進(jìn)化算法的模式、涌現(xiàn)與困難性研究

內(nèi)容概要

　　《進(jìn)化算法的模式、涌現(xiàn)與困難性研究》旨在系統(tǒng)地介紹進(jìn)化算法的模式、涌現(xiàn)與困難性等若干問題的理論研究和典型應(yīng)用，共分為7章內(nèi)容。首先，建立了進(jìn)化計(jì)算的統(tǒng)一框架和進(jìn)化算子的統(tǒng)一表示。其次，將建筑塊的思想推廣到整個(gè)進(jìn)化計(jì)算領(lǐng)域，得到了準(zhǔn)確的模式公式、模式的形式不變性和變長度的模式公式。證明了滿足一定條件的有限群體遺傳算法構(gòu)成Devaney意義下的混沌。提出了一種可以直接測試適應(yīng)值曲面特征的排序統(tǒng)計(jì)分析方法；分析了遺傳算法適應(yīng)值曲面的復(fù)雜程度，提出了基于隨機(jī)游走模型的適應(yīng)值曲面關(guān)聯(lián)維數(shù)測試方法。最后，提出了一種改進(jìn)的子群遺傳算法，并將其應(yīng)用于多模態(tài)函數(shù)的優(yōu)化求解。
　　《進(jìn)化算法的模式、涌現(xiàn)與困難性研究》可以作為管理科學(xué)和信息技術(shù)專業(yè)的研究生教材，亦可作為有關(guān)科研人員和工程技術(shù)人員的參考用書。

書籍目錄

前言
第1章 進(jìn)化計(jì)算概述
　1.1 進(jìn)化計(jì)算的發(fā)展歷程
　1.2 進(jìn)化計(jì)算的主要特點(diǎn)
　1.3 進(jìn)化計(jì)算的理論研究
　1.4 進(jìn)化計(jì)算的應(yīng)用現(xiàn)狀
　1.5 主要研究內(nèi)容
　
第2章 進(jìn)化算法的模式理論
　2.1 進(jìn)化算子的統(tǒng)一表示
　2.2 模式理論及相關(guān)定義
　2.3 建筑塊假設(shè)和適度模式
　2.4 基于排序選擇下的準(zhǔn)確模式理論
　2.5 依概率選擇下的準(zhǔn)確模式理論
　2.6 模式的形式不變性及準(zhǔn)確模式理論
　2.7 變長度進(jìn)化計(jì)算中的模式理論
　2.8 基于準(zhǔn)確模式理論下的建筑塊理論
　2.9 本章小結(jié)
　
第3章 進(jìn)化算法中的涌現(xiàn)及混沌
　3.1 進(jìn)化計(jì)算中的涌現(xiàn)
　3.2 進(jìn)化計(jì)算中的混沌現(xiàn)象
　3.3 有限群體遺傳算法的動(dòng)力性
　3.4 本章小結(jié)
　
第4章 遺傳算法適應(yīng)值曲面和困難度影響因素
　4.1 適應(yīng)值曲面概念的起源與發(fā)展?fàn)顩r
　4.2 遺傳算法適應(yīng)值曲面的定義及相關(guān)結(jié)構(gòu)分析
　4.3 隨機(jī)游走模型的時(shí)間序列分析
　4.4 模式適應(yīng)值曲面與動(dòng)態(tài)適應(yīng)值曲面
　4.5 NFL定理及遺傳算法困難度分析的意義
　4.6 遺傳算法的模式欺騙性分析
　4.7 基因關(guān)聯(lián)分析與測試
　4.8 影響遺傳算法困難度的其他因素
　4.9 本章小結(jié)
　
第5章 遺傳算法困難度測試
　5.1 幾種常見的遺傳算法困難度測試方法
　5.2 遺傳算法適應(yīng)值曲面上的排序統(tǒng)計(jì)分析
　5.3 遺傳算法適應(yīng)值曲面的分形分析
　5.4 基于模式適應(yīng)值曲面的基因關(guān)聯(lián)測試
　5.5 測試實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的困難度
　5.6 基于進(jìn)化動(dòng)力統(tǒng)計(jì)分析的遺傳算子性能測試
　5.7 困難問題的構(gòu)造及遺傳算法改進(jìn)策略
　5.8 本章小結(jié)
　本章附錄：遺傳算法性能測試函數(shù)
　
第6章 并行進(jìn)化算法和子群遺傳算法
　6.1 并行進(jìn)化算法
　6.2 子群遺傳算法及其在皇家大道函數(shù)上的應(yīng)用
　6.3 子群遺傳算法在多模態(tài)問題上的應(yīng)用
　6.4 本章小結(jié)
　
第7章 總結(jié)與展望
　7.1 總結(jié)
　7.2 展望
參考文獻(xiàn)
　　

