Runtime Analysis of Single- and Multi-Objective Evolutionary Algorithms for Chance Constrained Optimization Problems with Normally Distributed Random Variables

数学优化 进化算法 集合(抽象数据类型) 约束(计算机辅助设计) 计算机科学 最优化问题 随机优化 数学 几何学 程序设计语言
作者
Frank Neumann,Carsten Witt
出处
期刊:Evolutionary Computation [MIT Press]
卷期号:: 1-24 被引量:1
标识
DOI:10.1162/evco_a_00355
摘要

Abstract Chance-constrained optimization problems allow us to model problems where constraints involving stochastic components should be violated only with a small probability. Evolutionary algorithms have been applied to this scenario and shown to achieve high-quality results. With this paper, we contribute to the theoretical understanding of evolutionary algorithms for chance-constrained optimization. We study the scenario of stochastic components that are independent and normally distributed. Considering the simple single-objective (1+1) EA, we show that imposing an additional uniform constraint already leads to local optima for very restricted scenarios and an exponential optimization time. We therefore introduce a multiobjective formulation of the problem which trades off the expected cost and its variance. We show that multiobjective evolutionary algorithms are highly effective when using this formulation and obtain a set of solutions that contains an optimal solution for any possible confidence level imposed on the constraint. Furthermore, we prove that this approach can also be used to compute a set of optimal solutions for the chance-constrained minimum spanning tree problem. In order to deal with potentially exponentially many trade-offs in the multiobjective formulation, we propose and analyze improved convex multiobjective approaches. Experimental investigations on instances of the NP-hard stochastic minimum weight dominating set problem confirm the benefit of the multiobjective and the improved convex multiobjective approach in practice.
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