460-4086/01 – Biologicky inspirované algoritmy (BIA)

Garantující katedraKatedra informatikyKredity4
Garant předmětuprof. Ing. Ivan Zelinka, Ph.D.Garant verze předmětuprof. Ing. Ivan Zelinka, Ph.D.
Úroveň studiapregraduální nebo graduálníPovinnostpovinně volitelný
RočníkSemestrzimní
Jazyk výukyčeština
Rok zavedení2015/2016Rok zrušení
Určeno pro fakultyHGF, USP, FEIUrčeno pro typy studianavazující magisterské
Výuku zajišťuje
Os. čís.JménoCvičícíPřednášející
SKA206 Ing. Lenka Skanderová, 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 se naučí programovat a používat populární algoritmy z oblasti evolucí a hejnové inteligence a aplikovat je na reálné problémy. Získá rovněž 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 praxe.

Vyučovací metody

Přednášky
Cvičení (v učebně)

Anotace

V rámci předmětu se bude probírat širší spektrum evolučních výpočetních technik. Budou zmíněny jak historicky klasické techniky, tak moderní algoritmy. Budou probírány evoluční algoritmy a algoritmy hejnové inteligence jako simulované žíhání, genetický algoritmus, diferenciální evoluce, particle swarm, SOMA a jiné. V druhé části se student seznámí se symbolickou regresí a jejím použití na syntézu algoritmů, klasifikátorů či řídících programů. Student by měl mít po absolvování kurzu ucelené znalosti z výše zmíněných oblastí, včetně možnosti jejich 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:

1. Zelinka I., Oplatková Z., Šeda M., Ošmera P., Včelař F., Evoluční výpočetní techniky, principy a aplikace, BEN, 2008, Praha 2. Kvasnička V., Pospíchal J., Tiňo P., Evolučné algoritmy, STU Bralislava, ISBN 80-227-1377-5, 2000 3. Zelinka I., Včelař F., Čandík M., Fraktální geometrie – principy a aplikace, BEN, 2006, 160 p., ISBN 80-7300-191-8 4. Back, T., Fogel, B., Michalewicz, Z.: Handbook of Evolutionary Computation, Institute of Physics, London 5. Davis L. 1996, Handbook of Genetic Algorithms, International Thomson Computer Press, ISBN 1850328250 6. Koza J.R. 1998, Genetic Programming, MIT Press, ISBN 0-262-11189-6 7. Price,K.,Storn,R.,etal.:DifferentialEvolution-APracticalApproachtoGlobalOptimization. Springer, Heidelberg

Doporučená literatura:

8. Mařík V. Štěpánková O., Lažanský J., Umělá inteligence IV, Academia, Praha, ISBN 80-200-1044-0, 2004 9. Mařík V. Štěpánková O., Lažanský J., Umělá inteligence III, Academia, Praha, ISBN 80-200-0472-6, 2001 10. Ilachinsky A., Cellular Automata: A Discrete Universe, World Scientific Publishing, ISBN 978-9812381835, 2001 11. Hilborn R.C.1994, Chaos and Nonlinear Dynamics, Oxford University Press, ISBN 0-19-508816-8, 1994 12. Gheorghe Paun (Author), Grzegorz Rozenberg (Author), Arto Salomaa, DNA Computing: New Computing Paradigms, Springer, ISBN 978-3540641964

Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta

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. Zkouška je ústní.

E-learning

Další požadavky na studenta

Je požadována schopnost tvořit programy v některém z používaných programovacích jazyků a aplikovat získané znalosti do tvorby algoritmů. Další požadavky na studenta nejsou kladeny.

Prerekvizity

Předmět nemá žádné prerekvizity.

Korekvizity

Předmět nemá žádné korekvizity.

