Lab2 половина отчёта

lab2/main.py

@@ -17,7 +17,8 @@ config = GARunConfig(
     pm=0.01,
     minimize=True,
     seed=17,
-    save_generations=[1, 2, 3, 5, 7, 10, 15, 20, 50, 100],
+    fitness_avg_threshold=0.05,
+    save_generations=[1, 2, 3, 5, 7, 10, 15],
 )
 
 result = genetic_algorithm(config)

lab2/report/.gitignore

@@ -0,0 +1,6 @@
+*
+
+!**/
+!.gitignore
+!report.tex
+!img/**/*.png

lab2/report/report.tex

@@ -0,0 +1,602 @@
+\documentclass[a4paper, final]{article}
+%\usepackage{literat} % Нормальные шрифты
+\usepackage[14pt]{extsizes} % для того чтобы задать нестандартный 14-ый размер шрифта
+\usepackage{tabularx}
+\usepackage{booktabs}
+\usepackage[T2A]{fontenc}
+\usepackage[utf8]{inputenc}
+\usepackage[russian]{babel}
+\usepackage{amsmath}
+\usepackage[left=25mm, top=20mm, right=20mm, bottom=20mm, footskip=10mm]{geometry}
+\usepackage{ragged2e} %для растягивания по ширине
+\usepackage{setspace} %для межстрочно   го интервала
+\usepackage{moreverb} %для работы с листингами
+\usepackage{indentfirst} % для абзацного отступа
+\usepackage{moreverb} %для печати в листинге исходного кода программ
+\usepackage{pdfpages} %для вставки других pdf файлов
+\usepackage{tikz}
+\usepackage{graphicx}
+\usepackage{afterpage}
+\usepackage{longtable}
+\usepackage{float}
+
+
+
+% \usepackage[paper=A4,DIV=12]{typearea}
+\usepackage{pdflscape}
+% \usepackage{lscape}
+
+\usepackage{array}
+\usepackage{multirow}
+
+\renewcommand\verbatimtabsize{4\relax}
+\renewcommand\listingoffset{0.2em} %отступ от номеров строк в листинге
+\renewcommand{\arraystretch}{1.4} % изменяю высоту строки в таблице
+\usepackage[font=small, singlelinecheck=false, justification=centering, format=plain, labelsep=period]{caption} %для настройки заголовка таблицы
+\usepackage{listings} %листинги
+\usepackage{xcolor} % цвета
+\usepackage{hyperref}% для гиперссылок
+\usepackage{enumitem} %для перечислений
+
+\newcommand{\specialcell}[2][l]{\begin{tabular}[#1]{@{}l@{}}#2\end{tabular}}
+
+
+\setlist[enumerate,itemize]{leftmargin=1.2cm} %отступ в перечислениях
+
+\hypersetup{colorlinks,
+    allcolors=[RGB]{010 090 200}} %красивые гиперссылки (не красные)
+
+% подгружаемые языки — подробнее в документации listings (это всё для листингов)
+\lstloadlanguages{ SQL}
+% включаем кириллицу и добавляем кое−какие опции
+\lstset{tabsize=2,
+    breaklines,
+    basicstyle=\footnotesize,
+    columns=fullflexible,
+    flexiblecolumns,
+    numbers=left,
+    numberstyle={\footnotesize},
+    keywordstyle=\color{blue},
+    inputencoding=cp1251,
+    extendedchars=true
+}
+\lstdefinelanguage{MyC}{
+    language=SQL,
+%    ndkeywordstyle=\color{darkgray}\bfseries,
+%    identifierstyle=\color{black},
+%    morecomment=[n]{/**}{*/},
+%    commentstyle=\color{blue}\ttfamily,
+%    stringstyle=\color{red}\ttfamily,
+%    morestring=[b]",
+%    showstringspaces=false,
+%    morecomment=[l][\color{gray}]{//},
+    keepspaces=true,
+    escapechar=\%,
+    texcl=true
+}
+
+\textheight=24cm % высота текста
+\textwidth=16cm % ширина текста
+\oddsidemargin=0pt % отступ от левого края
+\topmargin=-1.5cm % отступ от верхнего края
+\parindent=24pt % абзацный отступ
+\parskip=5pt % интервал между абзацами
+\tolerance=2000 % терпимость к "жидким" строкам
+\flushbottom % выравнивание высоты страниц
+
+
+% Настройка листингов
+\lstset{
+    language=python,
+    extendedchars=\true,
+    inputencoding=utf8,
+    keepspaces=true,
+    % captionpos=b, % подписи листингов снизу
