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Por ejemplo, supongamos que queremos hallar el máximo de la función y = - x 2 , una parábola invertida con el máximo en x = 1. En este caso, el único parámetro del problema es la variable x. La optimización consiste en hallar un x tal que F(x) sea máximo. Crearemos, pues, una población de cromosomas, cada uno de los cuales contiene una codificación binaria del parámetro x. Lo haremos de la forma siguiente: cada byte, cuyo valor está comprendido entre 0 y 255, se transformará para ajustarse al intervalo [-1,1], donde queremos hallar el máximo de la función. Valor binario Decodificación Evaluación f(x) 10010100 21 0,9559 10010001 19 0,9639 101001 -86 0,2604 1000101 -58 0,6636 El fitness determina siempre los cromosomas que se van a reproducir y aquellos que se van a eliminar, pero hay varias formas de considerarlo para seleccionar la población de la siguiente generación: Usar el orden, o rango y hacer depender la probabilidad de permanencia o evaluación de la posición en el orden. Aplicar una operación al fitness para escalarlo; como por ej emplo, el escalado sigma. En este esquema el fitness se escala. En algunos casos, el fitness no es una sola cantidad, sino diversos números, que tienen diferente consideración. Basta con que tal fitness forme un orden parcial, es decir, que se puedan comparar dos individuos y decir cuál de ellos es mejor. Esto suele suceder cuando se necesitan optimizar varios objetivos. Una vez evaluado el fitness, se tiene que crear la nueva población teniendo en cuenta que los buenos rasgos de los mejores se transmitan a ésta. Para ello, hay que seleccionar una serie de individuos encargados de tan ardua tarea. Esta selección y la consiguiente reproducción, se pueden hacer de dos formas principales: Basado en el rango: En este esquema se mantiene un porcentaje de la población, generalmente la mayoría, para la siguiente generación. Se coloca toda la población por orden de fitness y los M menos dignos son eliminados y sustituidos por la descendencia de alguno de los M mejores con algún otro individuo de la población. A este esquema se le pueden aplicar otros criterios; por ejemplo, se crea la descendencia de uno de los paladines / amazonas, y ésta sustituye al más parecido entre los perdedores. Esto se denomina crowding y fue introducido por DeJong. En nuestro caso, se eliminaría el cromosoma número 3 y se sustituiría por un descendiente del cromosoma número 2 y otro aleatorio, escogido entre el 1 y el 4. En realidad, para este esquema se escoge un crowding factor, CF. Cuando nace una nueva criatura, se seleccionan CF individuos de la población, y se elimina al más parecido a la nueva criatura. Una variante 6! 1

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Por ejemplo, supongamos que queremos hallar el máximo de la función y = - x2, una parábola invertida con el máximo en x = 1. En este caso, el único parámetro del problema es la variable x. La optimización consiste en hallar un x tal que F(x) sea máximo. Crearemos, pues, una población de cromosomas, cada uno de los cuales contiene una codificación binaria del parámetro x. Lo haremos de la forma siguiente: cada byte, cuyo valor está comprendido entre 0 y 255, se transformará para ajustarse al intervalo [-1,1], donde queremos hallar el máximo de la función.

Valor binario Decodificación Evaluación f(x)

10010100 21 0,9559 10010001 19 0,9639

101001 -86 0,2604

1000101 -58 0,6636

El fitness determina siempre los cromosomas que se van a reproducir y aquellos que se van a eliminar, pero hay varias formas de considerarlo para seleccionar la población de la siguiente generación:

• Usar el orden, o rango y hacer depender la probabilidad de permanencia o evaluación de la posición en el orden.

• Aplicar una operación al fitness para escalarlo; como por ej emplo, el escalado sigma. En este esquema el fitness se escala.

• En algunos casos, el fitness no es una sola cantidad, sino diversos números, que tienen diferente consideración. Basta con que tal fitness forme un orden parcial, es decir, que se puedan comparar dos individuos y decir cuál de ellos es mejor. Esto suele suceder cuando se necesitan optimizar varios objetivos.

Una vez evaluado el fitness, se tiene que crear la nueva población teniendo en cuenta que los buenos rasgos de los mejores se transmitan a ésta. Para ello, hay que seleccionar una serie de individuos encargados de tan ardua tarea. Esta selección y la consiguiente reproducción, se pueden hacer de dos formas principales:

• Basado en el rango: En este esquema se mantiene un porcentaje de la población, generalmente la mayoría, para la siguiente generación. Se coloca toda la población por orden de fitness y los M menos dignos son eliminados y sustituidos por la descendencia de alguno de los M mejores con algún otro individuo de la población. A este esquema se le pueden aplicar otros criterios; por ejemplo, se crea la descendencia de uno de los paladines / amazonas, y ésta sustituye al más parecido entre los perdedores. Esto se denomina crowding y fue introducido por DeJong. En nuestro caso, se eliminaría el cromosoma número 3 y se sustituiría por un descendiente del cromosoma número 2 y otro aleatorio, escogido entre el 1 y el 4. En realidad, para este esquema se escoge un crowding factor, CF. Cuando nace una nueva criatura, se seleccionan CF individuos de la población, y se elimina al más parecido a la nueva criatura. Una variante

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de éste es el muestreado estocástico universal, que trata de evitar que los individuos con más fitness copen la población; en vez de dar la vuelta a una ruleta con una ranura, da la vuelta a la ruleta con N ranuras, tantas como la población; de esta forma, la distribución estadística de descendientes en la nueva población es más parecida a la real.

