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Vida Artificial bio-informática 5º(I.I.) Ernesto García Gil.

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1 Vida Artificial bio-informática 5º(I.I.) Ernesto García Gil

2 Vida artificial La vida artificial es el estudio de la vida y de los sistemas artificiales que exhiben propiedades similares a los seres vivos, a través de modelos de simulación La vida artificial es el estudio de la vida y de los sistemas artificiales que exhiben propiedades similares a los seres vivos, a través de modelos de simulación Los investigadores de vida artificiales se han dividido a menudo en dos grupos principales (aunque otros clasificaciones son posibles): Los investigadores de vida artificiales se han dividido a menudo en dos grupos principales (aunque otros clasificaciones son posibles): La posición de vida artificial dura/fuerte manifiesta que "la vida es un proceso que se puede conseguir fuera de cualquier medio particular". (John Von Neumann). Notablemente, Tom Ray declaraba que su programa Tierra no estaba simulando vida en un ordenador, sino la estaba sintetizando. La posición de vida artificial dura/fuerte manifiesta que "la vida es un proceso que se puede conseguir fuera de cualquier medio particular". (John Von Neumann). Notablemente, Tom Ray declaraba que su programa Tierra no estaba simulando vida en un ordenador, sino la estaba sintetizando. La posición de vida artificial débil niega la posibilidad de generar un "proceso de vida" fuera de una solución química basada en el carbono. Sus investigadores intentan en cambio imitar procesos de vida por entender aspectos de fenómenos sencillos. La manera habitual es a través de un modelo basado en agentes, que normalmente da una solución posible mínima. La posición de vida artificial débil niega la posibilidad de generar un "proceso de vida" fuera de una solución química basada en el carbono. Sus investigadores intentan en cambio imitar procesos de vida por entender aspectos de fenómenos sencillos. La manera habitual es a través de un modelo basado en agentes, que normalmente da una solución posible mínima. El campo se caracteriza por el uso extenso de programas informáticos y emulaciones que incluyen cálculo evolutivo (algoritmos evolutivos, algoritmos genéticos programación genética, inteligencia de enjambre, optimización de colonias de hormigas), genéticos programación genética, inteligencia de enjambre, optimización de colonias de hormigas),

3 Antes de los computadores A finales de los años 40, Von Neumann hizo una conferencia titulada La Teoría General y Lógica de Autómatas". Definía un "autómata" como cualquier máquina cuyo comportamiento provenía de la lógica, paso a paso, combinando información desde el ambiente y su propia programación, y decía que al final se encontrarían organismos naturales que siguieran reglas simples similares. También habló sobre la idea de máquinas que se auto duplican A finales de los años 40, Von Neumann hizo una conferencia titulada La Teoría General y Lógica de Autómatas". Definía un "autómata" como cualquier máquina cuyo comportamiento provenía de la lógica, paso a paso, combinando información desde el ambiente y su propia programación, y decía que al final se encontrarían organismos naturales que siguieran reglas simples similares. También habló sobre la idea de máquinas que se auto duplican El profesor de Cambridge John Horton Conway inventó el autómata celular más famoso de los años 60. Lo denominó el Juego de la Vida, y consiguió publicidad a través de la columna de Martin Gardner en la revista Scientific American. El profesor de Cambridge John Horton Conway inventó el autómata celular más famoso de los años 60. Lo denominó el Juego de la Vida, y consiguió publicidad a través de la columna de Martin Gardner en la revista Scientific American.