章節(jié)摘錄

第一章　概　　論第一節(jié)　駱駝刺的分布一、駱駝刺（Alhagi Gagnebin） 在中國的分布駱駝刺是生長于荒漠、半荒漠區(qū)的多年生豆科木質(zhì)化草本植物。主要分布在沙漠和戈壁深處， 吸取地下水分和營養(yǎng)， 是一種自然生長的耐旱植物。駱駝刺主要分布于我國內(nèi)陸干旱地區(qū)的寧夏、新疆、青海、甘肅以及內(nèi)蒙古， 其中新疆全境都有分布， 尤其以南疆居多， 生長于海拔150 ～ 1500 m 的沙荒地、鹽漬化低濕地和覆沙戈壁上（圖1.1） 。有關(guān)駱駝刺生物生態(tài)學(xué)特性的研究歷來受到廣泛關(guān)注。駱駝刺共有兩種， 分別是駱駝刺（ A lhagi p seudalhagi Desv.） 和疏葉駱駝刺（ A lhagi sparsi f olia Shap.） ， 我國分布的主要是疏葉駱駝刺。二、駱駝刺在世界的分布世界上共有兩種駱駝刺， 主要分布在歐亞（中國、俄羅斯、以色列、蒙古國、哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、土庫曼斯坦、吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦、巴基斯坦和埃及） 及北非荒漠區(qū)和美國、德國等（金啟宏， 1995） （圖1.2） 。第二節(jié)　疏葉駱駝刺的形態(tài)特征一、形態(tài)特征疏葉駱駝刺， 落葉、多分枝草本（后附彩圖1.3） ； 莖、枝有腋生的長針刺（后附彩圖1.4） ； 葉小， 單葉， 全緣； 生于上部的無葉而葉柄變?yōu)榇蹋?托葉小；花數(shù)朵排成腋生的總狀花序， 總軸有刺； 萼鐘形， 裂齒5 ， 短， 近相等； 花冠紅色， 各瓣近等長， 旗瓣倒卵形， 具短柄， 翼瓣鐮狀長圓形， 龍骨瓣內(nèi)彎， 鈍頭；雄蕊10 ， 二體（9 + 1） ， 花藥同型； 子房近無柄， 有胚珠多顆， 花柱絲狀， 內(nèi)彎； 莢果線形， 厚或近圓柱狀， 不開裂， 常于種子間縊縮而內(nèi)面具隔膜， 但莢節(jié)不斷離； 種子腎形， 無種阜。疏葉駱駝刺于屬豆科、駱駝刺屬多年生草本植物。主要枝上多刺， 葉長圓形， 花粉紅色， 6 月開花， 8 月最盛， 每朵花可開放20 余天， 結(jié)莢果（后附彩圖1.5） ， 總狀花序， 根系一般長達(dá)20 m 。從沙漠和戈壁深處吸取地下水分和營養(yǎng)，是一種自然生長的耐旱植物， 新疆各地均有分布。疏葉駱駝刺有花內(nèi)和花外兩種蜜腺， 花外蜜腺泌汁凝成糖粒， 稱為刺糖， 群產(chǎn)量可達(dá)30 ～ 40 kg 。疏葉駱駝刺是駱駝的牧草， 所以又稱駱駝草， 是一種矮矮的地表植物。二、駱駝刺名稱由來這種植物莖上長著刺狀的很堅(jiān)硬的小綠葉， 故稱為駱駝刺， 但它畢竟是草本植物， 是戈壁灘和沙漠中駱駝唯一能吃的賴以生存的草， 故又名駱駝草（后附彩圖1.3） 。駱駝草往往長成半球狀， 大的一簇簇， 直徑有一兩米， 一般的一叢叢，直徑有半米左右。為了適應(yīng)干旱的環(huán)境， 疏葉駱駝刺盡量使地面部分長得矮小，這種植物的根系十分發(fā)達(dá)， 根系是地表上莖葉半球的幾十倍； 同時(shí)， 將龐大的根系深深扎入地下（根系直達(dá)地下水） ， 吸收水分； 而矮小的地面部分又有效地減少了水分蒸騰， 所以它能在這種極端干旱的環(huán)境里生長。第三節(jié)　疏葉駱駝刺保護(hù)與開發(fā)的意義疏葉駱駝刺是一種耐干旱、耐鹽堿、抗逆性強(qiáng)的植物。在塔里木盆地南緣的綠洲― 沙漠過渡帶上有大面積的天然疏葉駱駝刺植被分布。它具有適應(yīng)性強(qiáng)、分布廣、面積大的特點(diǎn)， 在防止土地遭受風(fēng)沙侵蝕方面具有非常重要的作用。同時(shí)疏葉駱駝刺可以直接利用大氣中的氮元素， 它是生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)體中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。