\documentclass[a4paper, final]{article}
%\usepackage{literat} % Нормальные шрифты
\usepackage[14pt]{extsizes} % для того чтобы задать нестандартный 14-ый размер шрифта
\usepackage{tabularx}
\usepackage{booktabs}
\usepackage[T2A]{fontenc}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage[russian]{babel}
\usepackage{amsmath}
\usepackage[left=25mm, top=20mm, right=20mm, bottom=20mm, footskip=10mm]{geometry}
\usepackage{ragged2e} %для растягивания по ширине
\usepackage{setspace} %для межстрочно   го интервала
\usepackage{moreverb} %для работы с листингами
\usepackage{indentfirst} % для абзацного отступа
\usepackage{moreverb} %для печати в листинге исходного кода программ
\usepackage{pdfpages} %для вставки других pdf файлов
\usepackage{tikz}
\usepackage{graphicx}
\usepackage{afterpage}
\usepackage{longtable}
\usepackage{float}
\usepackage{xcolor}




% \usepackage[paper=A4,DIV=12]{typearea}
\usepackage{pdflscape}
% \usepackage{lscape}

\usepackage{array}
\usepackage{multirow}

\renewcommand\verbatimtabsize{4\relax}
\renewcommand\listingoffset{0.2em} %отступ от номеров строк в листинге
\renewcommand{\arraystretch}{1.4} % изменяю высоту строки в таблице
\usepackage[font=small, singlelinecheck=false, justification=centering, format=plain, labelsep=period]{caption} %для настройки заголовка таблицы
\usepackage{listings} %листинги
\usepackage{xcolor} % цвета
\usepackage{hyperref}% для гиперссылок
\usepackage{enumitem} %для перечислений

\newcommand{\specialcell}[2][l]{\begin{tabular}[#1]{@{}l@{}}#2\end{tabular}}


\setlist[enumerate,itemize]{leftmargin=1.2cm} %отступ в перечислениях

\hypersetup{colorlinks,
    allcolors=[RGB]{010 090 200}} %красивые гиперссылки (не красные)

% подгружаемые языки — подробнее в документации listings (это всё для листингов)
\lstloadlanguages{ SQL}
% включаем кириллицу и добавляем кое−какие опции
\lstset{tabsize=2,
    breaklines,
    basicstyle=\footnotesize,
    columns=fullflexible,
    flexiblecolumns,
    numbers=left,
    numberstyle={\footnotesize},
    keywordstyle=\color{blue},
    inputencoding=cp1251,
    extendedchars=true
}
\lstdefinelanguage{MyC}{
    language=SQL,
%    ndkeywordstyle=\color{darkgray}\bfseries,
%    identifierstyle=\color{black},
%    morecomment=[n]{/**}{*/},
%    commentstyle=\color{blue}\ttfamily,
%    stringstyle=\color{red}\ttfamily,
%    morestring=[b]",
%    showstringspaces=false,
%    morecomment=[l][\color{gray}]{//},
    keepspaces=true,
    escapechar=\%,
    texcl=true
}

\textheight=24cm % высота текста
\textwidth=16cm % ширина текста
\oddsidemargin=0pt % отступ от левого края
\topmargin=-1.5cm % отступ от верхнего края
\parindent=24pt % абзацный отступ
\parskip=5pt % интервал между абзацами
\tolerance=2000 % терпимость к "жидким" строкам
\flushbottom % выравнивание высоты страниц


% Настройка листингов
\lstset{
    language=python,
    extendedchars=\true,
    inputencoding=utf8,
    keepspaces=true,
    % captionpos=b, % подписи листингов снизу
}

\begin{document} % начало документа
    


    % НАЧАЛО ТИТУЛЬНОГО ЛИСТА
    \begin{center}
        \hfill \break
        \hfill \break
        \normalsize{МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ\\
            федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»\\[10pt]}
        \normalsize{Институт компьютерных наук и кибербезопасности}\\[10pt] 
        \normalsize{Высшая школа технологий искусственного интеллекта}\\[10pt] 
        \normalsize{Направление: 02.03.01 <<Математика и компьютерные науки>>}\\
        
        \hfill \break
        \hfill \break
        \hfill \break
        \hfill \break
        \large{Лабораторная работа №5}\\
        \large{по дисциплине}\\
        \large{<<Генетические алгоритмы>>}\\
        \large{Вариант 18}\\
        
        % \hfill \break
        \hfill \break
    \end{center}
    
    \small{ 
        \begin{tabular}{lrrl}
            \!\!\!Студент, & \hspace{2cm} & & \\
            \!\!\!группы 5130201/20101 & \hspace{2cm} & \underline{\hspace{3cm}} &Тищенко А. А. \\\\
            \!\!\!Преподаватель & \hspace{2cm} &  \underline{\hspace{3cm}} &  Большаков А. А. \\\\
            &&\hspace{4cm}
        \end{tabular}
        \begin{flushright}
            <<\underline{\hspace{1cm}}>>\underline{\hspace{2.5cm}} 2025г.
        \end{flushright}
    }
    
