Evolutionstheorie und Evolutionsstrategie. Die Evolutionsstrategie als technisches Optimierungsverfahren


Studienarbeit, 2017

37 Seiten, Note: 1,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung
1.1. Begründung der Themenstellung
1.2. Zielsetzung
1.3. Aufbau der Arbeit

2. Evolutionstheorie von Charles Darwin
2.1. Die Anfänge der Evolutionsforschung
2.2. Die Evolutionstheorie von Charles Darwin
2.3. Gemeinsame Abstammung aller Lebewesen
2.4. Anpassung der Arten an die Umweltbedingungen
2.5. Mutation, Selektion und Adaption: Survival of the fittest

3. Die Evolutionsstrategie als technisches Optimierungsverfahren
3.1. Entwicklung der Evolutionsstrategie
3.2. Basisalgorithmen der Evolutionsstrategie
3.3. Starke und schwache Kausalität
3.4. Das zentrale Gesetz des evolutionären Fortschritts
3.5. Zufallszahlen oder Pseudozufallszahlen
3.6. Evolutionstheorie und Evolutionsstrategie: ein Vergleich
3.7. Stärken und Schwächen der Evolutionsstrategie

4. Evolutionsstrategie: Praxisbeispiele
4.1. Optimierung eines Kastenträgers
4.2. Optimierung eines Maschinenbelegungsplan
4.3. Optimierung eines 90° Rohrbogens

5. Fazit und kritische Reflektion

Literaturverzeichnis und Gesprächsverzeichnis

Anhang:
I. Berechnung der Optimalen Fortschrittsgeschwindigkeit
II. Simulation der Optimierung des Kastenträgers
III. Simulation der Optimierung des Maschinenbelegungsplans

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Der Stammbaum der Primaten

Abbildung 2: Das zentrale Fortschrittsgesetz der Evolutionsstrategie

Abbildung 3: Das zentrale Fortschrittsgesetz der Evolutionsstrategie

Abbildung 4: Beispiel für einen Kastenträger

Abbildung 5: Querschnitt des zu optimierenden Kastenträgers

Abbildung 6: Ausgangssituation Maschinenbelegung

Abbildung 7: Endzustand Maschinenbelegung

Abbildung 8: Rohrbögen in der Ausgangssituation

Abbildung 9: Schematische Darstellung des 90° Rohrstücks mit den möglichen Biegeradien

Abbildung 10: Aufbau des Experiments und Vergleich Ausgangssituation mit neuer Optimalform

Abbildung 11: Darstellung der Optimierungsergebnisse

Abbildung 12: Veranschaulichung der Fortschrittsgeschwindigkeit im 3-dimensionalen Raum VIII

Abbildung 13: Startpunkt der Optimierung des Kastenträgers. IX

Abbildung 14: Opt. des Kastenträgers nach 10 Generationen. X

Abbildung 15: Opt. des Kastenträgers nach 100 Generationen. X

Abbildung 16: Opt. des Kastenträgers nach 1100 Generationen. XI

Abbildung 17: Opt. des Maschinenbelegungsplans nach 10 Generationen. XI

Abbildung 18: Opt. des Maschinenbelegungsplans nach 100 Generationen. XII

Abbildung 19: Opt. des Maschinenbelegungsplans nach 1500 Generationen. XII

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Die verschiedenen Basisalgorithmen der Evolutionsstrategie

Tabelle 2: Erweiterungen der Basisstrategien

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

1.1. Begründung der Themenstellung

Viele technische Errungenschaften haben ihren Ausgangspunkt in der Natur, sind so- zusagen natürlichen Vorbildern entsprungen. Beispiele hierfür gibt es fast unzählige, ob Sonar, Klettverschluss, Keramikbeschichtungen, Propeller etc. - alle haben ihren Ursprung in der Natur. Die Übertragung natürlicher Phänomene auf die Technik ist ein Gebiet, mit dem sich die Bionik auseinandersetzt. Die Bionik als Wissenschaft ist noch recht jung. Die Potenziale, die man ihr zuspricht sind recht verheißungsvoll, was auch darin begründet ist, dass die Rechenleistung der Computer, die es hierfür benötigt, entsprechend zugenommen hat.