• Rueda de ruleta: Se crea un pool genético formado por cromosomas de la generación actual, en una cantidad proporcional a su fitness. Si la proporción hace que un individuo domine la población, se le aplica alguna operación de escalado. Dentro de este pool, se cogen parejas aleatorias de cromosomas y se emparejan, sin importar incluso que sean del mismo progenitor (para eso están otros operadores, como la mutación). Hay otras variantes: por ejemplo, en la nueva generación se puede incluir el mejor representante de la generación actual. En este caso, se denomina método elitista.

• Selección de torneo: Se escogen aleatoriamente un número T de individuos de la población, y el que tiene puntuación mayor se reproduce, sustituyendo su descendencia al que tiene menor puntuación.

Crossover

Consiste en el intercambio de material genético entre dos cromosomas (a veces más, como el operador orgía propuesto por Eiben et al.). El crossover es el principal operador genético, hasta el punto que se puede decir que no es un algoritmo genético si no tiene crossover y sin embargo, puede serlo perfectamente sin mutación, según descubrió Holland. El teorema de los esquemas confía en él para encontrar la mejor solución a un problema, combinando soluciones parciales.

Para aplicar el crossover, entrecruzamiento o recombinación, se escogen aleatoriamente dos miembros de la población. No pasa nada si se emparejan dos descendientes de los mismos padres; ello garantiza la perpetuación de un individuo con buena puntuación (además, algo parecido ocurre en la realidad; es una práctica utilizada, por ejemplo, en la cría de ganado, llamada inbreeding y destinada a potenciar ciertas características frente a otras). Sin embargo, si esto sucede demasiado a menudo, puede crear problemas: toda la población puede aparecer dominada por los descendientes de algún gen, que, además, puede tener caracteres no deseados. Esto se suele denominar en otros métodos de optimización atranque en un mínimo local y es uno de los principales problemas con los que se enfrentan los que aplican algoritmos genéticos.

En cuanto al teorema de los esquemas, se basa en la noción de bloques de construcción. Una buena solución a un problema está constituida por unos buenos bloques, igual que una buena máquina está hecha por buenas piezas. El crossover es el encargado de mezclar bloques buenos que se encuentren en los diversos progenitores, y que serán los que den a los mismos una buena puntuación. La presión selectiva se encarga de que sólo los buenos bloques se perpetúen, y poco a poco vayan formando una buena solución. El teorema de los esquemas viene a decir que la cantidad de buenos bloques se va incrementando con el tiempo de ejecución de un algoritmo genético y es el resultado teórico más importante en algoritmos genéticos.

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El intercambio genético se puede llevar a cabo de muchas formas, pero hay dos grupos principales:

• Crossover n-puntos: Los dos cromosomas se cortan por n puntos y el material genético situado entre ellos se intercambia. Lo más habitual es un crossover de un punto o de dos puntos.

1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0

• Crossover uniforme: Se genera un patrón aleatorio de unos y ceros y se intercambian los bits de los dos cromosomas que coincidan donde hay un 1 en el patrón. O bien, se genera un número aleatorio para cada bit y si supera una determinada probabilidad se intercambia ese bit entre los dos cromosomas.

@ /——N/"—\ © ® @ ©@®@

1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0

1 0 C O 0 1 ( o ) 1 0 0 0 0 Co) 0

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• Crossover especializado: En algunos problemas, se debe aplicar aleatoriamente el crossover, el cual da lugar a cromosomas que codifican soluciones inválidas; en este caso hay que aplicar el crossover de forma que genere siempre soluciones válidas. Un ejemplo de estos son los operadores de crossover usados en el problema del viajante.

Mutación

En la evolución, una mutación es un suceso bastante poco común (sucede aproximadamente una de cada mil replicaciones). En la mayoría de los casos las mutaciones son letales, pero en promedio, contribuyen a la diversidad genética de la especie. En un algoritmo genético tendrán el mismo papel y la misma frecuencia, es decir, muy baja.

Una vez establecida la frecuencia de mutación, por ejemplo, uno por mil, se examina cada bit de cada cadena cuando se vaya a crear la nueva criatura a partir de sus padres (normalmente se hace de forma simultánea al crossover). Si un número generado aleatoriamente está por debajo de esa probabilidad, se cambiará el bit (es decir, de 0 a 1 o de 1 a 0). Si no, se dejará como está. Dependiendo del número de individuos que haya y del número de bits por individuo, puede resultar que las mutaciones sean extremadamente raras en una sola generación.

No hace falta decir que no conviene abusar de la mutación. Es cierto que es un mecanismo generador de diversidad y por tanto, la solución cuando un algoritmo genético está estancado, pero también es cierto que reduce el algoritmo genético a una búsqueda aleatoria. Siempre es más conveniente usar otros mecanismos de generación de diversidad, como aumentar el tamaño de la población o garantizar la aleatoriedad de la población inicial.

