View
42
Download
0
Category
Preview:
DESCRIPTION
Použitie metafory chemostatu ako optimalizačného algoritmu. Správa o stave riešenia pre Dizertačný projekt I Školiteľ :prof. Ing. Vladimír Kvasnička, DrSc. Vypracoval : Ing. Marian Bobrík. Chemostat. zariadenie používané na pestovanie biologických kultúr. Prítok živín. Organizmy +živiny. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Použitie metafory chemostatu ako optimalizačného algoritmu
Správa o stave riešenia pre Dizertačný projekt I
Školiteľ : prof. Ing. Vladimír Kvasnička, DrSc.
Vypracoval : Ing. Marian Bobrík
Chemostat
• zariadenie používané na pestovanie biologických kultúr
Organizmy+živiny
Odtok obsahuMiešanie
Prítok živín
Chemostat• Metafora pre modelovanie správania populácie• Príklad jednoduchého chemostatu
1
1 F
FC
dt
dC F
FCF
dt
dF
1
0
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Time
Co
ncen
tratio
n
Organism
Nutrients
Typogenetika
• Zjednodušený analóg reálnych biologických molekúl
• Príliš zjednodušený– sekundárna štruktúra prakticky nehrá úlohu– nie je výpočtovo univerzálny
• Použiteľný na modelovanie hypercyklov
Ribonukleová kyselina
Štruktúra RNA
Primárna štruktúra Sekundárna štruktúra Terciárna štruktúra
Ribonukleová kyselina
• Zároveň schopná niesť genetickú informáciu
• Aj vykonávať katalytické funkcie
• Vytvára širokú paletu 3D tvarov
• Schopná katalyzovať vlastné kopírovanie
• Hypotéza RNA sveta
• RNA a umelá chémia
Typy sekundárnej štruktúry
Sponka(hairpin)
Vydutina(bulge)
Vnútorná slučka(internal loop)
Viacnásobná slučka(multiloop)
Vonkajšia slučka (internal loop)
Páry báz(base pairs)
Zápis sekundárnej štruktúry
• Vždy sa dá zakresliť planárnym grafom• Množina párov• Podmienky :Ak a sú páry báz, potom pre každé páry platí
nn jijijiSfold ,, 2211
ji lk
2 ij
ljki
jlijki
Zátvorkový zápis
S = AUGCGAGGUUUCGCCGCACGGUCGGUC
fold(S)={0●25,3●12,4●11,5●9,13●24,14●23,15●22,17●21}
A U G C G A G G U U U C G C C G C A C G G U C G G U C
) . ) ) ( ( (.. .. (((( ( ) ) ) ) ). .....
0 10 20 26
Stromový zápis
3
2
1
1
Multi(0,0,2)1
1
1
Hairpin(3)
Hairpin(3)
Bulge(0,1)
Bulge(1,0)
Bulge(1,0)
Bulge(1,0)
External(0,4)
Dynamické programovanie
• Minimalizácia voľnej energie
• Zjednodušený výpočet
MAXVij
1, ijHPjiPAIR
mjim VVjmiMAXijVLP ,1
1,1, jiVjiPAIR
Brainfuck
Príkaz Význam C++ ekvivalent
+ Inkrement akumulátora a++;
- Dekrement akumulátora a--;
> Inkrement ukazateľa p++;
< Dekrement ukazateľa p--;
[ Začiatok slučky while( a ) {
] Koniec slučky }
. Čítanie a = *p;
, Zápis *p = a;
• Extrémne jednoduchý• Výpočtovo univerzálny• Vhodný pre evolučné algoritmy
Virtuálny procesor
.............. .........
.............. .........
A(4bit)
PC(9bit)
P(9bit)
Memory(512x4bit)
IO buffer(512x4bit)
Tabuľka inštrukciíHex Príkaz Význam C++ ekvivalent
0 0* Ukončenie programu return;
1 V Inkrement ukazateľa p++;
2 ^ Dekrement ukazateľa p--;
3 + Inkrement akumulátora a++;
4 - Dekrement akumulátora a--;
5 < Čítanie z pamäti a = memory[ p ];
6 > Zápis do pamäti memory[ p ] = a;
7 { Čítanie z I/O medzipamäti a = io_buffer[ p ];
8 } Zápis do I/O medzipamäti io_buffer[ p ] = a;
9 [ Začiatok slučky while( a ){
A ] Koniec slučky }
B N** Nič
C X Vymeň nasledujúcu hodnotu s akumulátorom
int tmp = memory[ pc ]; memory[ pc++ ] = a; a = tmp;
D N** Nič
E N** Nič
F Z* Vymaž registre a = 0; p = 0;
Test hustoty replikátorov
• Najjednoduchší replikátor “[<}V]“
• z 1048576 (220) náhodných programov
• každý 62500 program je replikátor
• Priemerná veľkosť 11.6 znaku
Stromová reprezentácia programu
• Vyššie programovacie jazyky
• Genetické programovanie
Príklad : for(a=i;a;a=a>>1)b+=a&1;
FOR
a =
1a
>>a
+=
1a
&b
=
ia
Princíp systému
V
Konvenčný systém AL
+=
a
&b
Genetické programovanie
RNA
..ACGCGUU...AUUCGCGA..