Lebewesen, egal ob Pflanzen oder Tiere, verändern sich im Laufe der Zeit und passen sich ihrer Lebenswelt immer besser an. Diesen Prozess beschreibt Darwins Evolutionstheorie, auf die nachfolgend nochmals vertiefend eingegangen werden wird.

Auch technische Produkte gilt es kontinuierlich zu verbessern, um konkurrenzfähig zu bleiben. Eine Möglichkeit hierzu stellt die Evolutionsstrategie dar, die das Kernthema dieser Ausarbeitung sein wird.[1] Ähnlich wie in der Natur Lebewesen anhand der entsprechenden Randbedingungen und Faktoren „optimiert“ werden“, so lässt sich dieser evolutionäre Prozess auf Produkte und Prozesse übertragen.

1.2. Zielsetzung

Wie der Titel bereits sagt, thematisiert diese Ausarbeitung die Evolutionstheorie von Darwin und die aus ihr abgeleitete Evolutionsstrategie (ES) als bewusst geplante Optimierungsstrategie für technische Produkte und Prozesse. Konkret gilt es zunächst das Prinzip der Evolution, das Charles Darwin entdeckt hatte, in allen Einzelheiten zu erläutern, bevor der Mechanismus der Evolutionsstrategie als technisches Optimierungsverfahren beschrieben und erklärt wird. Hierzu gehören u.a. die verschiedenen Basis-Algorithmen der ES, die es vorzustellen und zu beschreiben gilt. Es gilt weiterhin, das zentrale Gesetz des evolutionären Fortschritts und die ihm zugrundeliegende Bedingung zu erklären.

Die Evolutionsstrategie basiert auf mathematischen Algorithmen. Wie auch bei der biologischen Evolution spielt bei dieser der Zufall eine entscheidende Rolle. Doch inwieweit handelt es sich bei diesem Optimierungsverfahren um echte- oder Pseudozufallszahlen? Diese Fragestellung weist bereits auf eine weitere Zielsetzung hin, worin sich Evolutionstheorie und –strategie gleichen bzw. unterscheiden.

Hierbei stellt sich auch die Frage nach den Stärken und Schwächen der Evolutionsstrategie.

Abschließend erfolgt eine Beschreibung dreier praktischer Anwendungen der Evolutionsstrategie.

1.3. Aufbau der Arbeit

Der Aufbau folgt der Zielsetzung dieser Ausarbeitung. Nach dem einleitenden Kapitel 1 befasst sich das zweite Kapitel mit der Evolutionstheorie von Charles Darwin. Hierbei wird zunächst ein Blick zurück auf die Anfänge der Evolutionsforschung an sich geworfen, bevor die Einführung in die eigentliche Evolutionstheorie und deren Vertiefung erfolgt. Das Kapitel 3 hat die Evolutionsstrategie als technisches Optimierungsverfahren zum Thema und stellt deren wesentlichen Merkmale und Annahmen heraus. Zum Abschluss dieses Kapitels gilt es die Stärken und Schwächen der Evolutionsstrategie zu beleuchten sowie den Vergleich zwischen dieser und der Evolutionstheorie anzustellen.

Im vierten Kapitel werden drei Beispiele für Anwendungen der Evolutionsstrategie vorgestellt und näher beschrieben, bevor im abschließenden fünften Kapitel eine Zusammenfassung der hier erarbeiteten und dargelegten Ergebnisse vorgenommen wird, gefolgt von einer kritischen Reflexion.

2. Evolutionstheorie von Charles Darwin

2.1. Die Anfänge der Evolutionsforschung

Bis zu den Anfängen des 18ten Jahrhunderts ging man in der Biologie davon aus, dass ein natürliches System ein statisches Gebilde sei, das keine Arten neu entstehen oder bestehende verändern ließe. Erst zum Ende des 18ten Jahrhunderts mehrten sich die Zweifel in der Wissenschaft an der Unveränderlichkeit der Arten.[2] Bis dahin gab es zwar vereinzelte Forscher, die die Unabänderlichkeit dieser in Zweifel zogen, deren Zahl und Akzeptanz war jedoch selbst in gebildeten Kreisen gering. Breiteres Aufsehen erregte erst Lamarcks Werk Philosophie Zoologique [3] aus dem Jahr 1809 als eine der ersten systematischen Evolutionstheorien.