    \hfill \break
    % \hfill \break
    \begin{center} \small{Санкт-Петербург, 2025} \end{center}
    \thispagestyle{empty} % выключаем отображение номера для этой страницы
    
    % КОНЕЦ ТИТУЛЬНОГО ЛИСТА
    \newpage
    
    \tableofcontents

    \newpage
    \section {Постановка задачи}
    В данной работе были поставлены следующие задачи:

    \begin{itemize}
        \item Изучить теоретический материал;
        \item Ознакомиться с вариантами кодирования хромосомы;
        \item Рассмотреть способы выполнения операторов репродукции,
        кроссинговера и мутации;
        \item Выполнить индивидуальное задание на любом языке высокого
        уровня
    \end{itemize}

    \textbf{Индивидуальное задание вариант 18:}

    \textbf{Дано:} Функция Axis parallel hyper-ellipsoid function.

    Общая формула для n-мерного случая:
    $$f(\mathbf{x}) = \sum_{i=1}^{n} i \cdot x_i^2$$
    где $\mathbf{x} = (x_1, x_2, \ldots, x_n)$, область определения $x_i \in [-5.12, 5.12]$ для всех $i = 1, \ldots, n$.

    Для двумерного случая (n=2):
    $$f(x, y) = 1 \cdot x^2 + 2 \cdot y^2 = x^2 + 2y^2$$
    область нахождения решения $x \in [-5.12, 5.12], y \in [-5.12, 5.12]$.

    Глобальный минимум: $f(\mathbf{x}) = 0$ в точке $x_i = 0$ для всех $i = 1, \ldots, n$. Для двумерного случая: $\min f(x, y) = f(0, 0) = 0$.

    \vspace{0.3cm}

    \textbf{Требуется:}

    \begin{enumerate}
        \item Реализовать программу на языке Python, использующую эволюционную стратегию для поиска минимума функции axis parallel hyper-ellipsoid;
        \item Для $n = 2$ построить визуализацию поверхности и траектории поиска: отображать найденный экстремум и расположение популяции на каждом шаге, обеспечить пошаговый режим;
        \item Исследовать влияние основных параметров ЭС (размер популяции, стратегия мутации, вероятность рекомбинации) на скорость сходимости, число поколений и точность результата;
        \item Повторить вычислительный эксперимент для $n = 3$ и сопоставить затраты времени и качество найденного решения.
    \end{enumerate}


    \newpage
    \section{Теоретические сведения}

    Эволюционные стратегии (ЭС) представляют собой семейство эволюционных алгоритмов, ориентированных на работу в пространстве фенотипов. Вместо кодирования решений двоичными хромосомами особи описываются непосредственно вещественными векторами параметров и набором стратегических коэффициентов, определяющих интенсивность мутаций. Подход позволяет тонко контролировать масштаб поиска и применять адаптивные механизмы подстройки.

    Общая форма особи записывается как $v = (\mathbf{x}, \boldsymbol{\sigma})$, где $\mathbf{x} = (x_1, \ldots, x_n)$ -- точка в пространстве решений, а $\boldsymbol{\sigma} = (\sigma_1, \ldots, \sigma_n)$ -- вектор стандартных отклонений, управляющий величиной мутаций по координатам. Потомки формируются добавлением гауссовых случайных величин к координатам родителей:
    $$\mathbf{x}^{(t+1)} = \mathbf{x}^{(t)} + \mathcal{N}(\mathbf{0}, \operatorname{diag}(\boldsymbol{\sigma}^{(t)})).$$

    \subsection{(1+1)-эволюционная стратегия}

    Базовый вариант ЭС использует единственного родителя и одного потомка. На каждой итерации генерируется новая особь, и если она улучшает значение целевой функции, то становится родителем следующего поколения. Иначе родитель сохраняется без изменений. Несмотря на минимальный размер популяции, такая схема гарантирует неубывающее качество фитнеса и проста в реализации.

    \subsection{Правило успеха $1/5$}

    Для ускорения сходимости И. Решенберг предложил адаптивное изменение дисперсии мутации. После каждых $k$ поколений вычисляется доля успешных мутаций $\varphi(k)$: отношение числа поколений, где потомок оказался лучше родителя, к $k$. Если $\varphi(k) > 1/5$, стандартное отклонение увеличивают ($\sigma_{t+1} = c_i \cdot \sigma_t$), если $\varphi(k) < 1/5$ -- уменьшают ($\sigma_{t+1} = c_d \cdot \sigma_t$). Обычно выбирают $c_i = 1/0.82$ и $c_d = 0.82$. Таким образом, алгоритм автоматически подстраивает шаг поиска под текущий рельеф функции.

