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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung Evolutionsstrategie I Von der Insel der Krebse zum ES-Kalkül Geschichte, Gegenwart und Zukunft der Evolutionsstrategie.

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1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung Evolutionsstrategie I Von der Insel der Krebse zum ES-Kalkül Geschichte, Gegenwart und Zukunft der Evolutionsstrategie Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Biologische Evolution in Kurzform

3 1 Schleimklumpen in der Ursuppe der Erde

4 2 Im Urozean entwickeln sich die Fische

5 3 Vorsichtig erobert das Leben das Land

6 4 Unsere Vorfahren erklettern die Bäume

7 5 Die Krönung der Evolution denkt über seine Entstehung nach

8 Die Annahme, dass das Auge mit all seinen unnachahmlichen Einrichtungen, die Linse den verschiedenen Entfernungen anzupassen, wechselnde Lichtmengen zuzulassen und sphärische wie chromatische Abweichungen zu verbessern, durch die natürliche Zuchtwahl entstanden sei, erscheint, wie ich offen bekenne, in höchstem Grade absurd. Aus Charles Darwin: Die Entstehung der Arten Die Zweifel in Darwin

9 F d k q k Evolution einer Augenlinse Computersimulation der Evolution einer Sammellinse Verformbarer Glaskörper

10 Von den Anfängen der Evolutionsstrategie

11 Wissenschaftler als Autoren von Science-Fiction Johannes Alfven Isaac Asimov Wernher von Braun Konrad Fialkowski Stanislav Lem Fred Hoyle Konstantin Ziolkowski Michael Crichton Frank Schätzing Carl Sagan

12 Bob Shaw Andere Tage, andere Augen Text

13 Science-Fiction: Langsamglas

14 Ausgebremstes Licht Siliziumchip verlangsamt Lichtpulse um ein Hundertfaches Wissenschaftler der Stanford-Universität in Kalifornien haben einen photonischen Kristall hergestellt, der die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtpulsen um den Faktor Hundert herabsetzen kann. Dies könnte die Herstellung hochsensibler Sensoren oder energiearmer Laser beträchtlich erleichtern. Darüber berichten die Forscher im Fachmagazin Applied Phyiscs Letters (Band 86 Artikel ).Applied Phyiscs Letters Meldung vom

15 Anatolij Dnjeprow Insel der Krebse: Eine Science-Fiction-Erzählung über künstliche Evolution. Die Geschichte ist Ausgangspunkt für die Entwicklung der Evolutionsstrategie

16 Selbstreproduktion mit Fehlern Exponentielle Vermehrung Kampf ums Dasein Evolution á la D ARWIN U. Berg Insel der Krebse

17 Experiment künstliche Evolution Gesucht ist ein einfaches technisches System mit den Eigenschaften: 1. Das System soll manuell mit geringstem Aufwand bei vorgegebener Fehlerhäufigkeit reproduziert werden können. 2. Das System soll eine Qualität (Tauglichkeit) besitzen, die besonders einfach gemessen werden kann.

18 InselWindkanal KrebsStahlhautprofil Verstellbarkeit anstelle der Selbstreproduktion

19 Idee für ein mechanisches Evolutionsexperiment

20 Darwin im Windkanal Schlüsselexperiment mit der Evolutionsstrategie 1964 Text

21 Zahl der Einstellmöglichkeiten: 51 5 =

22 Analogien - Evolutionsstrategie BiologieTechnik Erbanlagen, niedergeschrieben im DNA-Molekül (Genotyp) Winkelgrade, notiert auf einem Protokollblatt Sichtbares Erscheinungsbild eines Lebewesens (Phänotyp ) Eingestellte Form der Gelenkplatte im Windkanal Zunehmende Tauglichkeit des Lebewesens in der Umwelt Abnehmender Widerstand der Gelenkplatte im Windkanal