Lamarck ging davon aus, dass sich Organismen aktiv an ihre Umwelt anpassen würden. Hierbei würden Organe durch die Bewegung von Gasen und Flüssigkeiten sowie erregende Ursachen wie Licht, Wärme oder Elektrizität gebildet und umgebildet werden. Organe, die besonders häufig gebraucht wurden, optimierten sich so im Laufe der Zeit. Er war der Ansicht, die Evolution würde durch eine Tendenz zu immer größerer Komplexität angetrieben. An der Spitze standen die am höchsten entwickelten Lebewesen. Mikroskopisch kleine Organismen bildeten sich aus unbelebter Materie. Lamarck glaubte, die Evolution würde sich nach den „innersten Bedürfnissen“ der Lebewesen richten. Körperteile, die intensiv genutzt werden, entwickeln sich weiter, während solche, die nicht genutzt werden, verkümmern (Lamarckismus).[4] Die so entstandenen positiven Veränderungen waren erblich und wurde daher auf die nächste Generation übertragen. Somit waren Eigenschaften und Verhaltensweisen genetisch erklärbar.[5] Wenngleich seine Theorie mittlerweile widerlegt ist, war sie jedoch ein wesentlicher Ausgangspunkt für die Erkenntnisse, dass sich bestimmte, sich als vorteilhaft herausstellende Merkmale vererben.

2.2. Die Evolutionstheorie von Charles Darwin

Im gleichen Jahr, als Lamarck seine Theorie veröffentlichte, wurde Charles Darwin (1809-1882) in Shrewsbury (West-England) geboren. Bereits mit 16 Jahren begann er auf Anweisung seines Vaters, ein sehr angesehener Arzt, ein Medizinstudium an der Universität Edinburgh. Wirklich begeistern konnte er sich für die Medizin nicht, weswegen er dieses vorzeitig ohne Abschluss beendete um sich am Christ College in Cambridge zum Theologiestudium einzuschreiben. Dieses beendete er auch erfolgreich im Jahr 1831 nach drei Jahren. In der damaligen Zeit waren fast alle Naturwissenschaften eng mit der Welt der Theologie verflochten. John Stevens Henslow, sein Professor für Botanik, riet ihm zu einer Forschungsreise auf dem Forschungsschiff Beagle, das unter Kapitän Fritz Roy von Plymouth, England aus zu einer Weltumseglung vorbereitet wurde. Mit 22 Jahren begab sich Darwin auf die fünf Jahre dauernde Reise. Das wesentliche Ziel dieser Reise war es, die südamerikanische Küste zu vermessen um dadurch die Seekarten der britischen Marine zu aktualisieren.[6] Interessanterweise war Darwin zu diesem Zeitpunkt selbst noch von der Konstanz der Arten überzeugt.[7] Auf seiner Reise beobachtete er, wie sich unterschiedliche Lebewesen an die verschiedenen Gebiete wie brasilianischer Dschungel, die argentinische Pampa, die Hochlagen der Anden etc. anpassen.

Er bemerkte, dass Tiere und Pflanzen in Südamerika sich merklich von denen in Europa unterschieden. Noch bemerkenswerter war seine Feststellung, dass Flora und Fauna aus den gemäßigten Zonen Südamerikas denen aus den südamerikanischen Tropen ähnlicher waren, als die Tiere und Pflanzen aus vergleichbaren Klimazonen Europas. Darüber hinaus fand Darwin Fossilien, die sich zwar erheblich von heutigen Lebewesen unterschieden, jedoch gewisse Ähnlichkeiten mit ihnen aufwiesen. Es fiel ihm aber auf, dass sie den Lebensformen von Südamerika ähnlich waren.

Der Besuch der Galapagos Inseln war für Darwin ein Schlüsselereignis. Auf diesen fand er u.a. finkenähnliche Vogelarten. Darwin war davon überzeugt, dass sie trotz großer Ähnlichkeit unterschiedliche Arten seien. Diese hatten zwar ebenso eine große Ähnlichkeit mit Vogelarten auf dem südamerikanischen Festland, allerdings kamen sie nur auf den Galapagos Inseln vor. Darwin vermutete, dass diese sich versehentlich vom Festland auf die Galapagos Inseln verirrt und danach auseinanderentwickelt hätten.[8] Dieser Beobachtung maß Darwin zunächst nur wenig Beachtung bei.[9]

Darwin war sich nicht sicher, ob die Galapagos-Finken verschiedene Arten oder Varianten lediglich einer Art waren. Erst nach seiner Rückkehr nach England beauftragte er Vogelkundler, die Finken zu bestimmen, mit dem Ergebnis, dass diese in der Tat verschiedene Arten[10] waren.

