Evolutionary algorithms (EAs) serve as powerful black-box optimizers inspired by biological evolution. However, most existing EAs predominantly focus on heuristic operators such as crossover and mutation, while usually overlooking underlying physical interpretability such as statistical mechanics and thermosdynamics. This theoretical void limits the principled understanding of algorithmic dynamics, hindering the systematic design of evolutionary search beyond ad-hoc heuristics. To bridge this gap, we first point out that evolutionary optimization can be conceptually reframed as a physical phase transition process. Building on this perspective, we establish the theoretical grounds by modeling the optimization dynamics as a Wasserstein gradient flow of free energy. Consequently, a robust and interpretable solver named Wasserstein Evolution (WE) is proposed. WE mathematically frames the trade-off between exploration and exploitation as a competition between potential gradient forces and entropic forces. This formulation guarantees convergence to the Boltzmann distribution, thereby minimizing free energy and maximizing entropy, which promotes highly diverse solutions. Extensive experiments on complex multimodal and physical potential functions demonstrate that WE achieves superior diversity and stability compared to established baselines.


翻译:进化算法(EAs)作为受生物进化启发的强大黑盒优化器。然而,现有大多数进化算法主要关注交叉和变异等启发式算子,而通常忽视了潜在的物理可解释性,如统计力学和热力学。这一理论空白限制了对算法动态的原理性理解,阻碍了超越临时启发式的进化搜索的系统性设计。为弥合这一差距,我们首先指出,进化优化在概念上可被重新构建为一个物理相变过程。基于这一视角,我们通过将优化动态建模为自由能的Wasserstein梯度流,建立了理论基础。由此,提出了一种稳健且可解释的求解器,命名为Wasserstein Evolution(WE)。WE从数学上将探索与利用之间的权衡表述为势梯度力与熵力之间的竞争。该公式保证了向玻尔兹曼分布的收敛,从而最小化自由能并最大化熵,这促进了高度多样化的解。在复杂多模态和物理势函数上的大量实验表明,与现有基线相比,WE实现了更优的多样性和稳定性。

0
下载
关闭预览

相关内容

【新书】神经进化:释放 AI 智能体设计的创造力, 484页pdf
专知会员服务
41+阅读 · 2025年11月23日
【干货书】优化:原理和算法,738页pdf
专知会员服务
106+阅读 · 2023年6月24日
专知会员服务
62+阅读 · 2021年6月1日
专知会员服务
31+阅读 · 2021年4月12日
【干货书】优化算法,232页pdf
专知
26+阅读 · 2022年9月8日
机器学习中的最优化算法总结
人工智能前沿讲习班
22+阅读 · 2019年3月22日
GAFT:一个使用 Python 实现的遗传算法框架
Python开发者
10+阅读 · 2017年8月1日
从浅层模型到深度模型:概览机器学习优化算法
机器之心
27+阅读 · 2017年7月9日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2月16日
VIP会员
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员