23 Fiktive Mutationsmaschine G ALTON sches Nagelbrett Senkrecht aus der Wand ragende Nägel

24 Die ersten 12 Mutationen

25 1

26 2

27 3

28 4

29 5

30 6

31 7

32 8

33 9

34 10

35 11

36 12

37 Künstliche Evolution: Gelenkplatte im Windkanal

38

39

40 18. November 1964

41 6 Hand bewegte Stangen mutieren einen Rohrkrümmer Evolution eines 90° Rohrbogens Start Ergebnis 1965 Text

42 10 Roboter betätigte Seilzüge mutieren einen Rohrbogen Evolution eines 180° Rohrbogens Start Ergebnis 1980

43 Optimaler 90°- Strömungskrümmer Optimaler 180°- Strömungskrümmer Start Ergebnis Start Ergebnis 10% verminderte Strö- mungsverluste gegen- über der Kreisform

44 Heißwasserdampfdüse für das Evolutionsexperiment mutierbar gemacht Text

45 S CHWEFEL s Evolutionsexperiment mit einer Heißwasserdampfdüse

46 Evolution des Pferdefußes Vom Eohippus zum Equus (60 Millionen Jahre)

47 Evolution eines Rotationskörpers minimalen Widerstands (Querschnitt und Länge des Rotationskörpers fest) Pinebrook, US Navy

48 Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

49 Künstliche Evolution im Windkanal Neue Generation c a - c w - Messung Flexible Bleistreifen Nachkommen realisieren Eltern eingeben Nachkommen bewerten Text 3 2 a w c c

50 Generation Evolution eines Spreizflügels im Windkanal

51 Spreizflügel versus Normalflügel 0188,0 min 3 2 a w c c 0216,0 min 3 2 a w c c Diplomarbeit: Michael Stache

52 Was gewinnt der Vogel durch aufgespreizte Flügelenden ?

53 Evolutions- Wettkampf ? ? Text

54 Für den Vogel ohne Spreizung Wir erhalten aus dem Polardiagramm Für den Vogel mit Spreizung Formel für die Sinkgeschwindigkeit G = 0,8 kg F = 0,2 m 2 g = 9,81 m/s 2 = 1,1 kg/m 3 Daten für Bussard

55 Evolutions- Wettkampf 13 min 33 sec14 min 30 sec Text

56 Es gibt viele Evolutionsstrategien (1 + 1)-ES (1, )-ES (, )-ES

57 (1 + 1)-ES D ARWIN s Theorie in maximaler Abstraktion

58 (1, )-ES ES mit mehr als einen Nachkommen = 6

59 (, )-ES ES mit mehreren Eltern und Nachkommen = 7 = 2

60 (, )-ES ES mit Mischung der Variablen (Erbanlagen) = 8 = 2

61 Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra ) ( b ba a b a ))(( 22 bababa 1cossin 22 xx 2 / / b ca bc ba )2( 6 5 )1( xxxxxx xx

62 1 + 1 ( ) 2 - gliedrige Wettkampfsituation- ES, +, Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra

63 ( ) - ES +, Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra / Beispiel = 2 ( ) - ES +, / 2 Elter liefert nur die Hälfte der Erbinformation

64 ( ) - ES +, Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra Beispiel: (1+ 6) 4 =

65 ( ) - ES +, Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra Beispiel: = (1, 6) 8 + (1, 6) 8 4 (1, 6) 8 2,2,

66 ( ) - ES +, Auf dem Weg zur geschachtelten Evolutionsstrategie +, [ ] ' = Zahl der Eltern-Populationen ' = Zahl der Nachkommen-Populationen = Zahl der Eltern-Individuen = Zahl der Nachkommen-Individuen = Generationen der Isolation ' = Zahl der Populations-Generationen

67 Biologische Entsprechung der Strategie-Schachtelung | Familie Gattung { Art [ Varietät ( Individuum ) ] } |

68 ( ) - ES +, Geschachtelte Evolutionsstrategie +, [ ] Evolution der Objektvariablen Evolution der Mutationsschrittweite Für die Mutative Schrittweitenregelung Text