Nicht auszuschließen ist, dass Darwins Erkenntnis auch durch das Werk Principles of Geology des damals führenden Geologen Charles Lyell reifte. Seine Erkenntnisse zusammen mit diesem Werk weckten Zweifel an der kirchlichen Lehre, die besagte, dass die Erde erst wenige Tausend Jahre alt sei. Ihm wurde bewusst, dass die Erde deutlich älter sein musste und sich zudem stetig veränderte. Mit dieser Erkenntnis war der folgende Schritt, dass sich auch so das Leben stetig veränderte, nicht weit. Diese Erkenntnis kundzutun, war zur damaligen Zeit ein heikles Unterfangen. Die Angst vor der Brisanz, die sein Werk zu der damaligen Zeit beinhaltete, führte dazu, dass Darwin seine Theorie erst 23 Jahre nach seiner Weltreise mit der Beagle veröffentlichte

2.3. Gemeinsame Abstammung aller Lebewesen

Darwins Werk Die Entstehung der Arten erschien 1859. In diesem beschreibt er, wie sich die unterschiedlichen Arten aus einer einzigen heraus entwickelten, ähnlich der Struktur eines Baumes mit einem Stamm und vielen Ästen, die sich immer weiter verzweigen und frischen, jungen Trieben, die die gegenwärtigen Lebewesen darstellen. Jede Astgabel stellt eine neue Art dar und hat einen gemeinsamen Vorfahren. Miteinander verwandte Arten lassen sich dadurch identifizieren, dass sie viele gemeinsame Merkmale besitzen. Ein typisches Beispiel wären Pferd und Esel.

Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass es auch ähnliche Merkmale gibt, die sich unabhängig voneinander entwickeln, wie bspw. die Stromlinienform von Fischen und Delfinen. In solchen Fällen führen äußere Bedingungen, wie das schnelle Fortkommen im Wasser, zur Entstehung dieser Merkmale. Die Herausgestaltung ähnliche Merkmale trotz fehlender naher Verwandtschaft der Arten miteinander nennt man Konvergenz.[11]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Der Stammbaum der Primaten[12]

2.4. Anpassung der Arten an die Umweltbedingungen

Eine wesentliche Erkenntnis Darwins war, dass es einen Zusammenhang zwischen der Entstehung neuer Arten und veränderten Umweltbedingungen geben musste. So folgerte er, dass eine neue Art durch Anpassung einer bereits bestehenden Art an die (veränderte) Umwelt entstünde. Laut dieser Folgerung würden sich Lebewesen einer Art durch geografische Trennung und anderen Umweltbedingungen über viele Generationen immer unähnlicher werden, bis sie sich letztlich so weit voneinander entfernt haben und verschiedene Arten darstellen. Es hat somit eine reproduktive Isolation stattgefunden.[13] Gleiches ist mit den Finken geschehen, die Darwin von den Galapogos Inseln mitbrachte. So unterschieden sich bspw. ihre Schnäbel dahingehend voneinander, je nachdem welche Nahrungsquellen auf ihren Heimatinseln verfügbar waren. Daraus darf aber nicht geschlossen werden, dass Lebewesen eine angeborene Eigenschaft hätten, ständig vollkommener zu werden. Die Anpassung ist nur ein Nebenprodukt der Selektion.[14] Auch ist die Anpassung ein rein passiver Vorgang, wenngleich es umgangssprachlich heißt, dass sich Lebewesen anpassen, so werden sie angepasst.[15]