Este operador, junto con la anterior y el método de selección de ruleta, constituyen un algoritmo genético simple (AGS) introducido por Goldberg.

Otros o p e r a d o r e s

No se usan en todos los problemas, sino sólo en algunos y en principio su variedad es infinita. Generalmente son operadores que exploran el espacio de soluciones de una forma más ordenada y que actúan más en las últimas fases de la búsqueda, en la cual se pasa de soluciones "casi buenas" a "buenas" soluciones. Entre los operadores más empleados se encuentran los cromosomas de longitud variable, los operadores de nicho (ecológico) y los operadores especializados.

C r o m o s o m a s de longi tud v a r i a b l e

Hasta ahora se han descrito cromosomas de longitud fija, donde se conoce de antemano el número de parámetros de un problema. Pero hay problemas en los que esto no sucede. Por ejemplo, en un problema de clasificación, donde dado un vector de entrada, queremos agruparlo en una serie de clases, podemos no saber siquiera cuántas clases hay. O en diseño de redes neuronales, puede que no

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se sepa (de hecho, nunca se sabe) cuántas neuronas se van a necesitar. Por ejemplo, en un perceptrón hay reglas que dicen cuántas neuronas se deben utilizar en la capa oculta; pero en un problema determinado puede que no haya ninguna regla heurística aplicable; tendremos que utilizar los algoritmos genéticos para encontrar el número óptimo de neuronas. En este caso, si utilizamos una codificación fregona, necesitaremos un locus para cada neurona de la capa oculta y el número de locus variará dependiendo del número de neuronas de la capa oculta.

En estos casos, necesitamos dos operadores más: añadir y eliminar. Estos operadores se utilizan para añadir un gen o eliminar un gen del cromosoma. La forma más habitual de añadir un locus es duplicar uno ya existente, el cual sufre mutación y se añade al lado del anterior. En este caso, los operadores del algoritmo genético simple (selección, mutación, crossover) funcionarán de la forma habitual, salvo, claro está, que sólo se hará crossover en la zona del cromosoma de menor longitud.

Estos operadores permiten, además, crear un algoritmo genético de dos niveles: a nivel de cromosoma y a nivel de gen. Supongamos que, en un problema de clasificación, hay un gen por clase. Se puede asignar una puntuación a cada gen en función del número de muestras que haya clasificado correctamente. Al aplicar estos operadores, se duplicarán los alelos con mayor puntuación y se eliminarán aquellos que hayan obtenido menor puntuación o cuya puntuación sea nula.

Por ejemplo, en un problema de clasificación en el que hay que clasificar los puntos del cuadrado [0,10] x [0,10] en dos clases, 1 y 2, que no son linealmente separables. Inicialmente se desconoce cuántos vectores son necesarios para clasificar estas clases. El algoritmo genético es capaz de hallar un número óptimo de vectores, a cada uno de los cuales se asigna una etiqueta de clase, tales que el error se hace mínimo, en este caso 4 vectores para la primera clase y 5 para la segunda clase. Cada cromosoma estará compuesto por un diccionario o conjunto de vectores, cada uno de los cuales tiene asignada una etiqueta de clase.

O p e r a d o r e s d e N icho (Ecológico)

Otros operadores importantes son los operadores de nicho. Estos operadores están encaminados a mantener la diversidad genética de la población, de forma que cromosomas similares sustituyan sólo a cromosomas similares y son especialmente útiles en problemas con muchas soluciones; un algoritmo genético con estos operadores es capaz de encontrar todos los máximos, dedicándose cada especie a un máximo. Más que operadores genéticos, son formas de enfocar la selección y la evaluación de la población.

Una de las formas de llevar esto a cabo ya ha sido nombrada, la introducción del crowding (apiñamiento). Otra forma es introducir una función de compartición o sharing, que indica cuán similar es un cromosoma al resto de la población. La puntuación de cada individuo se dividirá por esta función de compartición, de forma que se facilita la diversidad genética y la aparición de individuos diferentes.

También se pueden restringir los emparejamientos, por ejemplo, a aquellos cromosomas que sean similares. Para evitar las malas consecuencias del inbreeding que suele aparecer en poblaciones pequeñas, estos periodos se intercalan con otros períodos en los cuales el emparejamiento es libre.

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O p e r a d o r e s e s p e c i a l i z a d o s

En una serie de problemas hay que restringir las nuevas soluciones generadas por los operadores genéticos, pues no todas las soluciones generadas van a ser válidas, sobre todo en los problemas con restricciones. Por ello, se aplican operadores que mantengan la estructura del problema. Otros operadores son simplemente generadores de diversidad, pero la generan de una forma determinada:

• Zap: En vez de cambiar un solo bit de un cromosoma, cambia un gen completo de un cromosoma.

• Creep: Este operador aumenta o disminuye en 1 el valor de un gen; sirve para cambiar suavemente y de forma controlada los valores de los genes.

• Transposición: Similar al crossover y a la recombinación genética, pero dentro de un solo cromosoma; dos genes intercambian sus valores, sin afectar al resto del cromosoma. Similar a éste es el operador de eliminación-reinserción, en el que un gen cambia de posición con respecto a los demás.