4 El juego de la vida El juego de la vida es en realidad un juego de cero jugadores El juego de la vida es en realidad un juego de cero jugadoresjuego de cero jugadoresjuego de cero jugadores El "tablero de juego" es una malla formada por cuadrados ("células") que se extiende por el infinito en todas las direcciones. Cada célula tiene 8 células vecinas, que son las que están próximas a ella, incluso en las diagonales. Las células tienen dos estados: están "vivas" o "muertas" (o "encendidas" y "apagadas"). El estado de la malla evoluciona a lo largo de unidades de tiempo discretas (se podría decir que por turnos). El estado de todas las células se tiene en cuenta para calcular el estado de las mismas al turno siguiente. Todas las células se actualizan simultáneamente. El "tablero de juego" es una malla formada por cuadrados ("células") que se extiende por el infinito en todas las direcciones. Cada célula tiene 8 células vecinas, que son las que están próximas a ella, incluso en las diagonales. Las células tienen dos estados: están "vivas" o "muertas" (o "encendidas" y "apagadas"). El estado de la malla evoluciona a lo largo de unidades de tiempo discretas (se podría decir que por turnos). El estado de todas las células se tiene en cuenta para calcular el estado de las mismas al turno siguiente. Todas las células se actualizan simultáneamente.tablero de juegoturnostablero de juegoturnos Una celda muerta con exactamente 3 celdas vecinas vivas "nace" (al turno siguiente estará viva). Una celda muerta con exactamente 3 celdas vecinas vivas "nace" (al turno siguiente estará viva). Una celda viva con 2 o 3 celdas vecinas vivas sigue viva, en otro caso muere o permanece muerta ( por "soledad" o "superpoblación") Una celda viva con 2 o 3 celdas vecinas vivas sigue viva, en otro caso muere o permanece muerta ( por "soledad" o "superpoblación")

5 1970s-1980s Christopher Langton fue un investigador poco convencional, con una carrera académica sin distinciones que lo llevó a conseguir un trabajo programando mainframes para un hospital. Lo cautivó el Juego de la Vida de Conway, y empezó a perseguir la idea que una computadora puede emular criaturas vivas. Tras años de estudio, empezó a intentar actualizar el autómata celular de Von Neumann y el trabajo de Edgar F. Codd, que simplificó el de veintinueve estados de Von Neumann a uno con sólo ocho estados. Consiguió el primer organismo computacional auto replicado en octubre de 1979, usando simplemente un ordenador de sobremesa Apple II. Entró al programa de graduados del Logic of Computers Group el año 1982, a los 33 años, y ayudó a crear una nueva disciplina. Christopher Langton fue un investigador poco convencional, con una carrera académica sin distinciones que lo llevó a conseguir un trabajo programando mainframes para un hospital. Lo cautivó el Juego de la Vida de Conway, y empezó a perseguir la idea que una computadora puede emular criaturas vivas. Tras años de estudio, empezó a intentar actualizar el autómata celular de Von Neumann y el trabajo de Edgar F. Codd, que simplificó el de veintinueve estados de Von Neumann a uno con sólo ocho estados. Consiguió el primer organismo computacional auto replicado en octubre de 1979, usando simplemente un ordenador de sobremesa Apple II. Entró al programa de graduados del Logic of Computers Group el año 1982, a los 33 años, y ayudó a crear una nueva disciplina. El anuncio oficial de Langton de la conferencia "Artificial Life I" fue la primera descripción de un campo que avance casi no existía: El anuncio oficial de Langton de la conferencia "Artificial Life I" fue la primera descripción de un campo que avance casi no existía:

6 Primera descripción de vida artificial, conferencia de Langton La vida artificial es el estudio de sistemas artificiales que exhiben comportamientos característicos de sistemas vivos naturales. Es la búsqueda de una explicación de la vida en cualquiera de sus posibles manifestaciones, sin restricciones a un ejemplo particular que haya evolucionado en la Tierra. Están incluidos experimentos biológicos y químicos, simulaciones por ordenador, e iniciativas puramente teóricas. Los procesos que ocurren en una escala molecular, social y evolutiva son objeto de investigación. El objetivo final es extraer la forma lógica de los sistemas vivientes La vida artificial es el estudio de sistemas artificiales que exhiben comportamientos característicos de sistemas vivos naturales. Es la búsqueda de una explicación de la vida en cualquiera de sus posibles manifestaciones, sin restricciones a un ejemplo particular que haya evolucionado en la Tierra. Están incluidos experimentos biológicos y químicos, simulaciones por ordenador, e iniciativas puramente teóricas. Los procesos que ocurren en una escala molecular, social y evolutiva son objeto de investigación. El objetivo final es extraer la forma lógica de los sistemas vivientes

7 Simulación de modelos naturales Las hormigas son insectos sociales que viven en colonias y que, debido a su colaboración mutua, son capaces de mostrar comportamientos complejos y realizar tareas difíciles desde el punto de vista de una hormiga individual. Las hormigas son insectos sociales que viven en colonias y que, debido a su colaboración mutua, son capaces de mostrar comportamientos complejos y realizar tareas difíciles desde el punto de vista de una hormiga individual. Los algoritmos de CDH se inspiran directamente en el comportamiento de las colonias reales de hormigas para solucionar problemas de optimización combinatoria Los algoritmos de CDH se inspiran directamente en el comportamiento de las colonias reales de hormigas para solucionar problemas de optimización combinatoria