2.5. Mutation, Selektion und Adaption: Survival of the fittest

Die natürliche Auslese (Selektion) ist eine der wesentlichen Faktoren der Darwinschen Evolutionstheorie. So verfügen alle Arten über ein so hohes Fortpflanzungspotential, dass, wenn sich alle Nachkommen ebenfalls erfolgreich fortpflanzen könnten, die Populationen sämtlicher Arten exponentiell zunehmen würde. Dies ist aber nicht der Fall, sondern sie bleibt in den meisten Fällen recht stabil. Zwar gibt es natürliche Feinde, doch ebenso sind die Lebensbedingungen dahingehend begrenzt, dass die Umwelt nicht alle Nachkommen mehr tragen kann. Es kommt zu einem Verdrängungswettbewerb, einem Kampf ums Überleben, den in jeder Generation nur ein Bruchteil der Individuen durchstehen und sich fortpflanzen kann. Nicht alle Individuen innerhalb einer Population sind identisch. Sie verfügen über (leicht) unterschiedliche Merkmale, die sie von ihren Eltern vererbt bekommen haben. Individuen, die von Ihren Eltern Eigenschaften vererbt bekommen haben, die sie besser an die vorherrschende Umwelt anpasst, haben einen komparativen Vorteil gegenüber Artgenossen, die nicht über eine solche Eigenschaft verfügen. Dies ist ein fortlaufender Prozess, der sich von Generation zu Generation weiterentwickelt. Durch diesen Vorteil erhöhen sich auch die Überlebens- und Fortpflanzungschancen. Letztlich verbleiben die Individuen, die in der betreffenden Umwelt am besten zurechtkommen (Survival of the fittest). Der Vorgang dorthin ist die natürliche Auslese.[16]

3. Die Evolutionsstrategie als technisches Optimierungsverfahren

3.1. Entwicklung der Evolutionsstrategie

Die Evolutionsstrategie wurde 1964 von den beiden deutschen Wissenschaftlern Ingo Rechenberg und Hans-Paul Schwefel von der Technischen Universität Berlin entwickelt. Sie stellt ein Optimierungsverfahren dar, das auf den Prozessen der Evolutionstheorie beruht.[17]

Rechenberg nutzt die biologische Evolution als Richtlinie zur Entwicklung seiner Evolutionsstrategien. Ähnlich, wie bei Charles Darwins Evolutionstheorie, die sich auf die beiden Mechanismen Variation und Selektion stützt, können Prinzipien, die für die biologische Evolution Gültigkeit haben, auch als technisches Optimierungsverfahren eingesetzt werden.

Die Evolutionsstrategie geht nach den folgenden vier Schritten vor:

1. Die Variablen, die bei dem zu optimierenden Objekt verändert werden können, werden definiert.
2. Diese Variablen werden zufällig innerhalb bestimmter Größen variiert.
3. Die Ergebnisse werden bewertet und es werden diejenigen ausgewählt, die dem Optimierungsziel am nächsten kommen.
4. Der Vorgang wird so lange wiederholt, bis ein vorab definiertes Abbruchkriterium erreicht wurde.

Ein zentraler Begriff der Evolutionsstrategie ist der der Qualität bzw. der Qualitätsfunktion. Unter Qualität versteht man die Überlebenschance des Individuums im Hinblick auf die Zielerreichung der gewünschten Optimierung. Somit ist jede Entwicklungsstufe eines technischen Objekts durch bestimmte Einstellwerte seiner Parameter und der daraus resultierenden Qualität gekennzeichnet.[18] Verbessert sich somit die Qualität der einzelnen Individuen, führt dies indirekt dazu, dass sich gleichsam die der gesamten Population verbessert. Die Evolutionsstrategie erzielt diese Verbesserungen über die Mutation und die Schrittweitenanpassung. Damit mittels der Evolutionsstrategie eine Optimierung gestartet werden kann, muss zuvor festgelegt werden, welche Größe bzw. Größen optimiert werden sollen. Es muss folglich eine Ziel- bzw. Qualitätsfunktion definiert werden. Diese sagt etwas über die Güte bzw. Qualität des betrachteten Systems aus.[19] Übertragen auf die Evolutionstheorie definiert die Qualitätsfunktion, welche Individuen selektiert werden. Sie hat somit die Rolle der Selektion. Folglich führt eine unzureichend oder schlecht festgelegte Qualitätsfunktion zu ebensolchen Ergebnissen.

