نیما حیدری‌نسب

تولید مثل علف‌ها

انتخاب

(یا r-selection) با شعار زندگی سریع، تولید مثل فوری و مرگ در جوانی است. یکی از راهکارهای حفظ بقا است که در محیط‌های ناپایدار و غیرقابل پیش‌بینی و به‌طور کلی هر جایی که توانایی برای تولید مثل سریع در حالت بیشینه است و منابع محدود است، مناسب است.

انتخاب

(یا k-selection) مبتنی بر شعار زندگی آرام، تولید مثل آهسته و مرگ در پیری است و به‌طور کلی در نقطه مقابل الگوریتم انتخاب r است. این روش بیشتر در محیط‌های پایدار و قابل پیش‌بینی مورد استفاده قرار می‌گیرد. محیط‌هایی با بیشینهٔ سکنه و منابع بسیار محدود به طوری که امکان تولید مثل سریع در آن وجود ندارد و هر واحد برای بقا به تقویت خود می‌پردازد.

شبیه‌سازی رفتار علف‌ها

1. تولید جمعیت اوّلیه(Initializing a Population): یک مجموعه از جواب‌های اولیه به صورت تصادفی در فضای مسئله پخش می‌شوند.
2. تولید مثل: هر دانه متناسب با شایستگی خود تولید مثل می‌کند. از آنجا که الگوریتم علف هرز مهاجم از جمله الگوریتم‌های تکاملی می‌باشد، با توزیع بیشتر دانه در فضای نزدیک‌تر به جواب نهایی ما کمک می‌کنند که به حلّ مسئله نزدیک‌تر شویم. هرچقدر دانه‌ها به جواب نهایی نزدیک تر باشند شایستگی آن‌ها بیشتر است و برای ما با ارزش تر محسوب می‌شوند. دانه‌ها یا به‌طور کلی گونه‌هایی که شایستگی بیشتری دارند، برای تولید مثل انتخاب می‌شوند؛ هر چند این فرصت به گونه‌های با شایستگی کمتر نیز داده می‌شود تا تولید مثل کنند و فرصت بقا داشته باشند.
3. همچنین تولیدمثل برای هر علف از فرمول مقابل بدست می‌آید:

   

   که در آن

   

   ، حداقل دانه تولیدی و

   

   حداکثر دانه تولیدی است؛ همچنین

   

   کمترین شایستگی و

   

   بیشترین میزان شایستگی و

   

   شایستگی علف مورد نظر است.
4. پراکندگی ناحیه‌ای:دانه‌ها با توزیع نرمال با میانگین صفر و انحراف معیار

   

   توزیع می‌شوند.

   

   برای

   

   یک مقدار اولیه (initial) و یک مقدار نهایی (final) در نظر می‌گیریم. در ابتدا پراکندگی مقدار بیشتری دارد که با فرمول

   

   به سمت پراکندگی کمتر می‌رود. این فرمول میزان پراکندگی در هر مرحله را نشان می‌دهد. در اینجا به صورت پیوسته تغییر سیاست بقا از انتخاب

   

   به انتخاب

   

   را مشاهده می‌کنیم.

1. محرومیت رقابتی: اگر علفی بدون فرزند بماند منقرض خواهد شد. در غیر این‌صورت، نماینده‌ای در نسل‌های بعد خواهد داشت و می‌تواند منابع را از آن خود کند؛ بنابراین به نوعی رقابت بر سر جمعیت و فرزندآوری نیازمندیم که جمعیت‌مان از حد مشخصی بیشتر نشود. در مراحل اولیه اجرای الگوریتم علف‌ها به سرعت تولید مثل می‌کنند و در فضای مسئله پخش می‌شوند تا این‌که به محدودیت حداکثر جمعیت برسیم. از این‌جا به بعد، هر علف مطابق روال گفته شده دانه تولید می‌کند و در فضای پیرامون خود پخش می‌کند. سپس همهٔ دانه‌ها و علف‌ها در کنار هم ارزیابی می‌شوند و به اندازهٔ اضافه بر حداکثر جمعیت باید از جمعیت کم شود؛ بنابراین علف‌ها و دانه‌هایی با کمترین شایستگی حذف خواهند شد تا به حداکثر جمعیت برسیم. علف‌هایی با شایستگی بیشتر اجازه زنده ماندن و تولید مثل پیدا می‌کنند. همچنین این الگوریتم به علف‌هایی با شایستگی پایین امکان تولید مثل می‌دهد تا در صورتی که فرزندانش شایستگی بیشتری داشته باشند در کلونی زنده بمانند. این الگوریتم نوعی رقابت برای بقا و تولیدمثل بین علف‌ها ایجاد می‌کند که در نهایت شایسته‌ترین علف‌ها یا همان نزدیک‌ترین گزینه‌ها به جواب نهایی در کلونی می‌مانند.

شبه‌کد الگوریتم

تصویر زیر فلوچارت الگوریتم را نشان می‌دهد:

همچنین شبه کد الگوریتم به صورت زیر است:

# W: is the count for the initializing population
# T: the maximum number of generations
initialize a random population
for  iter = 1 to T:
    w = objective function
    Compute maximum and minimum fitness in ecology
    for w in range(W) :
        compute the number of seeds of w, in response to its fitness
        distribute the generated seeds over the search space with normal distribution
        add generated seeds to the W
    if abs(W) > P_max:
        sort the W in descending order of their fitness
        truncate population of weeds whoose fitness are smaller