Osnova předmětu

Přednášky: 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. No Free Lunch teorém. Výpočetní složitost a fyzikální limity algoritmů. 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. 4. Testovací benchmark funkce. 5. Víceúčelová optimalizace a Paretova množina. Kritické situace v běhu algoritmu a jejich řešení. 6. Slepé hledání a horolezecký algoritmus. 7. Genetické algoritmy. Terminologie GA. Princip činnosti, Hybridná GA, messy GA, paralelní GA, migrační a difůzní model. 8. 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. 9. Rojení částic (Particle swarm). Rozptýlené hledání (Scatter Search). Optimalizace mravenčí kolonií (AntColony Optimization). 10.SOMA : SamoOrganizující se Migrační Algoritmus, princip činnosti a použité strategie algoritmu: ATO, ATR, ATA a ATAA. 11. 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. 12. Swarm inteligence (SI). Základní pojmy a definice, reprezentativní algoritmy SI - particle swarm, scatter search, ant colony optimization, swarm robotic, umělá evoluce komplexních systémů. 13. Techniky symbolické regrese: genetické programování, gramatická evoluce. Alternativy: analytické programování, Probabilistic Incremental Program Evolution – PIPE, Gene Expression Programming, Multiexpression Programming a další. 14. Ukázkové příklady Cvičení (na PC učebnách): V cvičeních bude kladen důraz na praktickou aplikaci probíraných technik a řešení vybraných vzorových problémů. • Implementace vybraných benchmark funkcí (optimalizačních problémů) • Implementace Slepého algoritmu a Horolezeckého algoritmu • Implementace Genetického algoritmu a jeho aplikace na problém obchodního cestujícího (TSP) • Implementace Diferenciální evoluce • Implementace Evolučních strategií • Implementace algoritmu Rojení částic (Particle Swarm Optimization) s využitím setrvačnosti • Implementace Samo-organizujícího se Migračního Algoritmu (SOMA), porovnání chování algoritmů SOMA a PSO • Implementace Světluškového algoritmu (Firefly algorithm) • Implementace algoritmu Optimalizace pomocí mravenčích kolonií (ACO) a jeho aplikace na problém obchodního cestujícího. Porovnání ACO a GA z hlediska rychlosti konvergence a přesnosti výsledného řešení • Optimalizace založená na principu vzdělávání (Teaching-learning based algorithm) • Víceúčelová optimalizace. Implementace algoritmu NSGA II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm)

Podmínky absolvování předmětu

Prezenční forma (platnost od: 2015/2016 zimní semestr)
Název úlohyTyp úlohyMax. počet bodů
(akt. za podúlohy)
Min. počet bodů
Zápočet a zkouška Zápočet a zkouška 100 (100) 51
        Zápočet Zápočet 45  25
        Zkouška Zkouška 55  6
Rozsah povinné účasti: Splnněné úkoly z cvičení a laboratoří, 80% účast v laboratořích