+}
+
+\begin{document} % начало документа
+    
+
+
+    % НАЧАЛО ТИТУЛЬНОГО ЛИСТА
+    \begin{center}
+        \hfill \break
+        \hfill \break
+        \normalsize{МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ\\
+            федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»\\[10pt]}
+        \normalsize{Институт компьютерных наук и кибербезопасности}\\[10pt] 
+        \normalsize{Высшая школа технологий искусственного интеллекта}\\[10pt] 
+        \normalsize{Направление: 02.03.01 <<Математика и компьютерные науки>>}\\
+        
+        \hfill \break
+        \hfill \break
+        \hfill \break
+        \hfill \break
+        \large{Лабораторная работа №2}\\
+        \large{по дисциплине}\\
+        \large{<<Генетические алгоритмы>>}\\
+        \large{Вариант 18}\\
+        
+        % \hfill \break
+        \hfill \break
+    \end{center}
+    
+    \small{ 
+        \begin{tabular}{lrrl}
+            \!\!\!Студент, & \hspace{2cm} & & \\
+            \!\!\!группы 5130201/20101 & \hspace{2cm} & \underline{\hspace{3cm}} &Тищенко А. А. \\\\
+            \!\!\!Преподаватель & \hspace{2cm} &  \underline{\hspace{3cm}} &  Большаков А. А. \\\\
+            &&\hspace{4cm}
+        \end{tabular}
+        \begin{flushright}
+            <<\underline{\hspace{1cm}}>>\underline{\hspace{2.5cm}} 2025г.
+        \end{flushright}
+    }
+    
+    \hfill \break
+    % \hfill \break
+    \begin{center} \small{Санкт-Петербург, 2025} \end{center}
+    \thispagestyle{empty} % выключаем отображение номера для этой страницы
+    
+    % КОНЕЦ ТИТУЛЬНОГО ЛИСТА
+    \newpage
+    
+    \tableofcontents
+
+    \newpage
+    \section {Постановка задачи}
+    В данной работе были поставлены следующие задачи:
+
+    \begin{itemize}
+        \item Изучить теоретический материал;
+        \item Ознакомиться с вариантами кодирования хромосомы;
+        \item Рассмотреть способы выполнения операторов репродукции,
+        кроссинговера и мутации;
+        \item Выполнить индивидуальное задание на любом языке высокого
+        уровня с необходимыми комментариями и выводами
+    \end{itemize}
+
+    \textbf{Индивидуальное задание вариант 18:}
+
+    \textbf{Дано:} Функция Axis parallel hyper-ellipsoid function.
+
+    Общая формула для n-мерного случая:
+    $$f(\mathbf{x}) = \sum_{i=1}^{n} i \cdot x_i^2$$
+    где $\mathbf{x} = (x_1, x_2, \ldots, x_n)$, область определения $x_i \in [-5.12, 5.12]$ для всех $i = 1, \ldots, n$.
+
+    Для двумерного случая (n=2):
+    $$f(x, y) = 1 \cdot x^2 + 2 \cdot y^2 = x^2 + 2y^2$$
+    область нахождения решения $x \in [-5.12, 5.12], y \in [-5.12, 5.12]$.
+
+    Глобальный минимум: $f(\mathbf{x}) = 0$ в точке $x_i = 0$ для всех $i = 1, \ldots, n$. Для двумерного случая: $\min f(x, y) = f(0, 0) = 0$.
+
+    \vspace{0.3cm}
+    \textbf{Требуется:}
+
+    \begin{enumerate}
+        \item Создать программу, использующую генетический алгоритм для нахождения минимума данной функции;
+        \item Для n=2 вывести на экран график функции с указанием найденного экстремума и точек популяции. Предусмотреть возможность пошагового просмотра процесса поиска решения;
+        \item Исследовать зависимость времени поиска, числа поколений (генераций), точности нахождения решения от основных параметров генетического алгоритма: числа особей в популяции, вероятности кроссинговера и мутации;
+        \item Повторить процесс поиска решения для n=3, сравнить результаты и скорость работы программы.