另外， 疏葉駱駝刺富含蛋白質(zhì)， 是一種優(yōu)良的飼料， 在畜牧業(yè)生產(chǎn)中占有一定的地位。首先， 疏葉駱駝刺作為飼用植物具有較好的品質(zhì)。疏葉駱駝刺的葉、花、果實(shí)、刺和細(xì)枝條都富含營養(yǎng)物質(zhì)。雖然它的粗蛋白質(zhì)、粗脂肪含量相對(duì)較低， 但它的無氮浸出物含量較高， 且富含賴氨酸。其次， 疏葉駱駝刺的產(chǎn)草量高。早在1933 年， Ball 和Robbins （1933） 就對(duì)生長在俄羅斯的幾種疏葉駱駝刺進(jìn)行了描述。這些描述主要集中在刺和葉的形態(tài)上。之后， Kearney 和Peebles（1951） 以及Munz 和Keck （1959） 也對(duì)疏葉駱駝刺進(jìn)行了早期的形態(tài)學(xué)研究。當(dāng)時(shí)， Graham （1941） 已經(jīng)注意到應(yīng)該盡可能地保護(hù)并利用疏葉駱駝刺。Ag-zhigitova 等（1995） 的研究結(jié)果證明疏葉駱駝刺的生長狀況與地下水位的高低具有一定的聯(lián)系。張立運(yùn)等（1995） 認(rèn)為夏季灌溉對(duì)疏葉駱駝刺的形態(tài)學(xué)特征、群落生態(tài)結(jié)構(gòu)和天然更新有一定的影響。Shaltout 等（1996） 在疏葉駱駝刺的系統(tǒng)分類方面做了研究， 他們認(rèn)為人類活動(dòng)是影響疏葉駱駝刺多樣性和豐富度的主要原因。Zakeri 和Banihashemi （1996） 的對(duì)比試驗(yàn)表明， 疏葉駱駝刺有相對(duì)較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性。另外， 有關(guān)疏葉駱駝刺再生能力和抗逆性的研究也較多。步懷宇和賈敬芬（2000） 的研究表明， 疏葉駱駝刺苗莖切段有很強(qiáng)的離體培養(yǎng)再生能力。谷文英等（1997） 對(duì)疏葉駱駝刺下胚軸組織培養(yǎng)再生植株的過程進(jìn)行研究，基本建立了疏葉駱駝刺組織培養(yǎng)的程序和方法， 為進(jìn)一步研究、改良疏葉駱駝刺打下了基礎(chǔ)。李瑞年（1994） 對(duì)疏葉駱駝刺屬植物的再生性能與防護(hù)效益的試驗(yàn)研究進(jìn)一步證明， 合理適時(shí)地利用疏葉駱駝刺對(duì)于促進(jìn)疏葉駱駝刺的生長及提高其防護(hù)效益具有一定的作用。Zaletaev 等（1996） 對(duì)土壤類型與疏葉駱駝刺植被的分布進(jìn)行的研究顯示， 疏葉駱駝刺具有一定的耐鹽性。金啟宏（1995） 指出， 以疏葉駱駝刺種群性質(zhì)和草甸植物種類組成特征作為群落演替狀態(tài)指示物的指示作用， 對(duì)當(dāng)?shù)氐乃醇巴恋乩镁哂幸欢ǖ膽?yīng)用價(jià)值。顏銘（1989） 認(rèn)為疏葉駱駝刺是一種淡水指示植物， 且通過深根系和地下水相連接， 所以在極干燥的土壤上仍能生長良好。疏葉駱駝刺在新疆的分布面積達(dá)1.73 × 106 hm2 ， 占新疆草地總面積的3.03 % 。尤其在塔里木盆地， 疏葉駱駝刺既是防風(fēng)固沙的重要自然植被， 又是草食家畜不可缺少的、也無法替代的飼草種之一。然而， 由于人口的增加和不合理地利用， 疏葉駱駝刺植被卻遭到嚴(yán)重破壞。因此， 如何加強(qiáng)現(xiàn)有疏葉駱駝刺植被的保護(hù)和管理、加速受損疏葉駱駝刺植被的恢復(fù)和重建， 如何有效保護(hù)和合理開發(fā)疏葉駱駝刺這一優(yōu)勢(shì)植物資源， 既發(fā)揮其作為優(yōu)良豆科牧草的飼用價(jià)值作用， 又不減弱乃至破壞其重要的生態(tài)防護(hù)效益， 是我們當(dāng)前面臨的重要課題。第二章　疏葉駱駝刺種子萌發(fā)和出苗特征第一節(jié)　溫度和光照對(duì)疏葉駱駝刺種子萌發(fā)的影響影響種子萌發(fā)的外部環(huán)境因子包括水分、溫度、光照、土壤因素等方面。