460-4053/01 – Biologicky inspirované výpočty (BIV)

Garantující katedraKatedra informatikyKredity4
Garant předmětuprof. Ing. Ivan Zelinka, Ph.D.Garant verze předmětuprof. Ing. Ivan Zelinka, Ph.D.
Úroveň studiapregraduální nebo graduálníPovinnostvolitelný odborný
Ročník2Semestrzimní
Odkaz na webhttp://www.ivanzelinka.eu/hp/BIV.htmlJazyk výukyčeština
Rok zavedení2010/2011Rok zrušení2015/2016
Určeno pro fakultyFEIUrčeno pro typy studianavazující magisterské
Výuku zajišťuje
Os. čís.JménoCvičícíPřednášející
S1A10 doc. RNDr. Petr Šaloun, Ph.D.
ZEL01 prof. Ing. Ivan Zelinka, Ph.D.
Rozsah výuky pro formy studia
Forma studiaZp.zak.Rozsah
prezenční Zápočet a zkouška 2+2
kombinovaná Zápočet a zkouška 10+0

Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi

Cílem předmětu je seznámení jeho posluchačů s moderními výpočetními metodami odvozených z evolučních a biologických procesů (evoluční algoritmy, buněčné automaty apod.). Absolvent získá přehled o moderních výpočetních postupech založených na principech, odpozorovaných z biologických dějů a dynamik. Po úspěšném absolvování kurzu bude absolvent schopen aplikovat metody probírané v kurzu na reálné problémy.

Vyučovací metody

Přednášky

Anotace

V rámci předmětu se bude probírat širší spektrum evolučních výpočetních technik. Budou zmíněny jak historicky klasické techniky, tak moderní algoritmy. Dále budou probírány na úvodní úrovni buněčné automaty, umělý život, neuronové sítě, evoluční hardware, DNA computing, apod. Velký důraz bude kladen na praktickou stránku věci - schopnost aplikovat většinu probíraných metod na praktické příklady. Student by měl mít po absolvování kurzu ucelené znalosti z výše zmíněných oblastí, včetně možnosti jeich použití. Součástí předmětu jsou laboratorní cvičení, v nichž si studenti budou procvičovat jak naprogramování vybraných algoritmů, tak jejich aplikování na řešení praktických problémů.

Povinná literatura:

Zelinka I., Oplatková Z., Šeda M., Ošmera P., Včelař F., Evoluční výpočetní techniky, principy a aplikace, BEN, 2008, Praha Kvasnička V., Pospíchal J., Tiňo P., Evolučné algoritmy, STU Bralislava, ISBN 80-227-1377-5, 2000 Zelinka I., Včelař F., Čandík M., Fraktální geometrie – principy a aplikace, BEN, 2006, 160 p., ISBN 80-7300-191-8

Doporučená literatura:

Mařík V. Štěpánková O., Lažanský J., Umělá inteligence IV, Academia, Praha, ISBN 80-200-1044-0, 2004 Mařík V. Štěpánková O., Lažanský J., Umělá inteligence III, Academia, Praha, ISBN 80-200-0472-6, 2001 Ilachinsky A., Cellular Automata: A Discrete Universe, World Scientific Publishing, ISBN 978-9812381835, 2001 Hilborn R.C.1994, Chaos and Nonlinear Dynamics, Oxford University Press, ISBN 0-19-508816-8, 1994 Gheorghe Paun (Author), Grzegorz Rozenberg (Author), Arto Salomaa, DNA Computing: New Computing Paradigms, Springer, ISBN 978-3540641964

Způsob průběžné kontroly znalostí během semestru

Kontrola je založena na vypracovávání protokolů předmětu, pomocí kterých student prokazuje nejen pochopení informací z přednášek, ale i schopnost jejich implementace v daném programovém prostředí. K získání zápočtu je nutno odevzdat cvičícímu všechny požadované protokoly a mít alespoň 80% fyzické účasti na laboratořích. Zápočet je podmínkou NUTNOU k připuštění ke zkoušce. U studentů kombinovaného studia jsou laboratoře nahrazeny vypracováním zadaných protokolů.

E-learning

Další požadavky na studenta

Je požadována schopnost tvořit programy v některém z programovacích jazyků vyučovaných na VŠB. Další požadavky na studenta nejsou kladeny.

Minimální znalostní požadavky

Prerekvizity

Předmět nemá žádné prerekvizity.

Korekvizity

Předmět nemá žádné korekvizity.