+    \end{enumerate}
+
+
+    \newpage
+    \section{Теоретические сведения}
+
+    Генетические алгоритмы (ГА) используют принципы и терминологию, заимствованные у биологической науки – генетики. В ГА каждая особь представляет потенциальное решение некоторой
+    проблемы. В классическом ГА особь кодируется строкой двоичных символов – хромосомой. Однако при работе с оптимизационными задачами в непрерывных пространствах вполне естественно представлять гены напрямую вещественными числами. В этом случае хромосома есть вектор вещественных чисел (real-coded алгоритмы). Их точность определяется исключительно разрядной сеткой ЭВМ. Длина хромосомы совпадает с длиной вектора-решения оптимизационной задачи, каждый ген отвечает за одну переменную. Генотип объекта становится идентичным его фенотипу.
+
+    Множество особей – потенциальных решений составляет популяцию. Поиск (суб)оптимального решения проблемы выполняется в процессе эволюции популяции - последовательного преобразования одного конечного множества решений в другое с помощью генетических операторов репродукции, кроссинговера и мутации.
+
+    Предварительно простой ГА случайным образом генерирует начальную популяцию стрингов
+    (хромосом). Затем алгоритм генерирует следующее поколение (популяцию), с помощью трех основных генетических операторов:
+
+    \begin{enumerate}
+        \item Оператор репродукции (ОР);
+        \item Оператор скрещивания (кроссинговера, ОК);
+        \item Оператор мутации (ОМ).
+    \end{enumerate}
+
+    ГА работает до тех пор, пока не будет выполнено заданное количество поколений (итераций)
+    процесса эволюции или на некоторой генерации будет получено заданное качество или вследствие
+    преждевременной сходимости при попадании в некоторый локальный оптимум. На Рис.~\ref{fig:alg} представлен простой генетический алгоритм.
+
+    \begin{figure}[h!]
+       \centering
+       \includegraphics[width=0.9\linewidth]{img/alg.png}
+       \caption{Простой генетический алгоритм}
+       \label{fig:alg}
+    \end{figure}
+
+    \newpage
+    \subsection{Основная терминология в генетических алгоритмах}
+
+    \textbf{Ген} -- элементарный код в хромосоме $s_i$, называемый также знаком или детектором 
+    (в классическом ГА $s_i = 0, 1$).
+
+    \textbf{Хромосома} -- упорядоченная последовательность генов в виде закодированной структуры 
+    данных $S = (s_1, s_2, \ldots, s_n)$, определяющая решение. Может быть представлена как двоичная 
+    последовательность (где $s_i = 0, 1$) или как вектор вещественных чисел (real-coded представление).
+
+    \textbf{Локус} -- местоположение (позиция, номер бита) данного гена в хромосоме.
+
+    \textbf{Аллель} -- значение, которое принимает данный ген (например, 0 или 1).
+
+    \textbf{Особь} -- одно потенциальное решение задачи (представляемое хромосомой).
+
+    \textbf{Популяция} -- множество особей (хромосом), представляющих потенциальные решения.
+
+    \textbf{Поколение} -- текущая популяция ГА на данной итерации алгоритма.
+
+    \textbf{Генотип} -- набор хромосом данной особи. В популяции могут использоваться как отдельные 
+    хромосомы, так и целые генотипы.
+
+    \textbf{Генофонд} -- множество всех возможных генотипов.
+
+    \textbf{Фенотип} -- набор значений, соответствующий данному генотипу. Это декодированное множество 
+    параметров задачи (например, десятичное значение $x$, соответствующее двоичному коду).
+
+    \textbf{Размер популяции $N$} -- число особей в популяции.
+
+    \textbf{Число поколений} -- количество итераций, в течение которых производится поиск.
+
+    \textbf{Селекция} -- совокупность правил, определяющих выживание особей на основе значений целевой функции.