A p l i c a n d o O p e r a d o r e s Genét icos

En toda ejecución de un algoritmo genético hay que decidir con qué frecuencia se va a aplicar cada uno de los algoritmos genéticos; en algunos casos, como en la mutación o el crossover uniforme, se debe de añadir algún parámetro adicional, que indique con qué frecuencia se va a aplicar dentro de cada gen del cromosoma. La frecuencia de aplicación de cada operador estará en función del problema; teniendo en cuenta los efectos de cada operador, tendrá que aplicarse con cierta frecuencia o no. Generalmente, la mutación y otros operadores que generen diversidad se suele aplicar con poca frecuencia; la recombinación se suele aplicar con frecuencia alta.

En general, la frecuencia de los operadores no varía durante la ejecución del algoritmo, pero hay que tener en cuenta que cada operador es más efectivo en un momento de la ejecución. Por ejemplo, al principio, en la fase denominada de exploración, los más eficaces son la mutación y la recombinación; posteriormente, cuando la población converge en parte, la recombinación no es útil, pues se está trabajando con individuos bastante similares y es poca la información que se intercambia. Sin embargo, si se produce un estancamiento, la mutación tampoco es útil, pues está reduciendo el algoritmo genético a una búsqueda aleatoria y hay que aplicar otros operadores. En todo caso, se pueden usar operadores especializados.

El Z e n y los A lgor i tmos Genét icos

Este es el título de un artículo que publicó Goldberg en la conferencia sobre algoritmos genéticos celebrada en el año 1989 (ICGA 89), en donde da una serie de consejos para que se apliquen los algoritmos genéticos debidamente y avisa a aquellos que se quieren apartar de la ortodoxia.

Deja que la naturaleza sea tu guía: Dado que la mayoría de los problemas a los que se van a aplicar los algoritmos genéticos son de naturaleza no lineal, es mejor actuar como lo hace la naturaleza, aunque intuitivamente pueda parecer la forma menos acertada. Si queremos desarrollar sistemas no lineales que busquen y aprendan, mejor que comencemos (como mínimo) imitando a sistemas que funcionan (Goldberg). Estos sistemas se encuentran en la naturaleza.

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Cuidado con el asalto frontal: Aveces se plantea el problema de pérdida de diversidad genética en una población de cromosomas. Hay dos formas de resolver este problema: aumentar el ritmo de mutación, lo cual equivale a convertir un algoritmo genético en un algoritmo de búsqueda aleatoria, o bien introducir mecanismos como el sharing, por el cual el fítness de un individuo se divide por el número de individuos similares a él. Este segundo método, más parecido al fúncionamiento de la naturaleza, en el cual cada individuo, por bueno que sea, tiene que compartir recursos con aquellos que hayan resuelto el problema de la misma forma, funciona mucho mejor. Otro caso que surge a menudo en los grupos de discusión es el tratar de optimizar AGs mediante AGs; es mucho mejor tratar de entender el problema que acercarse a él de esta manera.

Respeta la criba de esquemas: Para ello, lo ideal es utilizar alfabetos con baja cardinalidad (es decir, con pocas letras) como el binario.

No te fíes de la autoridad central: La naturaleza actúa de forma distribuida, por tanto, se debe minimizar la necesidad de operadores que "vean" a la población. Ello permite, además, una fácil paralelización del algoritmo genético. Por ejemplo, en vez de comparar el fitness de un individuo con todos los demás, se puede comparar sólo con los vecinos, es decir, aquellos que estén, de alguna forma, situados cerca de él.

S o f t w a r e

El software que más se utiliza para trabajar con algoritmos genéticos actualmente es: Gwin2, Algoritmo Genético Interactivo en Java, TSP Solver, RISK Optimizer y Evolver, entre otros.

Gwin2: Aparece en casi todos los sitios como WinGA, es un programa que permite ejecutar algoritmos genéticos simples, cambiar sus parámetros y que incluso admite ampliaciones mediante la programación de nuevas funciones en Pascal. Fue realizado por I.R. Munro, de la Universidad de Hertfordshire. Está disponible en la página web Zooland, y en el sitio ftp del autor.

Algoritmo Genético Interactivo en Java: En esta página Web, situada en el sitio denominado Evolvica (universidad de Erlangen), al cual se puede acceder desde la página de aplicaciones evolutivas en Java, http://www.systemtechnik.tu-ilmenau.de/~pohlheim/EA_Java/ea_java.html, se ejecuta un algoritmo genético interactivo. Para ello, es necesario acceder a la dirección Web — mediante un browser que admita Java, como el Netscape Navigator 2 o el Internet Explorer 3.

TSP Solver: Este programa permite cambiar parámetros como el tamaño de la población, las tasas de inversión y de mutación y el número "élite" que obtendrá la convergencia del problema a una solución más o menos rápida.

RISK Optimizer: Utiliza la Simulación de Monte Cario para seleccionar datos y aplica después los algoritmos genéticos.

Evolver: Aplica directamente los algoritmos genéticos, sus mutaciones y variables, directamente sobre los datos propuestos.