Stromová štruktúra
Sémantika
Sekundárna štruktúra
Výsledný systém
}
<
[
]
Postup prekladu
+--+11+1Y-0000Y0101YY1+Y0+101-
ROOT
LoopEdges
ReadIncL
GrabE ‘-‘
InsIncR
GrabE ‘Y1+‘
Genotyp / primárna štruktúra
Sekundárna štruktúraProgram
Výpočet pomocou DP
Interpretácia
Dodatočné informácie
Virtuálny procesor
Program
PC
L R
Ľavý reťazec Pravý reťazec
A
T
bang
Spôsob kódovania
Typ predchádzajúcej slučky
Typ slučky
Počet báz medzi nimi
Typy slučiek:
ELoop
...
............
MLoop Hairpin ILoop1
ILoop2BulgeL2 BulgeR2BulgeL1 BulgeR1
Ekvivalenty
• Iné tvary sa pokladajú za MLoop
BulgeL1 BulgeR1 BulgeL2 BulgeR2
Interakcia s okolím
......
011
11
0
111010001
1101
Okolie GrabEL
1001110
0001001000
1001110
Ľavý reťazec
10011
100
L
register
Príkazy, ktoré nezávisia od typu predchádzajúcej slučky
Počet predchádzajúcich párov báz
Typ slučky 1 2 3 4 5 6 7
ELoop ROOT *
MLoop LoopEdges LoopEdgesM LoopIncA LoopDecA LoopIncT LoopDecT LoopNop**
BulgeL1 IncL ReadIncL InsIncL DelIncL CutIncL ***
BulgeR1 IncR ReadIncR InsIncR DelIncR CutIncR ***
BulgeL2 DecL ReadDecL InsDecL DelDecL CutDecL
BulgeR2 DecR ReadDecR InsDecR DelDecR CutDecR
ILoop1 IncA IncT AxchgT AtoT AsumT
ILoop2 DecA DecT Ligate TtoA TSumA
Príkazy, ktoré závisia od predchádzajúceho typu slučky
( a nezávisia od predchádzajúceho počtu báz ).
Typ predchádzajúcej slučky
Typ slučky ELoop MLoop BulgeL1 BulgeR1 BulgeL2 BulgeR2 ILoop1 ILoop2
Hairpin SetT SetT GrabEL GrabER GrabBL GrabBR SetA SetA
Test hustoty samoreplikátorov
• Gramatika { 0,1,+,-,Y } • Energie párov E(0●1) = 15, E(+●-) = 5
• Energia sponky/znak pre N>2 = -1, inak ∞• Energia nespárovaného znaku -1• Grab do 5 znakov vždy uspeje• Grab na podreťazec programu vráti jeho
celý reťazec• Inak nevráti nič
Test hustoty samoreplikátorov
• Najkratší replikátor má 24 znakov
• Množstvo ekvivalentných sekvencií
• “0++Y+Y+Y---0000YYY1Y1111”
• Z 10000000 náhodne generovaných sekvencií– Každá cca 105000 sekvencia je replikátor– Priemerná dĺžka replikátora bola 50.4 znaku
Vznik samoreplikátorov v chemostate
Kopírovaný reťazec
Kopírujúci reťazec
Pravdepodobnosť úmerná fitness4
Pomalý prísun náhodných reťazcov ( 1/100) odtoku
Náhodné ničenie reťazcov
Duplikácia +mutácia
Hodnotenie fitness
Chemostat
Vznik samoreplikátorov v chemostate
1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Iba samointerakcia
Vlastnosti systému
• Výpočtová univerzálnosť
• Spontánny vznik replikátorov
• Interakcie medzi programmi
• Evolúcia systému replikátorov
Výhľad do budúcna
• Priestorová štruktúra v chemostate
• Tvorba hypercyklov
• Evolúcia zložitejších funkcií
• Menej zjednodušený výpočet sekundárnej štruktúry
Recommended