3.2. Basisalgorithmen der Evolutionsstrategie

Im Prinzip müsste man eher von Evolutionsstrategien im Plural sprechen, da es verschiedenen Grundarten dieser gibt, die sich in wesentlichen Punkten voneinander unterscheiden.[20] Der eigentliche Ablauf der Optimierung sowie die methodische Vorgehensweise, insbesondere wie der Zufall einmodelliert wird, ist zwar bei all diesen Varianten gleich, dennoch unterscheiden sie sich in wesentlichen Punkten, wie bspw. in der Einbindung der Elterngeneration und der Anzahl der Nachkommen. Die jeweiligen Algorithmen gilt es so lange zu durchlaufen, bis ein vorab definiertes Abbruchkriterium erfüllt ist. Abbruchkriterien stellen in der Regel eine gewisse Anzahl an Generationen dar, das Erreichen der gewünschten Ziel- bzw. Qualitätsfunktion oder beides.

Die nachfolgende Übersicht zeigt die verschiedene Grundarten der Evolutionsstrategie (ES).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Die verschiedenen Basisalgorithmen der Evolutionsstrategie[21]

Neben diesen Basisalgorithmen, können diese auch beliebig miteinander verschachtelt, kombiniert und verändert werden, wenn es zur Lösung eines Optimierungsproblems nützlich ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Erweiterungen der Basisstrategien[22]

3.3. Starke und schwache Kausalität

Mathematische Modelle wie auch die Evolutionsstrategie setzen eine gewisse Ordnung voraus. Ohne diese lassen sich keine Prognosen und somit auch keine Optimierungen erzielen. Starke Kausalität bedeutet Vorhersage von lokaler Ordnung.[23]

Von einer kausalen Verknüpfung zwischen dem Ereignis A und B spricht man dann, wenn auf ein Ereignis A (Ursache) immer ein Ereignis B (Wirkung) folgt. Ebenso muss das Ereignis A dem Ereignis B zeitlich vorausgegangen sein.[24] Auf physikalische Vorgänge bezogen bedeutet das, dass man die Wirkung korrekt bestimmen kann, wenn man die Ursache vollumfänglich kennt. Gleiches gilt für den Weg zurück. Somit sagt das Kausalitätsprinzip aus, dass gleiche Ursachen gleiche Wirkungen haben.[25] Das Kausalitätsprinzip hängt also mit dem Determinismus zusammen, da die Wirkung (bzw. die einer Wirkung zugrundeliegende Ursache) vorgestimmt ist.

Wenn gleiche Ursachen stets die genau gleiche Wirkung zur Folge haben, spricht man von schwacher Kausalität. Es ist einleuchtend, dass dies eher von theoretischer als realistischer Natur ist. Selbst unter Laborbedingungen, geschweige denn unter realen Bedingungen, lassen sich bei der Wiederholung eines Experiments nie die völlig identischen Ausgangsbedingungen herstellen. Dennoch sind die Ergebnisse sehr ähnlich und reproduzierbar. Wenn also ähnliche Ursachen ähnliche Wirkungen haben, wird dies als starke Kausalität bezeichnet. Es ist somit wichtig zu verstehen, wie stark kleine Änderungen der Ursache die Wirkung beeinflussen. Folglich kann man sagen, dass unsere Welt generell stark kausal organisiert ist.[26]

3.4. Das zentrale Gesetz des evolutionären Fortschritts

Die zentrale Frage, die die Evolutionsstrategie zu beantworten hat ist, wie schnell sich die Evolution zu ihrem Zielpunkt hinbewegt. Diesen Vorgang kann man gut als die Besteigung eines Berges verbildlichen. Die Geschwindigkeit, den Zielpunkt, somit den Berggipfel zu erreichen, nennt man Fortschrittsgeschwindigkeit ( ). Hierbei nutzt sie das stark kausale Verhalten des „Gegners“ Natur.[27]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Das zentrale Fortschrittsgesetz der Evolutionsstrategie[28]

Diese berechnet sich folgendermaßen:

Da von der Form des Berges abhängt, könnte jeden beliebigen Wert annehmen.

Die Evolutionsstrategie nutzt vorgefertigte mathematische Strukturen. Durch die starke Kausalität ist es nicht notwendig, das gesamte Gebirge zu kennen. Es genügt die lokale Beschreibung des stark kausalen Verhaltens, somit ein Ausschnitt.