Osnova předmětu

Přednášky: 1.Evoluční algoritmy 1. Současný stav na poli softcomputingu, fuzzy logika, neuronové sítě, evoluční výpočetní techniky (EVT). Klasifikace evolučních výpočetních technik, historická fakta, současné trendy na poli EVT. Centrální dogma EVT podle Darwina a Mendela. 2. Evoluční algoritmy 2. No Free Lunch teorém. Výpočetní složitost a fyzikální limity algoritmů. Víceúčelová optimalizace a Paretova množina. 3. Evoluční algoritmy 3. Omezení kladená na účelovou funkci a parametry jedince. Penalizace a její dopad na geometrii účelové funkce. Práce s reálnými, celočíselnými a diskrétními hodnotami parametrů jedince. Genetické algoritmy. Terminologie GA. Princip činnosti, Hybridná GA, messy GA, paralelní GA, migrační a difůzní model. 4. Evoluční algoritmy 4. Evoluční strategie. Dvoučlenné ES: (1+1)-ES. Vícečlenné ES: (μ +λ)-ES a (μ, λ)-ES. Vícečlenné ES: (μ+λ)-ES a (μ, λ)-ES. Adaptivní ES. Rojení částic (Particle swarm). Rozptýlené hledání (Scatter Search). Optimalizace mravenčí kolonií (Ant Colony Optimization). 5.Evoluční algoritmy 5. SOMA : SamoOrganizující se Migrační Algoritmus, princip činnosti a použité strategie algoritmu: ATO, ATR, ATA a ATAA. Diferenciální evoluce, princip činnosti a použité verze: DE/best/1/exp, DE/rand/1/exp, DE/rand-to-best/1/exp, DE/best/2/ exp, DE/rand/2/exp, DE/best/1/bin, DE/rand/1/bin, DE/rand-to-best/1/bin, DE/best/2/bin, DE/rand/2/bin. SOMA, DE a permutační testovací problémy. 6. Evoluční algoritmy 6. Techniky genetického programování: genetické programování, gramatická evoluce. Alternativy: analytické programování, Probabilistic Incremental Program Evolution – PIPE, Gene Expression Programming, Multiexpression Programming a další. 7. Evoluční hardware (EH). Inspirace v biologii. Výpočetní zařízení. Rekonfigurovatelná zařízení. Evoluční návrh a číslicové obvody. EH a buňečné automaty. Polymorfní elektronika. 8. Buněčné automaty (BA) a komplexní systémy. Úvod do problematiky, Formalismus BA, dynamika a klasifikace buněčných automatů podle Wolframa, Conwayova hra života, modelování pomocí BA. 9. Umělý život. Základní definice a existující systémy a modely. Tierra, biomorfové, Sbeat, Sbart, Eden, Galapagos,... Sebereprodukující se automaty podle Turinga a von Neumanna. Langtonova smyčka, počítačové viry a umělý život. Umělý život a hrana chaosu (podle Kaufmanna) 10. Neuronové sítě (NS). Historie a základní princip NS. Trénovací množina a její použití NS. Základní typy sítí a jejich aplikace na různé typy problémů. 11. Fraktální geometrie. Historie, definice fraktálu, základní typy algoritmů generujících fraktály. Fraktální dimenze, interpolace a komprese. Vývojové systémy a umělý život. Lsystémy, želví grafika, parametrické L-systémy, L-systémy z pohledu fraktální geometrie. 12. Imunologické systémy (IS). Princip IS, limity IS, algoritmy realizující IS, imunotronika. 13. Swarm inteligence (SI). Základní pojmy a definice, reprezentativní algoritmy SI - particle swarm, scatter search, ant colony optimization, swarm robotic, umělá evoluce komplexních systémů. 14. DNA computing. DNA computing jako součást bioinformatiky, DNA a binární reprezentace podle Adlemanna. Watson-Crickův automat. Matematické modelování operací nad DNA. Cvičení (na PC učebnách): V cvičeních bude kladen důraz na praktickou aplikaci probíraných technik a řešení vybraných vzorových problémů. - tvorba základního jednotného frameworku pro biologicky inspirované algoritmy na principech GUI, 1 týden - tvorba modulu pro generování populace a fitness funkci, 1 týden - tvorba modulu pro techniky výběru rodičů (vhodných kadidátů) ke tvorbě potomků (lepších řešení), 1 týden - tvorba modulu pro křížení, 1 týden - tvorba modulů evolučních algoritmů, 4 týdnů - tvorba modulů symbolické regrese, 4 týden - tvorba modulu s jednoduchým buněčným automatem, 1 týden

Podmínky absolvování předmětu

Prezenční forma (platnost od: 2010/2011 zimní semestr, platnost do: 2015/2016 letní semestr)
Název úlohyTyp úlohyMax. počet bodů
(akt. za podúlohy)
Min. počet bodů
Zápočet Zápočet a zkouška 100 (100) 51
        Zápočet Zápočet 45  20
        Zkouška Zkouška 55  20
Rozsah povinné účasti:

Zobrazit historii

Výskyt ve studijních plánech

Akademický rokProgramOborSpec.FormaJazyk výuky Konz. stř.RočníkZLTyp povinnosti
2014/2015 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2014/2015 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2014/2015 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2014/2015 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2013/2014 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2013/2014 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2013/2014 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2013/2014 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2012/2013 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2012/2013 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2012/2013 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2012/2013 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2011/2012 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2011/2012 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2011/2012 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2011/2012 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán

Výskyt ve speciálních blocích

Název blokuAkademický rokForma studiaJazyk výuky RočníkZLTyp blokuVlastník bloku
V - ECTS - mgr. 2014/2015 prezenční čeština volitelný odborný 401 - Studijní oddělení FEI stu. blok
V - ECTS - mgr. 2013/2014 prezenční čeština volitelný odborný 401 - Studijní oddělení FEI stu. blok
V - ECTS - mgr. 2012/2013 prezenční čeština volitelný odborný 401 - Studijní oddělení FEI stu. blok
V - ECTS - mgr. 2011/2012 prezenční čeština volitelný odborný 401 - Studijní oddělení FEI stu. blok