    \subsection{Многократные эволюционные стратегии}

    Для повышения устойчивости к локальным минимумам используются популяционные варианты: $(\mu+1)$, $(\mu+\lambda)$ и $(\mu, \lambda)$-стратегии. В них участвуют несколько родителей, формируется множество потомков, а отбор может проводиться либо среди объединённого множества родителей и потомков, либо только среди потомков. Дополнительной особенностью является рекомбинация: координаты и стратегические параметры потомка могут вычисляться как линейная комбинация соответствующих компонент выбранных родителей. Введённая вариабельность усиливает исследование пространства и облегчает перенос информации между особями.

    \newpage
    \section{Особенности реализации}

    Реализация лабораторной работы расположена в каталоге \texttt{lab5}. Архитектура повторяет наработки второй лабораторной, но ориентирована на эволюционные стратегии и самоадаптацию мутаций.

    \begin{itemize}
        \item \textbf{Модуль \texttt{functions.py}}: содержит реализацию тестовой функции axis parallel hyper-ellipsoid и вспомогательные генераторы диапазонов. Функция принимает вектор NumPy и возвращает скалярное значение фитнеса.
        \item \textbf{Модуль \texttt{es.py}}: ядро эволюционной стратегии. Определены структуры конфигурации (dataclass \texttt{ESConfig}), представление особей и популяции, операторы рекомбинации и мутации. Поддерживаются $(1+1)$, $(\mu+\lambda)$ и $(\mu, \lambda)$ режимы, а также адаптация по правилу $1/5$.
        \item \textbf{Модуль \texttt{experiments.py}}: сценарии серийных экспериментов. Реализованы переборы параметров (размер популяции, количество потомков, начальная дисперсия мутации, вероятность рекомбинации) и сохранение агрегированных метрик в формате CSV и таблиц PrettyTable.
        \item \textbf{Модуль \texttt{main.py}}: точка входа для интерактивных запусков. Предусмотрен CLI-интерфейс с выбором размерности задачи, режима стратегии, числа итераций и опций визуализации. Для двумерного случая предусмотрены графики поверхности и контурные диаграммы с отображением популяции на каждом шаге.
    \end{itemize}

    Для удобства экспериментов в коде определены следующие ключевые сущности.

    \begin{itemize}
        \item \textbf{Самоадаптивная мутация}: функция \texttt{self\_adaptive\_mutation} обновляет как координаты, так и стратегические параметры особи. Множители мутации генерируются из логнормального распределения и масштабируют $\sigma_i$.
        \item \textbf{Рекомбинация}: поддерживаются арифметическая и дискретная рекомбинации. Первая усредняет значения родителей, вторая копирует координаты из случайно выбранного родителя для каждой компоненты.
        \item \textbf{Оценка качества}: класс \texttt{RunStats} аккумулирует историю поколений, лучшее значение, средний фитнес и продолжительность вычислений, что упрощает построение графиков и сравнительный анализ.
        \item \textbf{Визуализация}: модуль \texttt{main.py} строит трёхмерную поверхность и двухмерные контуры с помощью \texttt{matplotlib}. На графиках отображаются текущая популяция, направление лучшего шага и траектория найденного минимума.
    \end{itemize}

    \newpage
    \section{Результаты работы}

    Для анализа параметров стратегии подготовлен набор серийных экспериментов. В таблице~\ref{tab:configs} представлены базовые комбинации, используемые для минимизации функции при $n=2$ и $n=3$.

    \newcolumntype{Y}{>{\centering\arraybackslash}X}
    \begin{table}[h!]
        \centering
        \small
        \caption{Экспериментальные конфигурации}
        \begin{tabularx}{0.9\linewidth}{l *{4}{Y}}
            \toprule
            \textbf{ID} & $\mu$ & $\lambda$ & $\sigma_0$ & Режим адаптации \\
            \midrule
            A & 1 & 1 & 0.5 & правило успеха $1/5$ \\
            B & 5 & 25 & 0.3 & логнормальная самоадаптация \\
            C & 10 & 70 & 0.2 & фиксированное $\sigma$ \\
            D & 15 & 105 & 0.2 & смешанный: рекомбинация $+$ правило $1/5$ \\
            \bottomrule
        \end{tabularx}
        \label{tab:configs}
    \end{table}

    Визуализация для двумерного случая воспроизводит поверхность целевой функции и положение популяции на каждом шаге. Пошаговый режим позволяет наблюдать влияние изменения дисперсий: при успешных мутациях облако точек расширяется, при неудачах сжимается вокруг текущего минимума. Для трёхмерного случая графически отображается последовательность лучших точек и динамика величины функции во времени.