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ALGORITMOS MEMÉTICOS

Son procedimientos basados en la población y se han mostrado con técnicas más rápidas que los Algoritmos Genéticos para algunos tipos de problemas. Básicamente combinan procedimientos de Búsqueda Local con operadores de cruce o mutación, por lo que algunos investigadores los han visto como Algoritmos Genéticos Híbridos o Algoritmos Genéticos Paralelos o Métodos de Búsqueda Local genética. El método, descrito originalmente en el trabajo de Moscato (1989), está ganando amplia aceptación en particular en los conocidos problemas de Optimización combinatoria, donde grandes problemas se han solucionado en forma óptima y donde otros metaheurísticos han fallado. Un reciente tutorial sobre meméticos puede encontrarse en Moscato y Cotta (2001).

COLONIA DE HORMIGAS

Estableciendo una observación a la naturaleza con respecto al comportamiento de las hormigas, donde éstas se comunican por medio de una sustancia química llamada Feromona, para encontrar el mejor camino entre el nido y el alimento, en el último tiempo se ha empezado a estudiar el An Colony System (ACS), es decir, los sistemas de colonias de hormigas, basados en el comportamiento de las hormigas reales, de acuerdo a su conducta colectiva. Lo que se pretende es trabajar en el computador con métodos de simulación para encontrar el camino más corto entre sus nidos y las fuentes de alimentación, lo cual se guarda en la denominada matriz de feromonas Dorigo y Gambardella (1997).

PARTÍCULAS SWARM

Este método de optimización se basa en el comportamiento grupal de algunos animales, tales como una bandada de pájaros, un cardumen de peces o un enjambre de abejas. Este algoritmo de solución se genera a partir de dicha población y la manera como se comportan frente a determinadas situaciones, o sea, como enfrentan la dificultad. Este algoritmo conocido como Particles Swarm (PS), es decir, nube de partículas, trabaja de la siguiente manera: cada uno de estos grupos de animales busca comida y no sabe dónde está, ninguno de los individuos sabe dónde está la comida, pero conocen la distancia a la misma; la alternativa más eficiente es seguir al individuo que se encuentra más cerca de la comida. Kennedy y Eberhart (1995).

Algunas aplicaciones del algoritmo de la nube de partículas corresponden a diversos problemas multidimensionales, identificación de procesos, optimización de funciones numéricas, entrenamiento de redes neuronales, entre otros.

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EJERCICIOS RESUELTOS

I • ¿Qué se ent iende por backpropagat ion y cuál es la impor tanc ia de la red backpropagat ion?

Las redes de re t ropropagac ión o redes de propagac ión hacia atrás hacen referencia a un a lgor i tmo de aprendizaje más que a una arqui tectura determinada. La ret ropopagación consiste en propagar el error hacia atrás, es decir, de la capa de salida hacia la capa de ent rada, pasando por las capas ocultas intermedias y a jusfando los pesos de las conexiones con el f in de reducir d icho error.

La i m p o r t a n c i a de la red b a c k p r o p a g a t i o n consiste en su capac idad de o rgan i za r una representación interna del conocimiento en las capas ocultas de neuronas, a f in de aprender la relación que existe entre un conjunto de entradas y salidas.

9 ¿Qué prob lemas de clasif icación se pueden resolver con una neurona ?

Una neurona sólo puede hacer una separación l ineal en el espacio de entradas. Cuando este espacio es de dos d imensiones, esta separación l ineal consiste en una recta que separa dos semiespacios; cuando es de tres dimensiones, consistirá en un plano que separa dos semiespacios, y, en genera l , cuando es de N dimensiones, consistirá en un espacio de N - l d imensiones que div ide el espacio de N dimensiones en dos.

3 * ¿Qué papel desempeña el umbra l de activación de una neurona?

Desempeña el papel de f i jar el nivel del potencial de acción eléctrico que se debe alcanzar para provocar un disparo o una activación en una neurona o en un nodo de una red art i f ic ial , como consecuencia de un pulso de potencial de acción excitatorio.

A ^ F » ¿Qué es un perceptrón mult icapa? ¿Qué estructura t iene? ¿Cómo se obt iene su salida ?

Un perceptrón es una red con a l imentac ión hacia adelante, compuesta de varias capas de neuronas entre la entada y la salida de la misma; esta red permi te establecer regiones de decis ión mucho más complejas que las de dos semiplanos, como lo hace el perceptrón de un solo nivel.

5 • ¿Cuál es la di ferencia entre modelos neuronales y a lgor i tmos neuronales?

Los modelos neuronales responden a la fo rma y los a lgor i tmos neuronales a cómo aprenden las redes neuronales.

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EJERCICIOS PROPUESTOS

I • Si se tiene la siguiente red neuronal; calcular su salida al aplicarle como entradas los vectores (1 0 2 1 2) T y (1 o 0 1 0) T, considerando:

a. Función de activación lineal (identidad) en las dos capas.

b. Función de activación binaria {0,1} en las dos capas, suponiendo que el valor umbral es 3

2 • Si se tiene la siguiente red neuronal:

Considerando como función de activación para todas las neuronas la función lineal f (X)=2 X, calcular la salida de la red para el patrón de entrada X = (-3 1 4 2)T

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3. Dados los siguientes padres:

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A P É N D I C E

INTRODUCCIÓN

Presentamos a continuación algunos programas de computador que nos permiten resolver de una manera más práctica la mayoría de problemas que se presentan en Investigación de Operaciones.

