遗传算法入门(连载之二)

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(连载之二)
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扎自<游戏编程中的人工智能技术>第三章

 清华大学出版社

(本章由zzwu译)

 

   不过，有些读者可能已经会想到，如果这是繁殖期生物机体内唯一发生的事情，那幺即使经历成千上万代后，适应能力最强的成员的眼睛也只能象初始群体中最大的眼睛一样大。而根据我们对自然界的观察中发现，人类或动物的眼睛尺寸实际存在一代大于一代的趋势。之所以会发生这种情况，是因为当基因传递给子孙后代的过程中，会有很小的概率发生差错，从而使基因得到微小的改变。这多少有点象中国古老的耳语传话游戏：在一队人中，把一条消息一个接一个地传递下去；第一个人对着第二个人的耳朵轻声地讲述一个故事，第二个人再轻声地把此故事传向第三个人，等，直到最后那个人再把听到的故事讲出来。通常这都会诺出很多笑话：最后一个人讲出来故事与第一个所讲的已是面目全非。其实，这种类型的差错在把信息从一个系统传递给另一系统时实际都会发生的。图3.2显示的一列图画就是一个令人惊讶的例子。这是一次测试的结果：第一个人画出了一只鸟类的图(见左上角) 交给第二人，第二人看了以后自己重画一个给他的下一个人，这样重复下去，直到最后那个人画出来的图形就会被显著‘异化'。如果你有机会和十几个朋友聚集在一起，我推荐你做一下这个小试验，因为原始图画能有如此多变化似乎难以置信。

有趣的事实
....古代的硬币容易产生这种类型的信息丢失差错。早期厄尔利凯尔特人和条顿人所使用的硬币大量地被假冒着；在早先的原始硬币上能找到一位皇帝的头像（那时已经在许多城市和乡镇用于支付）到后来则变成一匹马或一碗果子的形状了。你一眼就能看出当时使用的假冒货币，无需使用任何高科技的紫外线设备来探测！

 

图 3.2 信息移转的一个试验。 ( Thames 和 Hudson 提供的幻想图形 )

   你可以说，图形或故事的情节在从一个人到另一个人的传递过程中，已经发生了变异 （或突变，mutation） ，同样的变异在生物繁衍过程中会在它们的基因中出现。发生变异的概率通常都很小，但经历大量世代之后变异就会显得很可观。一些变异对生物将是不利的 （这有最大的可能），另一些则对生物的适应性可能没有任何影响，但也有一些则可能会给生物带来一些明显的利益，使它能超过与其同类的生物。在前面我们所讲的例子中，你看到的能使动物引起眼睛直径变大的基因突变就是一种有利的突变，它将使该动物与群体其余动物相比，就好像一个超级的时髦模特儿那样显得突出。这种使眼睛变得越来越大的趋势需要基因参与才能实现。当进化过程经历成千上万代之后，就会使动物长出一对如同盛菜的盘子那样大的眼睛！见图3.3。

图 3.3 一个 Adonis 的进化

   进化机制除了能改进已具备的特征之外，也能产生各种各样全新特征。让我们再以眼睛的进化作为一个例子来说明吧。

   可以设想，曾有一个时期动物就根本没有眼睛。那时，动物在它们的环境中航行完全是靠嗅觉和触觉来躲避掠食它们的动物。他们也相当擅长于这样做，因为他们靠这样已经历了成千上万个世代。在那个时候，鼻子大和手脚长的男性是受女孩子们欢迎的。然而，突然有一天，当两个动物配对时，一个基因突变发生在为皮肤细胞提供的蓝图上。这一突变使其后代在他们的头上发育出了一个具有相当光敏效应的细胞，使其后代能足够识别周围环境是亮的还是暗的。这样就给他带来了一个微小的优点，因为，如果一种肉食动物，比如一只鹰，来到了某个范围以内，则它将阻挡了光线，这时，该动物就会感觉得到，就可迅速跑到隐蔽的地方去躲藏起来。另外，这种皮肤细胞还能指示现在是晚上或白天，或告诉他现在是在地面之上或地面之下，这些信息在捕食和吸取营养时都能为它提供方便。你能看到这一新型皮肤细胞将使这一动物与群体中其余的动物相比，具备了稍多的优点，并因此也就有更多的生存和繁殖的机会。过了一段时间，由于进化机制的作用，许多动物的染色体中都会出现具有光敏皮肤细胞的基因。

   现在，如果你再作一些外推，想象这一光敏细胞基因得到了进一步的有利突变，则你能看到，经过许多许多世代后，光敏细胞经过分化形成为一个区域；这个区域不断变大，产生出一些更为确定的特征，例如形成一个晶体，或产生能区别颜色的视觉细胞；还可以想象，一个突变使某个动物由一个光敏区域改变为两个光敏区域，由此就使那个动物有了立体视觉。立体视觉对一个生物体来说是一个巨大的进步，因为这能精确告诉他目标离开他有多远。当然，你也可以把会对眼睛产生不利影响的突变装入同样那些基因。但这里重要的一点是，这样生长出来的后代将不会和已具备改进型眼睛的堂表亲戚们那样取得成功，它们最终将会灭绝。只有成功的基因才会得到继承。你观察自然界中存在的任何特征就能发现，它们的进化都是利用无数微小的突变发展而来的，且它们都是对拥有者有利。难以置信吧？

   这些重组和变异机制说明了进化怎么完成。我希望现在你已经理解，有机体是怎么逐步形成各种不同类型的特征，以帮助它们在其生存环境中取得更大的成功。

－连载２完－