+
+    \textbf{Эволюция популяции} -- чередование поколений, в которых хромосомы изменяют свои признаки, 
+    чтобы каждая новая популяция лучше приспосабливалась к среде.
+
+    \textbf{Фитнесс-функция} -- функция полезности, определяющая меру приспособленности особи. 
+    В задачах оптимизации она совпадает с целевой функцией или описывает близость к оптимальному решению.
+
+    \subsection{Генетические операторы}
+
+    \subsubsection{Оператор репродукции}
+
+    Репродукция -- процесс копирования хромосом в промежуточную популяцию для дальнейшего 
+    ``размножения'' в соответствии со значениями фитнесс-функции. В данной работе рассматривается метод колеса рулетки. Каждой хромосоме соответствует сектор, пропорциональный значению фитнесс-функции. 
+    Хромосомы с большим значением имеют больше шансов попасть в следующее поколение.
+
+    \subsubsection{Операторы кроссинговера для real-coded алгоритмов}
+
+    Оператор скрещивания непрерывного ГА (кроссовер) порождает одного или нескольких потомков от двух хромосом. Требуется из двух векторов вещественных чисел получить новые векторы по определённым законам. Большинство real-coded алгоритмов генерируют новые векторы в окрестности родительских пар.
+
+    Пусть $C_1=(c_{11},c_{21},\ldots,c_{n1})$ и $C_2=(c_{12},c_{22},\ldots,c_{n2})$ -- две хромосомы, выбранные оператором селекции для скрещивания.
+
+    \textbf{Арифметический кроссовер (arithmetical crossover):} создаются два потомка $H_1=(h_{11},\ldots,h_{n1})$, $H_2=(h_{12},\ldots,h_{n2})$, где:
+    $$h_{k1}=w \cdot c_{k1}+(1-w) \cdot c_{k2}$$
+    $$h_{k2}=w \cdot c_{k2}+(1-w) \cdot c_{k1}$$
+    где $k=1,\ldots,n$, $w$ -- весовой коэффициент из интервала $[0;1]$.
+
+    \begin{figure}[h!]
+       \centering
+       \includegraphics[width=0.5\linewidth]{img/arithmetic_crossover.png}
+       \caption{Арифметический кроссовер}
+       \label{fig:arithmetic_crossover}
+    \end{figure}
+
+    \textbf{Геометрический кроссовер (geometrical crossover):} создаются два потомка $H_1=(h_{11},\ldots,h_{n1})$, $H_2=(h_{12},\ldots,h_{n2})$, где:
+    $$h_{k1}=(c_{k1})^w \cdot (c_{k2})^{(1-w)}$$
+    $$h_{k2}=(c_{k2})^w \cdot (c_{k1})^{(1-w)}$$
+    где $w$ -- случайное число из интервала $[0;1]$.
+
+    \begin{figure}[h!]
+       \centering
+       \includegraphics[width=0.5\linewidth]{img/geometric_crossover.png}
+       \caption{Геометрический кроссовер}
+       \label{fig:geometric_crossover}
+    \end{figure}
+
+    \textbf{Смешанный кроссовер (BLX-alpha crossover):} генерируется один потомок $H=(h_1,\ldots,h_k,\ldots,h_n)$, где $h_k$ -- случайное число из интервала $[c_{min}-I \cdot \alpha, c_{max}+I \cdot \alpha]$, $c_{min}=\min(c_{k1},c_{k2})$, $c_{max}=\max(c_{k1},c_{k2})$, $I=c_{max}-c_{min}$.
+
+    \begin{figure}[h!]
+       \centering
+       \includegraphics[width=0.5\linewidth]{img/blx_crossover.png}
+       \caption{Смешанный кроссовер}
+       \label{fig:blx_crossover}
+    \end{figure}
+
+    \textbf{SBX кроссовер (Simulated Binary Crossover):} кроссовер, имитирующий двоичный, разработанный в 1995 году исследовательской группой под руководством K. Deb'а. Моделирует принципы работы двоичного оператора скрещивания, сохраняя важное свойство -- среднее значение функции приспособленности остаётся неизменным у родителей и их потомков.