8 Interacción entre sistemas inteligentes La interacción entre sistemas inteligentes es un tema intermedio entre sistemas inteligentes aislados y las sociedades, las cuales abarcan una gran cantidad de sistemas inteligentes. Pero tiene un gran valor práctico, porque esto es lo que hacemos diariamente: interactuamos con otros sistemas inteligentes La interacción entre sistemas inteligentes es un tema intermedio entre sistemas inteligentes aislados y las sociedades, las cuales abarcan una gran cantidad de sistemas inteligentes. Pero tiene un gran valor práctico, porque esto es lo que hacemos diariamente: interactuamos con otros sistemas inteligentes

9 Las hormigas, son capaces de seguir la ruta más corta en su camino de ida y vuelta entre la colonia y una fuente de abastecimiento. Esto es debido a que las hormigas pueden "transmitirse información" entre ellas gracias a que cada una de ellas, al desplazarse, va dejando un rastro de una sustancia llamada feromona a lo largo del camino seguido. Así, mientras una hormiga aislada se mueve de forma esencialmente aleatoria, los "agentes" de una colonia de hormigas detectan el rastro de feromona dejado por otras hormigas y tienden a seguir dicho rastro. Éstas a su vez van dejando su propia feromona a lo largo del camino recorrido y por tanto lo hacen más atractivo, puesto que se ha reforzado el rastro de feromona. Sin embargo, la feromona también se va evaporando con el paso del tiempo provocando que el rastro de feromona sufra, por otro lado, cierto debilitamiento. En definitiva, puede decirse que el proceso se caracteriza por una retroalimentación positiva, en la que la probabilidad con la que una hormiga escoge un camino aumenta con el número de hormigas que previamente hayan elegido el mismo camino.

10 Modelo natural

11 El primer algoritmo basado en la optimización mediante colonias de hormigas fue aplicado al Problema del Viajante

12 Problemas a resolver mediante CDH Los algoritmos basados en colonias de hormigas son muy útiles para resolver problema como : Los algoritmos basados en colonias de hormigas son muy útiles para resolver problema como : combinatoria. combinatoria. Asignación de recursos. Asignación de recursos. Rutas de transporte. Rutas de transporte. Todo aquello en donde se necesita minimizar o maximizar un resultado. Todo aquello en donde se necesita minimizar o maximizar un resultado. En general cualquier problemas de optimización En general cualquier problemas de optimización

13 Minería de datos, su importancia en la simulación Cuando se crean simulaciones, se genera una cantidad inmensa de información Cuando se crean simulaciones, se genera una cantidad inmensa de información La minería de datos nos ayuda, a extraer información útil de un gran volumen de datos La minería de datos nos ayuda, a extraer información útil de un gran volumen de datos Bajo el nombre de minería de datos se engloban un conjunto de técnicas encaminadas a la extracción de conocimiento procesable, implícito en las bases de datos. Bajo el nombre de minería de datos se engloban un conjunto de técnicas encaminadas a la extracción de conocimiento procesable, implícito en las bases de datos.bases de datosbases de datos

14 Ejemplos de uso de la minería de datos Detección de hábitos de compra en supermercados Detección de hábitos de compra en supermercados Patrones de fuga : existe un comprensible interés en detectar cuanto antes aquellos clientes que puedan estar pensando en rescindir sus contratos para, posiblemente, pasarse a la competencia. Patrones de fuga : existe un comprensible interés en detectar cuanto antes aquellos clientes que puedan estar pensando en rescindir sus contratos para, posiblemente, pasarse a la competencia. Un caso análogo es el de la detección de transacciones de blanqueo de dinero o de fraude en el uso de tarjetas de crédito o de servicios de telefonía móvil Un caso análogo es el de la detección de transacciones de blanqueo de dinero o de fraude en el uso de tarjetas de crédito o de servicios de telefonía móvil

