الخوارزميات الجينية(حلقة 1) Genetic Algorithm

 

بسم الله الرحمن الرحيم

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته :

سنتعرف اليوم على نوع جديد من الخوارزميات , ألا وهي الخوارزميات الجينية , وهذا القسم من الخورازميات يندرج تحت إطار الذكاء الصنعي.

في الواقع, نحن مولعون كثيرا بهذا النوع من الخوارزميات , وبأدائها الرهيب وخصوصاً بعد القيام بتجريب برمجتها بشكل فعلي على عدد من المواضيع ورؤية مفعولها السحري الرائع , لذا قررت أن أشارككم في معلوماتي في هذا السياق ,ونتناقش ونتحاور ونطور لغة الحوار فيما بيننا لنرتقي بمستوى العلوم التي يتم تعريبها بشكل عام:

في البداية , وبسبب ضخامة هذا المجال بشكل عام , ورغبتنا بطرحه بشكل كافي ووافي وموجز قدر الإمكان قررت تقسيم هذا الموضوع لحلقات , وإليكم اليوم الحلقة الأولى من الخوارزميات الجينية .

 

 

الجينات

بدايات التفكير في الخوارزميات الجينية: [1][2] 

ركزت التجارب في الذكاء الصنعي بشكل تقليدي على محاولة تكرار تصرفات الإنسان –أذكى الكائنات الحية -وتطبيقها في مجال البرمجيات ,وقد استطاعت هذه المقاربة نوعاً ما أن تحقق نجاح ملحوظ ,وأكبر مثال على ذلك آلة ديب بلو للعب الشطرنج  Deep Blue chess machine  التي تغلبت على الذكاء البشري المتمثل باللاعب كاسبروف Kasparov  وذلك في شهر أيار من عام 1997 ,لكن عملية المحاكاة السابقة للسلوك البشري , كانت محدودة نوعاً ما, حيث وقفت عاجزة عن حل بعض المسائل , التي يعرف معظم الناس حلها مسبقاً .ومن هنا بدأت تظهر فكرة الطرائق الذكية الحسابية computational intelligence methods  مثل الحوسبة التطورية evolutionary computing  , التي زودت الحاسب بإمكانية حل المسائل المعقدة دون الاعتماد على خبرة الإنسان,وانما حاولت الاستفادة من ألية التطور(المطروحة في نظرية داروين  )وتحويلها لنموذج حاسوبي كإجرائية للأمثلة , فكما في الطبيعة, فإن عملية التطور في الكائنات الحية تهدف للتكيف مع البيئة المحيطة بهدف النجاة فعملية التطور تتجه دوماً نحو ما هو أمثل وأفضل للكائن الحي – و مثال عليها تطور الزرافات بحيث استطالت اعناقها لتستطيع الوصول لغذائها المتمثل في أوراق الأشجار العالية – إذ أن البقاء للأصلح.

 وفعلاً , فلم تلبث الافكار السابقة طويلاً حبيسة المختبرات ,حيث  تم فعلياً طرح   فكرة الخوارزميات الجينية –التي هي جزء من الحوسبة التطورية – بشكل رسمي في الولايات المتحدة عام 1970 من قبل بروفيسور في علوم الحاسب من جامعة ميشيغانMichiganUniversity of يدعى جون هولاند Johon Holland  ويبلغ من العمر 76 عام ,وقد كان قد بدأ بالعمل عليها منذ بدايات الستينيات, وكان هدفه تطور فهم إجرائية التطور الطبيعية وتصميم نظم صناعية لها مميزات مشابهه للنظم الطبيعية.

وكما أن الدافع المستمر لتحسين أداء النظم الحسابية , جعل من الخوارزميات الجينية حلأ مغرياً وجذاباً من أجل حل بعض مسائل الأمثلة التي لم يكن من الممكن حلها بزمن معقول باستخدام بقية الطرق التقليدية السائدة.

 الأمثلية المحلية بدلاً من الوصول للحل الأمثلي العام ,تلك المطبات التي غالباً ما تقع فيها طرائق البحث التدريجية Gradient search methods , لكن بشكل عام فإن الخوارزميات الجينية تميل لأن تكون مكلفة حسابياً .

ولكن ماهي فعلياً الخوارزميات الجينية ؟ وما هو بالتحديد النموذج الطبيعي الذي تم استيحائها منه؟

سنبدأ في البداية بتوضيح بعض المصطلحات والمفاهيم البيولوجية( بشكل مختصر وموجز قدر الامكان), التي تشكل المنطلق الذي انطلقت منه فكرة الخوارزميات الجينة

مقدمة بيولوجية  Biological Background:[2]

الكروموزوم:

كل الكائنات الحية تتألف من خلايا, يوجد في كل خلية نفس مجموعة الكروموزومات chromosomes .

حيث ان الكروموزومات هي عبارة عن سلاسل من الدي ان اي DNA  ,وبإمكاننا القول بأن الكروموزومات هي بمثابة نموذج يمثل الكائن كله.

إذ يتألف كل كروموزوم من عدد من الجينات , التي بدورها عبارة عن كتل من الدي ان اي DNA  ,و كل جين gene يرمّز بروتين محدد , اي بشكل اساسي بإمكاننا القول بأن كل جين يرمّز صفة معينة في الكائن الحي , على سبيل المثال لون العينين .

لكل جين ضمن الكروموزوم موقعه الخاص , يدعى هذا الموقع ب locus .

تدعى المجموعة الكاملة من المادة الجينية –اي كل الكروموزومات – بالجينوم genome .

وتدعى مجموعة محددة من الجينات ضمن الجينوم بالجينوتايب genotype  .

يتحول الجينوتايب في الكائن الحي – بعد التطورات التي تلي مرحلة الولادة – إلى الفينوتايب phenotype  , الذي يمثل بدوره خواص فيزيائية مدركة في الكائن الحي , مثل لون العينين , الذكاء , …الخ

 

التكاثرreproduction :

اول مرحلة في عملية التكاثر , هي مرحلة الاتحاد recombination  أو التصالب crossover  بين الكروموزومات, حيث تقوم الجينات من الوالدين في هذه المرحلة-بطريقةٍ ما – بتشكيل الكروموزوم الجديد , وهنالك احتمال  بعدها لهذه الاجيال الجديدة الناتجة new offspring  بأن تخضع للطفرة mutation .

الطفرة Mutation:

 وتعني حدوث تغيير بسيط في بعض عناصر الدي ان اي DNA   , هذه التغيرات تنتج بشكل اساسي من اخطاء اثناء نسخ الجينات من الابوين .

تقاس صلاحيةfitness  الكائن الحي بقدرة الكائن الحي على النجاح في حياته.

وعند هذه النقطة ستنتهي حلقتنا هذا اليوم , وعلى أمل اللقاء في الحلقة القادمة مع الجزء الأكثر متعة وتشويقاً وهو الجزء الذي يقوم بإسقاط المفهوم البيولوجي ضمن إطار البرمجة والمعلوماتية …

وإلى أن ألقاكم قريباً أستودعكم الله  والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته.

مع تحيات: م. نور الصباحي

 

 

فهرس سلسلة الخوارزميات الجينية :

1. الخوارزميات الجينية ( الحلقة الأولى)
2. الخوارزميات الجينية ( الحلقة الثانية)
3. الخوارزميات الجينية ( الحلقة الثالثة)
4. الخوارزميات الجينية ( الحلقة الرابعة والأخيرة)