69

70 Evolutionsstrategische Optimierung eines Biegebalkens mit minimalem Gewicht

71 Evolutionsstrategische Optimierung eines Fachwerk-Krans mit minimalem Gewicht

72 Evolutionsstrategische Optimierung einer Fachwerkbrücke mit minimalem Gewicht

73 Lupu Brücke in Shanghai Größte Bogenbrücke der Welt Photo: Ingo Rechenberg

74 Melancholie, Kupferstich von Albrecht Dürer aus dem Jahr 1514 Magisches Quadrat

75 Text

76 Qualitätsfunktion für ein 3 3-Quadrat n n n n n n n n

77 Ende

78 Was zunächst nur ein kurioser Nebeneffekt war, der einige Verkehrsunfälle und den Absturz eines Testflugzeuges verursachte, wird zu einer Revolution, die Welt ähnlich grundlegend verändert wie die Erfindung der Dampfmaschine. Die Rede ist vom so genannten Langsam- glas, Retardit genannt, das die Fähigkeit besitzt, Licht zu verlangsamen. Lichtstrahlen, die auf diese Kristalle treffen, brauchen, je nach Typ des Retardits zwischen Sekundenbruchteilen bis hin zu einigen Jahren, um es zu durchqueren. Ihren Erfinder machen diese Retardit-Scheiben zu einem schwerreichen, doch unglücklichen Mann; denn bei dem Versuch, die Emission des Lichts zu beschleunigen, um die gespeicherten Bilder früher abzurufen, kommt es zu einem Blitz, der seiner Frau das Augenlicht nimmt. Da wird zum ersten Mal deutlich, dass Retardit mehr kann, als nur Fenster mit Meerblick in die Großstadt zu bringen. Ärzten gelingt es, Retar- dit-Linsen anzufertigen, die eingefangenes Licht unter Umgehung der Netzhaut mit 24-stündi- ger Verspätung sichtbar machen. Das heißt, ein Mensch "lädt" die Linsen einen Tag lang auf, dann werden sie eingesetzt und geben ihre Bilder frei. Verkehrsbeleuchtung, Spionagetechnik, Verbrechensbekämpfung, bald ist Retardit nicht mehr wegzudenken aus der Welt… Zu Bob Shaws Erzählung Andere Welten, andere Augen

79 Es sind die Winkeleinstellungen gesucht, bei der das Plattensystem im Luftstrom des Windkanals den geringsten Widerstand aufweist. Die Lösung der Aufgabe ist selbstverständlich im voraus bekannt. Die ebene parallel angeströmte Platte (alle Winkel 180°) besitzt den geringsten Widerstand. Es geht in dem Experiment darum, zu beweisen, dass diese Lösung nach dem D ARWIN schen Prinzip auch gefunden wird (experimentum crucis).

80 Gesucht ist die Form einer rechtwinkligen Rohrumlenkung mit minimalen Strö- mungsverlusten. – Zum Versuchsaufbau: Ein flexibler Plastikschlauch wird zunächst in der Anlaufstrecke der Strömung in einem geraden Rohr geführt, dann in der Umlenkstrecke durch sechs verschiebbare Stangen gehalten und schließlich in der nachfolgenden Beruhigungsstrecke wieder in einem geraden Rohr geführt. Die sechs manuell verschiebbaren Stangen bilden die Variablen des Systems. Die Rohrstrecke ist doppelt ausgeführt. Beide Rohre werden vom selben Druckkessel gespeist. Ein Rohr ist der Elter, das andere Rohr der mu- tierte Nachkomme. Am Ende der Versuchsstrecke sind im Zentrum der Beruhi- gungsrohre zwei Pitotrohre platziert. Ihre Druckdifferenz zeigt an, ob sich der mutierte Krümmer gegenüber dem Elter verbessert oder verschlechtert.