Die Ziel- bzw. Qualitätsfunktion bleibt während der gesamten Optimierung identisch. Hingegen muss die Mutationsschrittweite der entsprechenden Situation angepasst werden.[30] Die Mutationsschrittweite stellt die zentrale Größe der Evolutionsstrategie dar.[31] Erst durch die sinnvolle Adaption der sogenannten Strategieparameter wird aus der Nachahmung der Evolution eine Evolutionsstrategie.

Die Fortschrittsgeschwindigkeit lässt sich in Abhängigkeit der Größe der Mutationsschrittweite berechnen. Hierfür bringt Rechenberg den Begriff des Evolutionsfensters ins Spiel, das in der nachfolgenden Abbildung gezeigt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Das zentrale Fortschrittsgesetz der Evolutionsstrategie[32]

[...]


[1] A.d.V.: Die Evolutionsstrategie wird oftmals im Zusammenhang mit evolutionären Algorithmen gesehen, die eine Übergruppe bilden und neben der Evolutionsstrategie auch andere Verfahren wie evolutionäre und genetische Programmierung umfassen. (Vgl. Gerdes, I.; Klawonn, F.; Kruse, R. (2004): Evolutionäre Algorithmen; S. 115-142.)

[2] Vgl.: Wiesenmüller, B.; Rothe, H., Henke, W. (2003): Phylogenetische Systematik – Eine Einführung; S. 4

[3] Lamarck, J.-B. de (1809): Philosophie zoologique, ou, Exposition des considérations relatives à l'histoire naturelle des animaux.

[4] A.d.V.: Ein bekanntes Beispiel ist die Giraffe, die von den Bäumen die Blätter frisst. Sie muss ihren Hals in die Höhe strecken, dadurch wird er länger. Die Gene für den längeren Hals werden an die Nachkommen gegeben, diese verlängern ihren Hals weiter und geben Gene für einen noch längeren Hals an die nächsten Nachkommen weiter. So kommt es, dass die Giraffenhälse heute so lang sind.

[5] Vgl. Lefèvre, W. (2001): Jean Baptiste Lamarck; S. 176-201.

[6] Vgl. Hoßfeld, U.; Olsson, L. (Hrsg.) (2014): Charles Darwin: Zur Evolution der Arten und zur Entwicklung der Erde; S. 101.

[7] Vgl. Stober, A. (o. J.) Forschung: Evolutionsforschung.

[8] Vgl. Reece, J.; Urry, L.; Cain, M.; Wasserman, S.; Minorsky, P.; Jackson, R. (2014): Campbell Biologie; S. 604ff.

[9] Vgl. Storch, V.; Welsch, U.; Wink, M. (2013): Evolutionsbiologie; S. 24f.

[10] A.d.V.: Zu einer Art gehören danach alle Lebewesen und Populationen, die untereinander ohne künstlichen Eingriff fortpflanzungsfähige Nachkommen erzeugen. (Vgl. Plaxco, K. W.; Groß M. (2012): Astrobiologie für Einsteiger; S. 5.)

[11] Vgl. Vollmer, G. (2007): Wieso können wir die Welt erkennen? Neue Argumente zur Evolutionären Erkenntnistheorie; S. 237.

[12] A.d.V.: Skizze eines Stammbaums der Primaten, die Darwin einem Brief an Huxley beigefügt hatte. Die linke Seite zeigt das Original, die rechte eine erläuternde Skizze mit deutschen Bezeichnungen. Dieser Entwurf stimmt bereits weitestgehend mit der heutigen Stammesgeschichte der Primaten überein. (Wiesenmüller, B.; Rothe, H.; Henke, W. (2003): Phylogenetische Systematik – Eine Einführung; S. 7.).

[13] Vgl. Begon, M.; Howarth, R. W.; Townsend C. R. (2017): Ökologie; S. 51.

[14] Vgl. Mayr, E. (2003): Das ist Evolution; S. 188f.

[15] Vgl. Laue, C. (2010): Evolution, Kultur und Kriminalität – über den Beitrag der Evolutionstheorie zur Kriminologie; S. 105.