+
+    Создаются два потомка $H_k=(h_{1k}, \ldots, h_{jk}, \ldots, h_{nk})$, $k=1,2$, где:
+    $$h_{j1} = 0.5[(1+\beta_k)c_{j1} + (1-\beta_k)c_{j2}]$$
+    $$h_{j2} = 0.5[(1-\beta_k)c_{j1} + (1+\beta_k)c_{j2}]$$
+
+    где $\beta_k \geq 0$ -- число, полученное по формуле:
+    $$\beta_k = \begin{cases}
+    (2u)^{\frac{1}{n+1}}, & \text{при } u \leq 0.5 \\
+    \left(\frac{1}{2(1-u)}\right)^{\frac{1}{n+1}}, & \text{при } u > 0.5
+    \end{cases}$$
+
+    где $u \in (0,1)$ -- случайное число, распределённое по равномерному закону, $n \in [2,5]$ -- параметр кроссовера. Увеличение $n$ повышает вероятность появления потомка в окрестности родителей.
+
+    \begin{figure}[h!]
+       \centering
+       \includegraphics[width=0.7\linewidth]{img/sbx_crossover.png}
+       \caption{SBX кроссовер}
+       \label{fig:sbx_crossover}
+    \end{figure}
+
+    \subsubsection{Операторы мутации для real-coded алгоритмов}
+
+    В качестве оператора мутации наибольшее распространение получили: случайная и неравномерная мутация.
+
+    \textbf{Случайная мутация (random mutation):} ген, подлежащий изменению, принимает случайное значение из интервала своего изменения.
+
+    \textbf{Неравномерная мутация (non-uniform mutation):} из особи случайно выбирается точка $c_k$ с разрешёнными пределами изменения $[c_{kl}, c_{kr}]$. Точка меняется на:
+    $$c_k' = \begin{cases}
+    c_k + \Delta(t, c_{kr} - c_k), & \text{при } a = 1 \\
+    c_k - \Delta(t, c_k - c_{kl}), & \text{при } a = 0
+    \end{cases}$$
+
+    где $a$ -- случайно выбранное направление изменения, $\Delta(t, y)$ -- функция, возвращающая случайную величину в пределах $[0, y]$ таким образом, что при увеличении $t$ среднее возвращаемое значение уменьшается:
+    $$\Delta(t, y) = y \cdot r \cdot \left(1 - \frac{t}{T}\right)^b$$
+
+    где $r$ -- случайная величина на интервале $[0, 1]$, $t$ -- текущая эпоха работы генетического алгоритма, $T$ -- общее разрешённое число эпох алгоритма, $b$ -- задаваемый пользователем параметр, определяющий степень зависимости от числа эпох.
+
+    \newpage
+    \section{Особенности реализации}
+    В рамках работы создана мини-библиотека \texttt{gen.py} для экспериментов с real-coded
+    генетическим алгоритмом для многомерных функций. Второй модуль
+    \texttt{expirements.py} организует серийные эксперименты (перебор параметров,
+    форматирование и сохранение результатов).
+
+    \begin{itemize}
+        \item \textbf{Кодирование особей}: каждая хромосома представлена как \texttt{np.ndarray} вещественных чисел (\texttt{Chromosome = NDArray[np.float64]}). Длина хромосомы соответствует размерности задачи оптимизации. Популяция -- список хромосом (\texttt{Population = list[Chromosome]}). Инициализация случайными векторами в заданном диапазоне:
+        \begin{itemize}
+            \item \texttt{initialize\_population(pop\_size: int, x\_min: Chromosome, x\_max:}\\ \texttt{Chromosome) -> Population}
+        \end{itemize}
+        \item \textbf{Фитнесс и минимум/максимум}: целевая функция принимает хромосому (вектор) и возвращает скалярное значение фитнесса. Для режима минимизации используется внутреннее преобразование при селекции (сдвиг на минимальное значение), что позволяет применять рулетку при отрицательных значениях:
+        \begin{itemize}
+            \item \texttt{eval\_population(population: Population, fitness\_func: FitnessFn) -> Fitnesses}
+            \item Логика режима минимизации в \texttt{genetic\_algorithm(config: GARunConfig) -> GARunResult}
+        \end{itemize}
+        \item \textbf{Селекция (рулетка)}: вероятности нормируются после сдвига на минимальное значение в поколении (устойчиво к отрицательным фитнессам). Функция:
+        \texttt{reproduction(population: Population, fitnesses: Fitnesses) -> Population}.