溫度對(duì)種子有重要的生理作用。溫度可以打破種子休眠， 改變種子休眠形式， 影響無休眠種子的萌發(fā)速度（Roberts ， 1988） 。眾多的研究表明， 在一定的溫度范圍內(nèi)， 隨溫度的升高， 種子萌發(fā)進(jìn)程加快， 但過高的溫度會(huì)影響種子萌發(fā)（ Khanet al.， 2001 ； Qu et al.， 2008 ； Jamila et al.， 2009 ； Rejili et al.， 2009 ； Ma-raghni et al.， 2010） 。種子萌發(fā)時(shí)， 包括胚乳或子葉內(nèi)有機(jī)養(yǎng)料的分解， 以及由有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)同化為生命的原生質(zhì)， 都是在各種酶的催化作用下進(jìn)行的。而酶的作用需要有一定的溫度才能進(jìn)行， 所以溫度也就成了種子萌發(fā)的必要條件之一。溫度對(duì)種子的萌發(fā)具有最低、最適及最高三基點(diǎn)。在干旱半干旱荒漠地區(qū)，光照雖然不是制約種子萌發(fā)的主要因素， 但受光照調(diào)節(jié)萌發(fā)的植物非常普遍， 大致可以歸結(jié)為3 種類型： ① 種子在黑暗和光照條件下都能很好地萌發(fā)（黃振英等， 2001） ； ② 種子萌發(fā)率需要嚴(yán)格的光照（ Qaiser and Qadir ， 1971 ； Huangand Gutterman ， 2000 ； Meiado et al.， 2010） ； ③ 種子萌發(fā)隨著光的減少而增加（Baskin and Baskin ， 1998 ； Tobe and Omasa ， 2000 ； 宋兆偉等， 2010） 。一、種子處理選擇大小一致成熟飽滿的疏葉駱駝刺種子備用。將疏葉駱駝刺種子置于98 % 的濃硫酸中浸泡15 min ， 然后用大量清水沖洗， 實(shí)驗(yàn)前先將處理后的種子用清水浸泡12 h ， 再用蒸餾水反復(fù)沖洗后挑選浸泡程度相同的種子。最后將種子置于培養(yǎng)皿中， 保證供應(yīng)其水分充足， 在光照培養(yǎng)箱中萌發(fā)。種子在不同光照和溫度下的萌發(fā)： 分別置于15 ℃ 、20 ℃ 、25 ℃ 、30 ℃ 、35 ℃ 5 個(gè)恒溫條件下， 持續(xù)黑暗、光照/黑暗（12 h/12 h） 光照條件下進(jìn)行萌發(fā)。二、不同溫度和光照條件下疏葉駱駝刺種子萌發(fā)率圖2.1 顯示隨著溫度的升高疏葉駱駝刺種子的萌發(fā)率先是逐漸增高隨后降低。光暗交替條件下， 當(dāng)溫度達(dá)到30 ℃ 時(shí)萌發(fā)率最高， 為97.33 % ， 而黑暗環(huán)境中當(dāng)溫度達(dá)到25 ℃ 時(shí)萌發(fā)率最高， 為97.33 % 。這是因?yàn)榉N子萌發(fā)與酶活性有關(guān)， 在一定溫度范圍內(nèi)， 溫度越高酶活性越強(qiáng)， 萌發(fā)率也越高， 但當(dāng)超過了最適溫度時(shí)， 溫度升高則會(huì)抑制酶活性， 使萌發(fā)率下降。除30 ℃ 左右外， 當(dāng)溫度保持一致時(shí)， 光暗交替條件下的種子萌發(fā)率要小于黑暗條件下的種子萌發(fā)率。三、不同溫度和光照條件下疏葉駱駝刺種子胚根伸展長度圖2.2 顯示， 隨著溫度的升高， 疏葉駱駝刺種子胚根的伸展長度先上升后下降， 30 ℃ 時(shí)達(dá)到最大值， 分別為： 黑暗時(shí)為89.3 mm ， 光暗交替時(shí)為65.5 mm 。同時(shí)， 可以看出， 在保持溫度一致條件下， 5 個(gè)不同溫度下， 黑暗條件下的種子胚根伸展長度始終大于光暗交替條件下的胚根伸展長度， 說明黑暗環(huán)境能促進(jìn)疏葉駱駝刺種子胚根的伸展。

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