Генетические операторы. 
Генетические алгоритмы

Генетические операторы необходимы, чтобы применить принципы наследственности и изменчивости к виртуальной популяции. Помимо отличительных особенностей, о которых будет рассказано ниже, у них есть такое свойство как вероятность. Т. е. описываемые операторы не обязательно применяются ко всем скрещиваемым особям, что вносит дополнительный элемент неопределенности в процесс поиска решения. В данном случае, неопределенность не подразумевает негативный фактор, а является своеобразной «степенью свободы» работы генетического алгоритма.

Оператор кроссинговера.

Оператор кроссинговера (crossover operator), также называемый кроссовером, является основным генетическим оператором, за счет которого производится обмен генетическим материалом между особями. Моделирует процесс скрещивания особей.

Пусть имеются две родительские особи с хромосомами Х={xi, i=1,L} и Y={yi, i=1,L}. Случайным образом определяется точка внутри хромосомы, в которой обе хромосомы делятся на две части и обмениваются ими. Назовем эту точку точкой разрыва. Вообще говоря, в англоязычной литературе она называется точкой кроссинговера (crossover point), просто, на мой взгляд, точка разрыва более образное название и к тому же позволяет в некоторых случаях избежать тавтологии. Описанный процесс изображен на рис. 3.

Рис. 3. Кроссинговер

Данный тип кроссинговера называется одноточечным, т. к. при нем родительские хромосомы разрезаются только в одной случайной точке. Также существует 2-х и n-точечный операторы кроссинговера. В 2-х точечном кроссинговере точек разрыва 2, а n-точечный кроссинговер является своеобразным обобщением 1- и 2-точечного кроссинговеров для n > 2. Кроме описанных типов кроссинговера есть ещё однородный кроссинговер. Его особенность заключается в том, что значение каждого бита в хромосоме потомка определяется случайным образом из соответствующих битов родителей. Для этого вводится некоторая величина 0.

Оператор мутации.

Оператор мутации (mutation operator) необходим для «выбивания» популяции из локального экстремума и способствует защите от преждевременной сходимости. Достигаются эти чудеса за счет того, что инвертируется случайно выбранный бит в хромосоме, что и показано на рис. 4.

Рис. 4. Мутация

Так же как и кроссинговер, мутация проводится не только по одной случайной точке. Можно выбирать некоторое количество точек в хромосоме для инверсии, причем их число также может быть случайным. Также можно инвертировать сразу некоторую группу подряд идущих точек. Вероятность мутации значительно меньше вероятности кроссинговера и редко превышает 1%. Среди рекомендаций по выбору вероятности мутации нередко можно встретить варианты 1/L или 1/N, где L — длина хромосомы, N — размер популяции.

Необходимо также отметить, что есть мнение, что оператор мутации является основным поисковым оператором и известны алгоритмы, не использующих других операторов (кроссинговер, инверсия и т. д.) кроме мутации.