15 Fases de un Proyecto de Minería de Datos El proceso de minería de datos pasa por las siguientes fases: El proceso de minería de datos pasa por las siguientes fases: Filtrado de datos se eliminan valores incorrectos, no válidos, desconocidos... según las necesidades y el algoritmo a usar Filtrado de datos se eliminan valores incorrectos, no válidos, desconocidos... según las necesidades y el algoritmo a usar Filtrado de datos Filtrado de datos Selección de Variables La selección de características reduce el tamaño de los datos eligiendo las variables más influyentes en el problema Selección de Variables La selección de características reduce el tamaño de los datos eligiendo las variables más influyentes en el problema Selección de Variables Selección de Variables Extracción de Conocimiento se obtiene un modelo de conocimiento, que representa patrones de comportamiento observados en los valores de las variables del problema o relaciones de asociación entre dichas Extracción de Conocimiento se obtiene un modelo de conocimiento, que representa patrones de comportamiento observados en los valores de las variables del problema o relaciones de asociación entre dichas Extracción de ConocimientoExtracción de Conocimiento Interpretación y Evaluación Una vez obtenido el modelo, se debe proceder a su validación, comprobando que las conclusiones que arroja son válidas y suficientemente satisfactorias Interpretación y Evaluación Una vez obtenido el modelo, se debe proceder a su validación, comprobando que las conclusiones que arroja son válidas y suficientemente satisfactoriasInterpretación y EvaluaciónInterpretación y Evaluación

16 Minería de datos y otras disciplinas análogas Es difícil definir las fronteras existentes entre la minería de datos y disciplinas análogas, como pueden serlo la estadística, la inteligencia artificial Es difícil definir las fronteras existentes entre la minería de datos y disciplinas análogas, como pueden serlo la estadística, la inteligencia artificial El hecho es, que en la práctica la totalidad de los modelos y algoritmos de uso general en minería de datos redes neuronales, árboles de regresión y clasificación, modelos logísticos, análisis de componentes principales, etc. gozan de una tradición relativamente larga en otros campos. El hecho es, que en la práctica la totalidad de los modelos y algoritmos de uso general en minería de datos redes neuronales, árboles de regresión y clasificación, modelos logísticos, análisis de componentes principales, etc. gozan de una tradición relativamente larga en otros campos.

17 Estadística Análisis de varianza, mediante el cual se contrasta la existencia de diferencias significativas entre las medidas de una o más variables continuas en grupo de población distintos Análisis de varianza, mediante el cual se contrasta la existencia de diferencias significativas entre las medidas de una o más variables continuas en grupo de población distintos Análisis de varianza Análisis de varianza Ji cuadrado: por medio del cual se realiza el contraste la hipótesis de dependencia entre variables Ji cuadrado: por medio del cual se realiza el contraste la hipótesis de dependencia entre variables Ji cuadrado Ji cuadrado Análisis discriminante: permite la clasificación de individuos en grupos que previamente se han establecido Análisis discriminante: permite la clasificación de individuos en grupos que previamente se han establecido Análisis discriminante Análisis discriminante Series de tiempo: permite el estudio de la evolución de una variable a través del tiempo para, a partir de ese conocimiento Series de tiempo: permite el estudio de la evolución de una variable a través del tiempo para, a partir de ese conocimiento Series de tiempo Series de tiempo

18 Informática Algoritmos genéticos: Son métodos numéricos de optimización, en los que aquella variable o variables que se pretenden optimizar junto con las variables de estudio constituyen un segmento de información Algoritmos genéticos: Son métodos numéricos de optimización, en los que aquella variable o variables que se pretenden optimizar junto con las variables de estudio constituyen un segmento de información Algoritmos genéticos Algoritmos genéticos Sistemas Expertos: Son sistemas que han sido creados a partir de reglas prácticas extraídas del conocimiento de experto Sistemas Expertos: Son sistemas que han sido creados a partir de reglas prácticas extraídas del conocimiento de experto Sistemas Expertos Sistemas Expertos Redes neuronales: Genéricamente, son métodos de proceso numérico en paralelo, en el que las variables interactúan mediante transformaciones lineales o no lineales, hasta obtener unas salidas. Redes neuronales: Genéricamente, son métodos de proceso numérico en paralelo, en el que las variables interactúan mediante transformaciones lineales o no lineales, hasta obtener unas salidas. Redes neuronales Redes neuronales


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