    \subsection{Пошаговая визуализация процесса оптимизации}

    Чтобы получить в отчёт те же трёхмерные графики, что присутствовали во второй лабораторной работе, подготовлен отдельный скрипт \texttt{lab5/generate\_report\_figures.py}. Он переиспользует функцию визуализации из модуля \texttt{main.py}, на каждом указанном поколении строит контурный и два трёхмерных вида поверхности и сохраняет кадры в каталог \texttt{lab5/report/img/results}. Команды следует выполнять из корня репозитория, предварительно установив зависимости:

    \begin{verbatim}
    pip install numpy matplotlib
    python lab5/generate_report_figures.py
    \end{verbatim}

    После выполнения команды изображения автоматически появятся в каталоге отчёта и будут подхвачены при компиляции \LaTeX-документа.

        \begin{figure}[H]
            \centering
            \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_001.png}
            \caption{Поколение 1: начальная популяция и рельеф функции}
        \end{figure}

        \begin{figure}[H]
            \centering
            \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_002.png}
            \caption{Поколение 2: адаптация стратегических параметров}
        \end{figure}

        \begin{figure}[H]
            \centering
            \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_003.png}
            \caption{Поколение 3: фокусировка поиска около минимума}
        \end{figure}

        \begin{figure}[H]
            \centering
            \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_005.png}
            \caption{Поколение 5: сжатие облака решений}
        \end{figure}

        \begin{figure}[H]
            \centering
            \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_008.png}
            \caption{Поколение 8: стабилизация шага мутации}
        \end{figure}

        \begin{figure}[H]
            \centering
            \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_010.png}
            \caption{Поколение 10: движение вдоль долины уровня}
        \end{figure}

        % \begin{figure}[H]
        %     \centering
        %     \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_015.png}
        %     \caption{Поколение 15: уточнение положения минимума}
        % \end{figure}

        \begin{figure}[H]
            \centering
            \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_017.png}
            \caption{Поколение 17: окончательная популяция}
        \end{figure}


    При запуске экспериментов собираются следующие показатели:

    \begin{itemize}
        \item число поколений до достижения целевого порога $f(\mathbf{x}) < 10^{-6}$ либо исчерпания лимита поколений;
        \item итоговая точность (значение функции и евклидово расстояние до нулевого вектора);
        \item суммарное процессорное время на серию запусков (возвращается в миллисекундах);
        \item статистика успехов для правила $1/5$ и распределение актуальных $\sigma_i$.
    \end{itemize}

    На практике $(1+1)$-стратегия показывает самую быструю сходимость на гладком рельефе, однако чувствительна к выбору начального $\sigma_0$. Популяционные режимы требовательнее по времени, но надёжнее удерживаются в окрестности минимума и легче масштабируются на $n=3$.

    \newpage
    \section{Ответ на контрольный вопрос}

    \textbf{Вопрос}: Что такое направленная мутация?

    \textbf{Ответ}: Направленная мутация --- это тип мутации, при котором изменения вносятся не случайным образом, а с учётом информации о ландшафте фитнес-функции или направлении улучшения решения. В отличие от обычной (ненаправленной) мутации, которая добавляет случайный шум к параметрам, направленная мутация использует информацию о градиенте функции приспособленности, историю успешных мутаций или другие эвристики, чтобы изменять особь в направлении, с большей вероятностью ведущем к улучшению. Это позволяет ускорить сходимость алгоритма, особенно вблизи оптимума, комбинируя преимущества эволюционного поиска и методов локальной оптимизации.

    \newpage
    \section*{Заключение}
    \addcontentsline{toc}{section}{Заключение}

    В ходе пятой лабораторной работы реализована программа оптимизации многомерных функций методом эволюционных стратегий. Получены следующие результаты:

    \begin{enumerate}
        \item Изучены теоретические основы $(1+1)$ и популяционных ЭС, включая самонастраивающуюся мутацию и правило успеха $1/5$;
        \item Разработана модульная Python-реализация с поддержкой визуализации поиска и гибкой конфигурацией стратегических параметров;
        \item Проведены вычислительные эксперименты для измерения влияния размера популяции, интенсивности мутации и схемы адаптации на скорость сходимости при $n=2$ и $n=3$;
        \item Подготовлена инфраструктура для дальнейшего расширения: сохранение историй поколений, экспорт результатов и интерактивный просмотр шагов оптимизации.
    \end{enumerate}

\newpage

% \section*{Список литратуры}

\addcontentsline{toc}{section}{Список литературы}

\vspace{-1.5cm}
\begin{thebibliography}{0}
    \bibitem{vostrov}
    Методические указания по выполнению лабораторных работ к курсу «Генетические алгоритмы», 119 стр.
\end{thebibliography}

\end{document}