+        \item \textbf{Кроссинговер}: реализованы арифметический и геометрический кроссоверы для real-coded алгоритмов. Кроссинговер выполняется попарно по перемешанной популяции с вероятностью $p_c$. Функции:
+        \begin{itemize}
+            \item \texttt{arithmetical\_crossover\_fn(p1: Chromosome, p2: Chromosome, w: float) -> tuple[Chromosome, Chromosome]}
+            \item \texttt{geometrical\_crossover\_fn(p1: Chromosome, p2: Chromosome, w: float) -> tuple[Chromosome, Chromosome]}
+            \item \texttt{crossover(population: Population, pc: float, crossover\_fn: CrossoverFn) -> Population}
+        \end{itemize}
+        \item \textbf{Мутация}: случайная мутация -- с вероятностью $p_m$ на хромосому изменяется один случайно выбранный ген на случайное значение из допустимого диапазона. Функции:
+        \begin{itemize}
+            \item \texttt{build\_random\_mutation\_fn(x\_min: Chromosome, x\_max: Chromosome) -> MutationFn}
+            \item \texttt{mutation(population: Population, pm: float, mutation\_fn: MutationFn) -> Population}
+        \end{itemize}
+
+        \item \textbf{Критерий остановки}: поддерживается критерий по среднему значению фитнесс-функции в популяции и максимальному количеству поколений. Хранится история всех поколений. Проверка выполняется в функции:
+        
+        \texttt{genetic\_algorithm(config: GARunConfig) -> GARunResult}.
+        \item \textbf{Визуализация}: для двумерных функций реализованы 3D-графики поверхности и 2D-контурные графики с отображением популяций. Функции:
+        \begin{itemize}
+            \item \texttt{plot\_fitness\_surface(fitness\_func: FitnessFn, x\_min: Chromosome, x\_max: Chromosome, ax: Axes3D)}
+            \item \texttt{plot\_fitness\_contour(fitness\_func: FitnessFn, x\_min: Chromosome, x\_max: Chromosome, ax: Axes)}
+            \item \texttt{save\_generation(generation: Generation, history: list[Generation], config: GARunConfig)}
+        \end{itemize}
+        \item \textbf{Измерение времени}: длительность вычислений возвращается в миллисекундах как часть \texttt{GARunResult.time\_ms}.
+        \item \textbf{Файловая организация}: результаты экспериментов сохраняются иерархически в структуре \texttt{experiments/N/} с таблицами результатов в формате CSV. Задействованные функции:
+        \begin{itemize}
+            \item \texttt{clear\_results\_directory(results\_dir: str) -> None}
+            \item \texttt{run\_single\_experiment(pop\_size: int, pc: float, pm: float) -> tuple[float, float, float, float]}
+            \item \texttt{run\_experiments\_for\_population(pop\_size: int) -> PrettyTable}
+        \end{itemize}
+    \end{itemize}
+
+    В модуле \texttt{expirements.py} задаётся целевая функция axis parallel hyper-ellipsoid: $f(x, y) = x^2 + 2y^2$ и параметры экспериментов.
+    Серийные запуски и сохранение результатов реализованы в функциях \texttt{run\_single\_experiment}, \texttt{run\_experiments\_for\_population} и \texttt{main}.
+
+    \newpage
+    \section{Результаты работы}
+    На Рис.~\ref{fig:gen1}--\ref{fig:lastgen} представлены результаты работы генетического алгоритма со следующими параметрами:
+    \begin{itemize}
+        \item $N = 25$ -- размер популяции.
+        \item $p_c = 0.5$ -- вероятность кроссинговера.
+        \item $p_m = 0.01$ -- вероятность мутации.
+        \item $0.05$ -- минимальное среднее значение фитнесс функции по популяции для остановки алгоритма. Глобальный минимум функции равен $f(0, 0) = 0$.
+        \item Использован арифметический кроссовер для real-coded хромосом.
