指数级增长。Holland模式定理的缺陷1.模式增长的下限估计过低2.不能解释遗传算法的收敛过程2.关于Holland模式定理的理论研究(3)Holland忽略的模式增长因素

5、1.隐含模式H的个体之间进行交叉对模式H的保护作用。2.模式H与非H模式相交叉时，模式H的生存机会。a)交叉位点在模式H之外；b)个体间模式相似度极高。3.非模式H的个体在交叉和变异过程中，创造模式H2.关于Holland模式定理的理论研究(3)同模式（具有共同特征）个体之间的交叉对模式H的保护作用：1）优模式在遗传演化过程中呈指数级增长；2）人以群聚，物一类分。同类交配是自然遗传的主要方式；2.关于Holland模式定理的理论研究(4)修正的模式定理：经标准GA遗传操作后，种群中模式H数目的数学期

6、望值可用下式进行估计：修正的模式定理的下界始终是大于Holland模式定理的下界的。Holland模式定理并未涉及模式数量这一因素，但修正的模式定理明确的表明：模式的增长不仅仅跟模式的平均适应度有关，而且还与模式的相对数量有关。2.关于Holland模式定理的理论研究(5)结论：1.提高了模式估计的下限；2.揭示了低阶模式主要靠适应度占优不断发展，高阶模式主要靠数量占优维持生存的GA模式演变特性。3.积木块假设与混沌现象积木块假设：在选择、交叉和变异操作的作用下，低模阶、短模长、高适应度的优模式（积

7、木块）在连续后代中呈指数级增长。混沌：误差随时间呈指数级增长。问题：可否用遗传算法模拟混沌现象？指数级增长==〉纯随机==〉不可预测==〉复杂涌现4.复杂系统与复杂性（简介）l当代科学的发展特点:（从2到3）科技前沿:极大,极小极复杂研究手段:理论,实验模拟研究对象:物质,能量信息研究方法:分析,还原集成体现了哲学观念的重大变革4.复杂系统与复杂性（简介）*1877年,哲学家GeorgeHenryLewes在批评Hume的"因果关系理论"时指出,有必要区分两种类型的效果(effects):因

8、果型效果和突生型效果.有些效果是不能依据组成部件或构成要素的有关知识来进行预测的,也不能分解为子功能或部件的组合.4.复杂系统与复杂性（简介）（2）l什么是"复杂性"?远离平衡的巨大耗散系统中由于组成单元之间局部的非线性作用而自发涌现出的系统整体特性。l复杂性体现了以下特点:1.复杂性是从属于某个系统的内禀性质和特征.研究复杂性离不开系统,但并非任何系统都具有复杂性.2.这个性质(主要指系统的、整体的、全局的性质)是突生的,具有不可归约、不可预测等特征.3.突生结果源