Quality-Diversity (QD) algorithms are a new type of Evolutionary Algorithms (EAs), aiming to find a set of high-performing, yet diverse solutions. They have found many successful applications in reinforcement learning and robotics, helping improve the robustness in complex environments. Furthermore, they often empirically find a better overall solution than traditional search algorithms which explicitly search for a single highest-performing solution. However, their theoretical analysis is far behind, leaving many fundamental questions unexplored. In this paper, we try to shed some light on the optimization ability of QD algorithms via rigorous running time analysis. By comparing the popular QD algorithm MAP-Elites with $(\mu+1)$-EA (a typical EA focusing on finding better objective values only), we prove that on two NP-hard problem classes with wide applications, i.e., monotone approximately submodular maximization with a size constraint, and set cover, MAP-Elites can achieve the (asymptotically) optimal polynomial-time approximation ratio, while $(\mu+1)$-EA requires exponential expected time on some instances. This provides theoretical justification for that QD algorithms can be helpful for optimization, and discloses that the simultaneous search for high-performing solutions with diverse behaviors can provide stepping stones to good overall solutions and help avoid local optima.


翻译:质量多样性(QD)算法是一种新型进化算法(EA),旨在寻找一组高性能且多样化的解。该算法在强化学习和机器人领域取得了诸多成功应用,有助于提升复杂环境中的鲁棒性。此外,与显式搜索单个最高性能解的传统搜索算法相比,QD算法通常能经验性地找到更优的整体解。然而,其理论分析远远落后,仍有许多基本问题有待探索。本文尝试通过严格的运行时间分析,揭示QD算法的优化能力。通过比较流行的QD算法MAP-Elites与$(\mu+1)$-EA(一种仅关注寻找更优目标值的典型EA),我们证明:在两类具有广泛应用的NP难问题(即带大小约束的单调近似子模最大化问题和集合覆盖问题)上,MAP-Elites能够实现(渐近)最优的多项式时间近似比,而$(\mu+1)$-EA在某些实例上需要指数级期望时间。这为QD算法有助于优化的观点提供了理论依据,并揭示出同时搜索具有多样化行为的高性能解,可为获得整体最优解提供“垫脚石”,并帮助避免局部最优。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015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
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Attentive Graph Neural Networks for Few-Shot Learning
Arxiv
40+阅读 · 2020年7月14日
Directions for Explainable Knowledge-Enabled Systems
Arxiv
26+阅读 · 2020年3月17日
VIP会员
最新内容
《通过小型无人机系统将情报能力“作战化”》
专知会员服务
3+阅读 · 今天7:28
消耗优势:美军的“精确规模化”概念
专知会员服务
7+阅读 · 6月15日
《离线语言支持系统:面向空战战术决策》
专知会员服务
8+阅读 · 6月15日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015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
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员