81 Es stehen 350 Segmente mit konischen Bohrungen zur Verfügung. Der Durchmesser der Düse wird an einer Stelle mutativ verändert, indem jeweils zwei Ringe ausgetauscht werden. Bei richtiger Wahl der Ringe kann erreicht werden, dass die Anschlussdurchmesser links und rechts von der Mutations- stelle keinen Sprung erzeugen, während sich an der Berührungsstelle der beiden neuen Segmente beidseitig der mutierte Durchmesser befindet.

82 Nachkommen realisieren Der Experimentator realisiert die Anstell- und Staffelwinkel an den Modelltragflügeln von 12 Nachkommen. Die Verstellbarkeit ergibt sich durch der Verwendung von Bleistreifen an den Wurzeln der Flügelohren. Neue Generation Der Computer gibt die Protokollblätter aus, auf denen die von dem Programm berechneten Anstell- und den Staffelungswinkel der 5 Flügelohren von 12 Nachkommen ausgedruckt sind. Auftriebs und Widerstand messen Der Experimentator misst für jede Tragflügel den Auftrieb und den Widerstand. Er errechnet daraus den dimensionslosen Auftriebs- und Widerstandsbeiwert ( c a und c w ). Nachkommen bewerten Der Experimentator berechnet für jeden im Windkanal vermessenen Tragflügel das Verhältnis Je kleiner dieses Verhältnis ist, um so geringer ist die Sinkgeschwindigkeit des Flügels im Fluge. Eltern eingeben Der Experimentator sucht die 4 besten Tragflügeleinstellungen heraus. Er gibt die Nummern der Protokoll- blätter der 4 besten Nachkommen über die Tastatur in den Computer ein. Das Computerprogramm mischt und mutiert die Werte der Anstell- und Staffelwinkel.

83 Zwei Vögel sind in der Tagesthermik 1000 Meter hoch gestiegen. Sie sind müde und gleiten nun ohne Flügelschlag zu Boden. Vogel a (er könnte aus den Anfängen der Vogelevolution stammen) besitzt noch keine Flügelsprei- zung. Vogel b ist durchevolutioniert. Seine Schwungfederkonfiguration ist für geringstes Sinken optimiert. Wie viel mehr Zeit ist Vogel b länger in der Luft als Vogel a?

84 Mit den Daten aus dem Polardiagramm errechnet sich für den Vogel b eine ge- genüber dem Vogel a verlängerte Gleitzeit von 57 Sekunden. Das ist energetisch ein Vorteil. Vielleicht entdeckt Vogel b gerade in dieser ihm von der Evolution geschenkten Zeit noch eine Maus, die er zum Abend verspeist, während Vogel b leer ausgeht.

85 Das Prinzip der Mutativen Schrittweiten Regelung (MSR) sei an dem einfa- chen Beispiel einer geschachtelten [1, 2 (1, 5) 4 ] -ES erklärt: 2 Populationen besteigen parallel einen Fitness-Berg. Sie führen 4-mal den Spielzug einer (1, 5) -ES durch. Dabei sind ihre Mutationsschrittweiten jeweils verschieden groß. Am Ende des Zyklus wird die Population mit dem größten Fortschritt selektiert (1). Die selektierte Population setzt 2 Gründerpopulationen aus, deren Arbeitsschrittweiten (von der selektierten Schrittweite ausgehend) mutiert werden. Mit der mutierten Schrittweite läuft jede Population wiede- rum mit einem 4-maligen (1, 5)-Spielzug bergan. Der Zyklus wiederholt sich.

86 Es soll ein Magische Quadrat mit Feldern entwickelt werden. Die Sum- me der Zeilen, der Spalten und der Hauptdiagonalen soll jeweils 2005 betragen. Und in der Mitte des Quadrats soll sich, wie im D ÜRER -Quadrat, die Jahreszahl 2005 markieren. Die Figuren einer Zwei, Null und Fünf mögen durch eine Serie der Ziffern 2, 0 und 5 gebildet werden. Es handelt sich bei der Lösung zwangs- läufig um ein so genanntes unechtes Magisches Quadrat, da Zahlen doppelt vorkommen können und müssen.


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