CALCULADORAS

Inicialmente se muestra un pseudoprograma en calculadora científica (por ejemplo Casio, Hewlett Packard y Texas Instruments, entre otras) para solucionar los tableros del algoritmo Simplex:

? —>A: ? —>B: ?—> C: ? D:(A-((B*C) -D)) 0 donde A corresponde al dato antiguo, B y C son las proyecciones y D es el elemento pivote; un cálculo será el siguiente:

?1 ?2 ?3 ?4

En la pantalla aparecerá - 0,5

COMPUTADOR

P a q u e t e s

WINQSB: Comenzamos con el WINQSB (Quantitative Systems Business para Windows) Versión 1.0 de Yih - Long Chang, el cual resuelve Análisis de Muestreo de Aceptación, Planeación Agregada, Análisis de Decisión, Programación Dinámica, Problemas de Localización y Esquemas, Pronósticos, Programación Meta, Teoría de Sistemas de Inventarios, Planificación del Trabajo, Programación Lineal y Entera, Procesos de Markov, Planeación de Requerimiento de Materiales, Modelos de Redes, Programación No Lineal, PERT - CPM, Programación Cuadrática, Cartas de Control de Calidad, Análisis de Colas y Simulación en Sistemas de Colas.

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Empezamos con la introducción de un modelo de Programación Lineal en la primera plantilla:

MIN W = 2,5 X¡ + 2 X2

Con sus restricciones:

1. 6 X, + 3 X2 > 200

2. 3 X| + 5 X2 > 180

X,, X2 > 0

* *

En la segunda plantilla podemos observar la solución gráfica: Xj = 21,9; X2 = 22,86 y * *

W* = 100,48 y en la tercera plantilla aparece la solución analítica X] = 22; X2 = 23 y W* = 101, estos resultados los aproxima el programa.

En la plantilla cuatro se plantea un problema de Programación Meta:

MIN W = 3 X2 + 2 X3

MAX Z = 10 X, + 9 X2 + 8 X3

Sujetas a:

1. x , -f X2 > 30

2. X2 + x 3 > 50

3. x , -f x 2 + x 3 < 80

4. 3 X, + 2X 3 < 120

X,, 1 X2, x 3 > 0

* * *

En la plantilla cinco se encuentra la solución X] = 16; X2 = 14; X3 = 36; W* = 114; Z* = 574.

En la plantilla seis se plantea un problema de PERT - CPM y en la plantilla siete se consigue el camino crítico, el cual corresponde a la ruta CFJL con una duración de 33,83 días.

En la plantilla ocho se plantea un problema de inventarios donde está la demanda, el costo inicial y las unidades; en la plantilla nueve encontramos el resultado: costo de arranque del tamaño de lote mes 1: 57, mes 2: 57, mes 4: 57 y mes 6: 14 unidades con un costo total de $1170.

En la plantilla diez se escribió el planteamiento de un problema de colas de un servidor, la rata de llegadas por hora, la rata de servicios por hora y los costos. En la plantilla once se encuentran los

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resultados: cantidad de personas en el sistema, cantidad de personas en la cola, tiempo esperado en el sistema, tiempo esperado en la cola, probabilidad de estar ociosos los servidores, probabilidad de tener que esperar una persona cuando llega, entre otros.

En la plantilla doce hay un problema de simulación en sistemas de colas con cinco estaciones, seis buffers y los sitios iniciales de arranque; luego de la simulación se obtiene un tiempo actual de 100,22 horas con 4,3 observaciones en la plantilla trece.

En la plantilla catorce se presenta un problema de Programación No Lineal:

MIN W = X? + 2 X, X2 + 2Xf + X^ - X2 X3 + X] + 3 X2 - X 3

Con sus restricciones:

0 ^ X, < 100 0 ^ x 2

< 200 0 ^ x 3

< 300 Xj, x2 , ,X3 > 0

La solución la encontramos en la plantilla quince: X* =0; X 2 = 0 ; X3 =0,5341; W* = -0,2488.

En la plantilla dieciséis tenemos un problema de Programación Dinámica, con las siguientes unidades disponibles para los ítems A, B, C y D 5, 3,4 y 2 respectivamente y una capacidad de 20 unidades y con capacidad 10, 6, 3 y 5 unidades requeridas respectivamente. En la plantilla diecisiete encontramos la respuesta: 0, 2, 1 y 1 para los ítems A, B, C y D con un valor de 31 unidades.

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PLANTILLA 25

626

PLANTILLA 25

I Linear and integer Programming fite fmmt Retins Utto WrAw Help

H P ? »»'a nil in ¿IUÏ 01 Ü Combined Repot I lor IIP Sample Prohlem

22:32:31 | ] Sunday ] December ! •» [ 2003

Decision j Variable ;

Solution Vakie

Unit Coti or Profit c(jj

Total Contribution

Reduced Cott

2.5000

Satis Status

1 X I 22,0000 2.5000 55.0000

Reduced Cott

2.5000 at bound « X2 23,0000 2.0000 46.0000 2,0000 at bound

Objective Function (Min ) - 101.0000

Constraint Lett Hand

Side Direction Right Hand

Side Slack

CM Surplus Shadow

Price

1 CI 201,0000 200,0000 1.0000 0 2_ C2 181,0000 180.0000 1.0000 0

¡Result* Combined Report lot IIP Sample Problem

PLANTILLA 4

¿fp linear and Integer Goal F File Ed* fgmai Solve and Anafore ; jfljfties Wridov* WrQSB Help

