Estimation of distribution algorithms based on phylogenetic trees

Algoritmos Evolutivos que utilizam modelos probabilísticos de distribuição dos valores das variáveis (para orientar o processo de busca da solução de problemas) são chamados Algoritmos de Estimação de Distribuição (AEDs). Esses algoritmos têm apresentado resultados relevantes para lidar com problemas relativamente complexos. O desempenho deles depende diretamente da qualidade dos modelos probabilísticos construídos que, por sua vez, dependem dos métodos de construção dos modelos. Os melhores modelos em geral são construídos por métodos computacionalmente complexos, resultando em AEDs que requerem tempo computacional alto, apesar de serem capazes de explorar menos pontos do espaço de busca para encontrar a solução de um problema. Este trabalho investiga modelos probabilísticos obtidos por algoritmos de reconstrução de filogenias, uma vez que alguns desses métodos podem produzir, de forma computacionalmente eficiente, modelos que representam bem as principais relações entre espécies (ou entre variáveis). Este trabalho propõe algumas estratégias para obter um melhor uso de modelos baseados em filogenia para o desenvolvimento de AEDs, dentre elas o emprego de um conjunto de filogenias em vez de apenas uma filogenia como modelo de correlação entre variáveis, a síntese das informações mais relevantes desse conjunto em uma estrutura de rede e a identificação de grupos de variáveis correlacionadas a partir de uma ou mais redes por meio de um algoritmo de detecção de comunidades. Utilizando esses avanços para a construção de modelos, foi desenvolvido uma nova técnica de busca, a Busca Exaustiva Composta, que possibilita encontrar a solução de problemas combinatórios de otimização de diferentes níveis de dificuldades. Além disso, foi proposta uma extensão do novo algoritmo para problemas multiobjetivos, que mostrou ser capaz de determinar a fronteira Pareto-ótima dos problemas combinatórios investigados. Por fim, o AED desenvolvido possibilitou obter um compromisso em termos de número de avaliações e tempo de computação, conseguindo resultados similares aos dos melhores algoritmos encontrados para cada um desses critérios de desempenho nos problemas testados.Evolutionary Algorithms that use the distribution of values of variables as probabilistic models (to direct the search process of problem solving) are called Estimation of Distribution Algorithms (EDAs). These algorithms have presented relevant performance in handling relatively complex problems. The performance of such algorithms depends directly on the quality of probabilistic models constructed that, in turn, depend on the methods of model building. The best models are often constructed by computationally complex methods, resulting in AEDs that require high running time although they are able to explore less points in the search space to find the solution of a problem. This work investigates probabilistic models obtained by algorithms of phylogeny reconstruction since some of them can produce models in an efficient way representing the main relationships among species (or among variables). This work proposes some strategies for better use of phylogeny-based models in the development of EDAs, such as the employment of a set of phylogenies instead of only one phylogeny as a model of correlation among variables, the synthesis of the most relevant information from a set of phylogenies into a structure of network and the identification groups of correlated variables from one or more networks by an algorithm of community detection. Using those advances for model construction, a new search technique, called Composed Exhaustive Search, was developed in order to find solutions for combinatorial optimization problems with different levels of difficulty. In addition, an extension of the new algorithm for multi-objective problems was proposed, which was able to determine the Pareto-optimal front of the combinatorial problems investigated. Finally, the developed EDA makes possible to obtain a trade-off in terms of number of evaluations and running time, finding results that are similar to the ones achieved by the best algorithms found for each one of these performance criteria in the problems tested