+    \end{itemize}
+
+    С каждым поколением точность найденного минимума становится выше. Популяция постепенно сходится к глобальному минимуму в точке $(0, 0)$. На графиках показаны 2D-контурный график (a) и 3D-поверхность целевой функции с точками популяции текущего поколения (b) и (c).
+
+    \begin{figure}[h!]
+       \centering
+       \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_001.png}
+       \caption{График целевой функции и популяции поколения №1}
+       \label{fig:gen1}
+    \end{figure}
+
+    \begin{figure}[h!]
+       \centering
+       \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_002.png}
+       \caption{График целевой функции и популяции поколения №2}
+       \label{fig:gen2}
+    \end{figure}
+
+    \begin{figure}[h!]
+       \centering
+       \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_003.png}
+       \caption{График целевой функции и популяции поколения №3}
+       \label{fig:gen3}
+    \end{figure}
+
+
+    \begin{figure}[h!]
+       \centering
+       \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_005.png}
+       \caption{График целевой функции и популяции поколения №5}
+       \label{fig:gen5}
+    \end{figure}
+
+    \begin{figure}[h!]
+       \centering
+       \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_007.png}
+       \caption{График целевой функции и популяции поколения №7}
+       \label{fig:gen7}
+    \end{figure}
+
+    \begin{figure}[h!]
+       \centering
+       \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_010.png}
+       \caption{График целевой функции и популяции поколения №10}
+       \label{fig:gen10}
+    \end{figure}
+
+    \begin{figure}[h!]
+       \centering
+       \includegraphics[width=1\linewidth]{img/results/generation_013.png}
+       \caption{График целевой функции и популяции поколения №13}
+       \label{fig:lastgen}
+    \end{figure}
+
+
+    \newpage
+    \phantom{text}
+    \newpage
+    \phantom{text}
+    
+    \newpage
+    \section{Исследование реализации}
+    \subsection{Проведение измерений}
+    В рамках лабораторной работы необходимо было исследовать зависимость времени выполнения задачи и количества поколений от популяции и вероятностей кроссинговера и мутации хромосомы
+
+    Для исследования были выбраны следующие значения параметров:
+    \begin{itemize}
+        \item $N = 10, 25, 50, 100$ -- размер популяции.
+        \item $p_c = 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8$ -- вероятность кроссинговера.
+        \item $p_m = 0.001, 0.01, 0.05, 0.1, 0.2$ -- вероятность мутации.
+    \end{itemize}
+
+    Результаты измерений представлены в таблицах \ref{tab:pc_pm_results}--\ref{tab:pc_pm_results4}. В ячейках указано усредненное время в миллисекундах нахождения минимума функции. В скобках указано усредненное количество поколений, за которое было найдено решение. Каждый эксперимент запускался 30 раз. Если в ячейке стоит прочерк, то это означает, что решение не было найдено за 200 поколений. Лучшее значение по времени выполнения для каждого размера популяции выделено жирным шрифтом.
+
+    \newcolumntype{Y}{>{\centering\arraybackslash}X}
+
+    \begin{table}[h!]
+        \centering
+        \small
+        \caption{Результаты для $N = 10$}
+        \begin{tabularx}{\linewidth}{l *{5}{Y}}
+        \toprule
+        $\mathbf{P_c \;\backslash\; P_m}$ & \textbf{0.001} & \textbf{0.010} & \textbf{0.050} & \textbf{0.100} & \textbf{0.200} \\
+        \midrule
+        \textbf{0.3} & 11.5 (167) & 8.4 (123) & 5.4 (78) & 4.9 (71) & 3.3 (48) \\
+        \textbf{0.4} & 10.1 (144) & 7.1 (104) & 6.3 (92) & 4.7 (67) & 4.7 (67) \\
+        \textbf{0.5} & 11.4 (168) & 7.7 (112) & 5.4 (79) & 6.1 (83) & \textbf{3.1 (44)} \\
+        \textbf{0.6} & 11.0 (160) & 6.7 (97)  & 4.9 (70) & 4.7 (67) & 5.3 (74) \\
+        \textbf{0.7} & 12.1 (174) & 9.3 (135) & 3.7 (52) & 4.7 (67) & 6.5 (92) \\
+        \textbf{0.8} & 8.7 (126)  & 8.3 (119) & 3.9 (57) & 7.9 (113)& 4.4 (61) \\
+        \bottomrule
+        \end{tabularx}
+        \label{tab:pc_pm_results}
+    \end{table}
+    
+    \begin{table}[h!]