H Z Z Z M 1 H I H 6P Sample Problem

•e G1 : A Variable - > A I » I C J Direction j R. H. S. M inGI 3 2 Max:G2 10 3 8 C1 1 1 36 C2 1 1 >- 50 C3 1 1 1 80 C4 3 2 120 LowerBound 0 0 0 UpperBound M M M Variable Type Continuous Continuous Continuous

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PLANTILLA 25

PLANTILLA 6

628

PLANTILLA 25

PLANTILLA 8

629

PLANTILLA 13

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12-09-2003 month Demand

Production (Lot S we J Setup!

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Cumulative Cost

fruirà) L « 1 20,0000 57,0000 Yes 37.0000 0 $ 386,00 2 30.0000 0 No 7,0000 0 t 400,00 3 40.0000 57,0000 Ye« 24.0000 0 t 706.00 4 30.0000 57.0000 Yes SI ,0000 0 11.035.00 5 30.0000 0 No 21.0000 0 % T077.00 6 35.0ÛCMJ 14.0000 Ye* 0 0 $ 1 170.00

Solution Method: EQQ Total Cost .1 $ 1 170.00

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PLANTILLA 10

PLANTILLA 25

PLANTILLA 12

631

PLANTILLA 13

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PLANTILLA 14

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PLANTILLA 13

PLANTILLA 16

PLANTILLA 25

Dynamic Programming Fife Format Besufcs yfcfcies Window Help

0.00 A Oí B- Solution fot QSB P. 112: Knapsack Problem

1 2 0 3 - 2 0 0 3 Stage

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0 20 4 7

20 8 5 0

CPU « 0,01

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L I N D O

A continuación presentamos el programa LINDO (Linear INteractive Discrete Optimizer) de Lindo Systems Release 6.00. En la plantilla dieciocho escribimos un problema de Programación Lineal:

MAX Z = 200 X, + 240 X2

Sujeta a:

1. 6 X] + 12 X2 < 120

2. 8 X ! + 4 X 2 < 64

X , ,X 2 > 0

En la plantilla diecinueve encontramos la solución: X* =4; X2 = 8; Z* = 2720.

634

PLANTILLA 25

MAX 200 XI + 240 X2 ST 6X1+ 12X2 <=120 8X1 + 4 X2 <= 164

XI,X2 >= 0

j j j j mi™*>\ S : IjAPÉNDiCE -M*mSoHWc.d|[LlNÖO - l<unt*ted>j 2>>,f @ 05:48 am

a P U N D O [Repenti Window J

PLANTILLA 19

LP OPTIMUM FOUND AT STEP 0 OBJECTIVE FUNCTION VALUE i

1) 2720.000

VARIABLE X1 X2

X1,X2

VALUE 4.000000 8.000000 0,000000

REDUCED COST 0.000000 0,000000 0,000000

ROW SLACK OR SURPLUS 2) 0.000000 3) 0,000000 4) 0.000000

DUAL PRICES 15,555555 13.333333

I 0.000000

NO. ITERATIONS*

jJ „ -.f ' Inicio I # S 13 > # § 9 ij] APÉNDICE • Microwft WordHUNDO - fRep^ WL J>4 05.53 am

635

MATHEMATICA

Continuamos con el programa Mathematica de Wolfram Research Versión 3.0; inicialmente en la plantilla veinte copiamos y resolvemos el siguiente problema de Programación Lineal:

MAX Z = 400 Xj + 200 X2

Con sus restriccciones:

1. 18 X, + 3 X 2 < 800

2. 9 X, + 4 X2 < 600

3. X] ^ 80

4. X2 ^ 150

X b X2 > 0

La respuesta encontrada con la función ConstrainedMax es X, = 0; X2= 150; Z* = 30000y

la solución con LinearProgramming es X* = 0; X2 = 150; se debe notar que con esta última función sólo se encuentran los valores de las variables, no el de la función objetivo; además como esta función sólo resuelve problemas de minimización con restricciones de la forma > se multiplicaron por ( - 1) los vectores b y c y la matriz m.

PLANTILLA 20

i p j x j

«r>ni * A ss Consttainedftlax(400 X1 + 200 X2, {18 X1 + 3 X2 <*= 800, 9 X1 • 4 X2 «« 600, X1 < 80, X2 <* 150}, {X1, X2|l Omni« (30000, {XI 0. X2 150»

tn{t2]» B « LínearPrograrnrninglc, m, bj c^ {400, 200); m -{{18, 3), {9,4|, {1.0}, {0, b {800, 600,80,150}; UnearPraijramrning(<~1) * c, (~1)*m, <~1)*b}

10,150}

A S ¿á > # # Z2 Mathematica - {Unt*!... #Mathematica Kemé 1L26 p. ra

6 3 6

/sT '.oz UJ

BIBLIOTECA

Seguimos con el programa Mathematica; en este paso se va a introducir un problema de Programación No Lineal:

OPT V = (X - 2)2 + (Y - 1)2

Sujeta a:

1. - X2 + Y > 0

2. X - Y2 > 0

X, Y > 0

Inicialmente se construyen las curvas de nivel de la función objetivo con la función ContourPlot, luego se grafican cada una de las restricciones, posteriormente graficamos la función objetivo y las restricciones con la función ContourGraphics; la respuesta obtenida es: existe un máximo global en el punto (0,0) y un mínimo global en el punto (1,1). Todo este proceso lo conseguimos en las plantillas veintiuno, veintidós, veintitrés y veinticuatro.