Zobrazit historii

Výskyt ve studijních plánech

Akademický rokProgramObor/spec.Spec.ZaměřeníFormaJazyk výuky Konz. stř.RočníkZLTyp povinnosti
2021/2022 (N0688A140014) Průmysl 4.0 P čeština Ostrava 2 povinně volitelný typu B stu. plán
2021/2022 (N0612A140004) Informační a komunikační bezpečnost P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2021/2022 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2021/2022 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2021/2022 (N0541A170007) Výpočetní a aplikovaná matematika (S01) Aplikovaná matematika P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2021/2022 (N0541A170007) Výpočetní a aplikovaná matematika (S02) Výpočetní metody a HPC K čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2021/2022 (N0541A170007) Výpočetní a aplikovaná matematika (S02) Výpočetní metody a HPC P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2021/2022 (N0541A170007) Výpočetní a aplikovaná matematika (S01) Aplikovaná matematika K čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2021/2022 (N3654) Geodézie, kartografie a geoinformatika (3608T002) Geoinformatika P čeština Ostrava 2 povinně volitelný stu. plán
2021/2022 (N3654) Geodézie, kartografie a geoinformatika (3608T002) Geoinformatika K čeština Ostrava 2 povinně volitelný stu. plán
2021/2022 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2021/2022 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2021/2022 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava povinně volitelný stu. plán
2021/2022 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava povinně volitelný stu. plán
2020/2021 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2020/2021 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2020/2021 (N3654) Geodézie, kartografie a geoinformatika (3608T002) Geoinformatika K čeština Ostrava 2 povinně volitelný stu. plán
2020/2021 (N0612A140004) Informační a komunikační bezpečnost P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2020/2021 (N0688A140014) Průmysl 4.0 P čeština Ostrava 2 povinně volitelný typu B stu. plán
2020/2021 (N2647) Informační a komunikační technologie (1801T064) Informační a komunikační bezpečnost P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2020/2021 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava povinně volitelný stu. plán
2020/2021 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2020/2021 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava povinně volitelný stu. plán
2020/2021 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2020/2021 (N3654) Geodézie, kartografie a geoinformatika (3608T002) Geoinformatika P čeština Ostrava 2 povinně volitelný stu. plán
2020/2021 (N0541A170007) Výpočetní a aplikovaná matematika (S01) Aplikovaná matematika K čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2020/2021 (N0541A170007) Výpočetní a aplikovaná matematika (S02) Výpočetní metody a HPC P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2020/2021 (N0541A170007) Výpočetní a aplikovaná matematika (S01) Aplikovaná matematika P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2020/2021 (N0541A170007) Výpočetní a aplikovaná matematika (S02) Výpočetní metody a HPC K čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N2647) Informační a komunikační technologie (1801T064) Informační a komunikační bezpečnost P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava povinně volitelný stu. plán
2019/2020 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava povinně volitelný stu. plán
2019/2020 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N3654) Geodézie, kartografie a geoinformatika (3608T002) Geoinformatika P čeština Ostrava 2 povinně volitelný stu. plán
2019/2020 (N3654) Geodézie, kartografie a geoinformatika (3608T002) Geoinformatika K čeština Ostrava 2 povinně volitelný stu. plán
2019/2020 (N0541A170007) Výpočetní a aplikovaná matematika (S01) Aplikovaná matematika P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N0541A170007) Výpočetní a aplikovaná matematika (S02) Výpočetní metody a HPC P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N0541A170007) Výpočetní a aplikovaná matematika (S01) Aplikovaná matematika K čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N0541A170007) Výpočetní a aplikovaná matematika (S02) Výpočetní metody a HPC K čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N0612A140004) Informační a komunikační bezpečnost P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N0688A140014) Průmysl 4.0 P čeština Ostrava 2 povinně volitelný typu B stu. plán
2018/2019 (N2647) Informační a komunikační technologie (1801T064) Informační a komunikační bezpečnost P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2018/2019 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava povinně volitelný stu. plán
2018/2019 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2018/2019 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava povinně volitelný stu. plán
2018/2019 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2018/2019 (N2658) Výpočetní vědy (2612T078) Výpočetní vědy P čeština Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán
2018/2019 (N3654) Geodézie, kartografie a geoinformatika (3608T002) Geoinformatika K čeština Ostrava 2 povinně volitelný stu. plán
2018/2019 (N3654) Geodézie, kartografie a geoinformatika (3608T002) Geoinformatika P čeština Ostrava 2 povinně volitelný stu. plán
2017/2018 (N2647) Informační a komunikační technologie (1801T064) Informační a komunikační bezpečnost P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2017/2018 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava povinně volitelný stu. plán
2017/2018 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava povinně volitelný stu. plán
2017/2018 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2017/2018 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2017/2018 (N2658) Výpočetní vědy (2612T078) Výpočetní vědy P čeština Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán
2016/2017 (N2658) Výpočetní vědy (2612T078) Výpočetní vědy P čeština Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán
2016/2017 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2016/2017 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2016/2017 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava povinně volitelný stu. plán
2016/2017 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava povinně volitelný stu. plán
2016/2017 (N2647) Informační a komunikační technologie (1801T064) Informační a komunikační bezpečnost P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2015/2016 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2015/2016 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2015/2016 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P čeština Ostrava povinně volitelný stu. plán
2015/2016 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K čeština Ostrava povinně volitelný stu. plán

Výskyt ve speciálních blocích

Název blokuAkademický rokForma studiaJazyk výuky RočníkZLTyp blokuVlastník bloku