Diversity optimization is the class of optimization problems in which we aim to find a diverse set of good solutions. One of the frequently-used approaches to solve such problems is to use evolutionary algorithms that evolve a desired diverse population. This approach is called evolutionary diversity optimization (EDO). In this paper, we analyze EDO on a three-objective function LOTZ$_k$, which is a modification of the two-objective benchmark function (LeadingOnes, TrailingZeros). We prove that the GSEMO computes a set of all Pareto-optimal solutions in $O(kn^3)$ expected iterations. We also analyze the runtime of the GSEMO$_D$ algorithm (a modification of the GSEMO for diversity optimization) until it finds a population with the best possible diversity for two different diversity measures: the total imbalance and the sorted imbalances vector. For the first measure we show that the GSEMO$_D$ optimizes it in $O(kn^2\log(n))$ expected iterations (which is asymptotically faster than the upper bound on the runtime until it finds a Pareto-optimal population), and for the second measure we show an upper bound of $O(k^2n^3\log(n))$ expected iterations. We complement our theoretical analysis with an empirical study, which shows a very similar behavior for both diversity measures. The results of experiments suggest that our bounds for the total imbalance measure are tight, while the bounds for the imbalances vector are too pessimistic.


翻译:多样性优化是一类旨在寻找一组多样化优质解的优化问题。解决此类问题的常用方法之一是采用进化算法演化出期望的多样化种群,该方法称为进化多样性优化(EDO)。本文在改进的双目标基准函数(LeadingOnes, TrailingZeros)基础上构建的三目标函数LOTZ$_k$上分析EDO的性能。我们证明了GSEMO算法在$O(kn^3)$期望迭代次数内可计算出所有帕累托最优解的集合。同时,针对两种不同的多样性度量指标——总不平衡度与排序不平衡向量,我们分析了GSEMO$_D$算法(GSEMO的多样性优化改进版本)在获得最优多样性种群前的运行时。对于第一种度量,我们证明GSEMO$_D$在$O(kn^2\log(n))$期望迭代次数内可完成优化(该渐进速度优于其找到帕累托最优种群时的运行时上界);对于第二种度量,我们给出了$O(k^2n^3\log(n))$期望迭代次数的上界。理论分析通过实证研究进行补充,实验结果显示两种多样性度量具有高度相似的行为特征。实验结果表明:总不平衡度的理论界是紧致的,而不平衡向量的理论界则较为保守。

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