PLANTILLA 21

HHHMHHMRHi ~lof xj

;r gráficamente el problema Optimizar Qt-2r2Wy*2 x-y*2 «* 0

Solución

Curvas de nivel de la función objetivo

FDuyj^cx-^+cr-i^i curyasNive! ConftoufPloKFtx, yl {K -2. 2), {y, -2, 2),

ContourSftading False, Frame -> False, Axes -*• True, AxesOrigín -*• (0, 0), AxesLabei f Eje X, "Eje y>, Contours (0.2,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)3

Ej* y

:j| Inicio [ ; S ^ rú > # © O Sil APÉNDICE • | ffiSQtVEB2-McK»oft. |[ Ma<he»attca -|2~. 0858 p.m.

637

PLANTILLA 13

• ContourGraphícs*

O Conjunto de oportunidades: restl crContoufPio -x2 +y. {*, ~2. 2i (y, -2, 2). ContourShading -• False. Frame false, Axes True, AxesOrigm <0, 0),

¿1— ~J «11 * <Ú > / APÉNDICE -MicrosaL.j §S0tV'EFi2 - Microsoft. jj Malhewatica - |2~... SOi ».53 Pi

PLANTILLA 23

• • « • • • • • • H H H a a i :.&;í P* ym-.fm.m^ m-

-ContourGraphics-rest2 st Co«itourPío(x - y2, {x. -2, 2>, {y, -2, 2}, ContourShading - Faise, frame -» False. AROS -» True, AxesOrigm {0, 0>, Mesl J

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\ 1

.ContourOraphics-La función objetivo y las restricciones;

Sho*[curvasNiv8i, resíl, resí2] 31

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PLANTILLA 25

• Oraphícs»

£1 conjunto de oportunidades que es la figura que queda entre !as dos parábolas, es cerrado, acotado y convexo, La función objetivo es convexa Se verifican los teoremas de Weierstrass y Local-gioba!.

(0t0) es máximo global y (1,1) mínimo global ton:

{F[0( 0], F[1,1 ]}

SOLVER (EXCEL)

Finalmente presentaremos el Solver de Excel, implementado por John Watson y Dan Fylstra de Frontline Systems, Inc.; presentaremos un problema de Programación Lineal en la plantilla veinticinco:

MAX Z = 10000 XI + 10000 X2

Sujeta a:

1. X! + 3X 2 < 100

2. X! + 2 X 2 < 200

3. 2 X! + 4 X 2 < 800

X b X2 > 0

En las plantillas subsiguientes, es decir, veintiséis, veintisiete, veintiocho y veitinueve encontramos

la solución: X* = 100; X2 =0 ; Z* = 1000000, lo cual equivale a decir que se deben producir 100 muñecas Kira y no se deben fabricar muñecas Sakura, para obtener una utilidad de $1.000.000.

639

PLANTILLA 25

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A i 3 c i ; D e i r ! Ti 1 2 " 3 4 1 MUÑECAS 5 KIRA SAKURA TIEMPO EMPLEADO TIEhf 1PO DISPONIBLE 6 ü STORES 7 B

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12 KIRA SAKURA 1 13 s OLUCION OPTIMA 0 0 1 14 u TILIDAD 10000 10000 15 ..Vi 16 ifi UNCION OBJETIVO 0 t i 17 lü 18 19 20 M1 21 2? W < Informe de respuestas i X Ho jal X HojaZ / Hoja3 / i< 1 i t i r ; Dibujo - fe ; Ayloforroas - \ * D O (il 41 t ^ - 4 . - S : • m -LiStD iNUM :

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PLANTILLA 26 Microsoft Excel • LäwolÖ

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9 10 ! 111 121 Í3 SOLUCION OPTIMA 14 UTILIDAD 15 I 18 FUNCION OBJETIVO ?000000 17 „

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PLANTILLA 13

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_ 100 ic$13>=0 '" Opcional"" JP$13 SOLUCION OPTIMA SAI- URA ^ u , P $D$13>-0 Obl.qatono H < > >1 '> .Informe de respuesta* 2 / inío me de $«ns*#dad 1 / Hojat / HojaZ X H j«|

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PLANTILLA 28

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9 ! $ C $ 13 S O LUC ION OPTIMA KIRÁ ' 10] tbi13 SOLUCION OPTIMA SAKÜRA 'ÏU

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Celda Hombre "$E$7 PnsnsVdo TIEMPO EMPLEADO $E$8 Pintura TIEMPO EMPLEADO $E$9 Estuche TIEMPO EMPLEADO

Valor Sombra Restricción Aumento lt|ttaj[ predo., lado derecho perrnfarible

100 100 200

101300 ÇL 0

100 100 200 1E+30 900 ÍE+30

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PLANTILLA 13

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