[16] A.d.V.: Wissenschaftler vermuten, dass 99,9 Prozent der Tierarten, die jemals auf der Erde gelebt haben, bereits ausgestorben sind. Das sind etwa 500 Millionen Arten. Eine Auswahl der Tiere, die es nicht mehr gibt. (Vgl.: Köhler, S. (04.04.2015): Diese Tierarten sind bereits ausgestorben.)

[17] A.d.V.: Ihre Publikation erfolgte um 1973. Später wurde sie von vielen anderen, besonders durch H.P. Schwefel, weiterentwickelt. Vgl. Rechenberg, I. (1973): Evolutionsstrategie – Optimierung technischer Systeme nach Prinzipien der biologischen Evolution.

[18] Vgl. Rechenberg, I. (1973): Evolutionsstrategie – Optimierung technischer Systeme nach Prinzipien der biologischen Evolution; S. 46.

[19] Vgl. Kost, B. (2003): Optimierung mit Evolutionsstrategien; S. 11. Insbesondere bei technischen und wirtschaftlichen Fragestellungen ist es nicht unüblich mit verschiedenen Optimierungskriterien zu arbeiten, bspw. Kostenminimierung und Qualitätsoptimierung.

[20] A.d.V.: Im weiteren Verlauf dieser Ausarbeitung wird auf diese scharfe sprachliche Differenzierung verzichtet, da dies in der Literatur ebenso wenig erfolgt.

[21] Eigene Darstellung in Anlehnung an Nachtigall, W. (2002): Bionik – Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler. (2002); S. 364-367 sowie Rechenberg, I. (1994): Evolutionsstrategie ’94; S. 46-48.

[22] Eigene Darstellung in Anlehnung an Nachtigall, W. (2002): Bionik – Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler); S. 364-367 sowie Rechenberg, I. (1994): Evolutionsstrategie‘94; S. 46-48.

[23] Rechenberg, I. (1994): Evolutionsstrategie‘94; S. 36.

[24] Vgl. Saporiti, K. (2017): Empirismus; S. 43-53; S. 49.

[25] Vgl. Rechenberg, I. (1994): Evolutionsstrategie‘94; S. 126 sowie Köhler-Buchmeister, M. (2008): Koordinierte Selbstorganisation und selbstorganisierte Koordination; S. 12.

[26] Vgl. Rechenberg, I. (1994): Evolutionsstrategie‘94; S. 126.

[27] Vgl. Rechenberg, I. (2015): Sternstunden der Evolutionstheorie sowie Rechenberg, I. (1994): Evolutionsstrategie ’94; S. 36f.

[28] Rechenberg, I. (1994): Evolutionsstrategie ’94; S. 37.

[29] Vgl. Rechenberg, I. (1994): Evolutionsstrategie’94; S. 36. Hierbei geht es um den zurückgelegten Weg auf dem Gradientenpfad, nicht um die gewonnene Höhe.

[30] A.d.V.: Optimal wäre, wenn die Mutabilität der Nachkommen mit in den Erbinformationen liegen würde. Einen solchen Ansatz wählte Schwefel und baute die Mutationsrate als Teil des Individuums in dessen Evolution mit ein, was auch als automatische Schrittweitenanpassung bezeichnet wird. Dies wird im Anhang noch ein wenig weiter verdeutlicht.

[31] Vgl. Nachtigall, W. (2002): Bionik – Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler; S. 368.

[32] Rechenberg, I. (1994): Evolutionsstrategie ’94; S. 37.

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Details

Titel
Evolutionstheorie und Evolutionsstrategie. Die Evolutionsstrategie als technisches Optimierungsverfahren
Hochschule
AKAD University, ehem. AKAD Fachhochschule Stuttgart  (Wirtschaftsinformatik)
Veranstaltung
IKK61
Note
1,0
Autor
Jahr
2017
Seiten
37
Katalognummer
V377856
ISBN (eBook)
9783668551527
ISBN (Buch)
9783668551534
Dateigröße
1066 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Evolutionsstrategie, Evolutionstheorie, Darwin, Rechenberg, evolutionärer Fortschritt, Praxisbeispiel
Arbeit zitieren
Dipl. Kfm. Holger Schmid (Autor), 2017, Evolutionstheorie und Evolutionsstrategie. Die Evolutionsstrategie als technisches Optimierungsverfahren, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/377856

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