+        \centering
+        \small
+        \caption{Результаты для $N = 25$}
+        \begin{tabularx}{\linewidth}{l *{5}{Y}}
+        \toprule
+        $\mathbf{P_c \;\backslash\; P_m}$ & \textbf{0.001} & \textbf{0.010} & \textbf{0.050} & \textbf{0.100} & \textbf{0.200} \\
+        \midrule
+        \textbf{0.3} & 14.7 (111) & 8.2 (62)  & 4.9 (37) & 4.7 (35) & 8.7 (63) \\
+        \textbf{0.4} & 12.8 (95)  & 7.3 (54)  & 4.7 (35) & 4.3 (32) & 8.2 (61) \\
+        \textbf{0.5} & 10.5 (78)  & 5.4 (40)  & \textbf{2.2 (16)} & 5.5 (40) & 12.1 (89) \\
+        \textbf{0.6} & 14.0 (103) & 6.5 (48)  & 3.4 (25) & 4.0 (30) & 14.0 (87) \\
+        \textbf{0.7} & 11.5 (84)  & 6.2 (46)  & 3.0 (22) & 3.2 (24) & 11.6 (83) \\
+        \textbf{0.8} & 9.2 (64)   & 5.8 (41)  & 2.5 (18) & 3.0 (22) & 11.2 (78) \\
+        \bottomrule
+        \end{tabularx}
+        \label{tab:pc_pm_results2}
+    \end{table}
+    
+    \begin{table}[h!]
+        \centering
+        \small
+        \caption{Результаты для $N = 50$}
+        \begin{tabularx}{\linewidth}{l *{5}{Y}}
+        \toprule
+        $\mathbf{P_c \;\backslash\; P_m}$ & \textbf{0.001} & \textbf{0.010} & \textbf{0.050} & \textbf{0.100} & \textbf{0.200} \\
+        \midrule
+        \textbf{0.3} & 6.1 (26)  & 5.2 (22) & 6.3 (26) & 11.6 (48) & 40.2 (147) \\
+        \textbf{0.4} & 6.1 (26)  & 4.5 (19) & 5.2 (22) & 9.8 (40)  & 37.2 (149) \\
+        \textbf{0.5} & 10.5 (44) & 4.9 (20) & 7.6 (28) & 17.1 (65) & 36.2 (144) \\
+        \textbf{0.6} & 7.5 (31)  & \textbf{4.6 (19)} & 5.6 (23) & 18.8 (76) & 42.0 (158) \\
+        \textbf{0.7} & 7.6 (31)  & 4.7 (20) & 7.6 (31) & 13.9 (55) & 34.3 (136) \\
+        \textbf{0.8} & 10.8 (44) & 5.0 (21) & 6.1 (24) & 13.9 (56) & 36.5 (145) \\
+        \bottomrule
+        \end{tabularx}
+        \label{tab:pc_pm_results3}
+    \end{table}
+    \begin{table}[h!]
+        \centering
+        \small
+        \caption{Результаты для $N = 100$}
+        \begin{tabularx}{\linewidth}{l *{5}{Y}}
+        \toprule
+        $\mathbf{P_c \;\backslash\; P_m}$ & \textbf{0.001} & \textbf{0.010} & \textbf{0.050} & \textbf{0.100} & \textbf{0.200} \\
+        \midrule
+        \textbf{0.3} & \textbf{7.6 (16)}  & 9.5 (21)  & 29.0 (60) & 62.9 (128) & -- \\
+        \textbf{0.4} & 8.0 (17)  & 9.6 (21)  & 31.5 (68) & 56.6 (120) & --  \\
+        \textbf{0.5} & 9.1 (20)  & 9.2 (20)  & 22.6 (48) & 59.4 (124) & --  \\
+        \textbf{0.6} & 17.8 (38) & 12.3 (26) & 30.0 (64) & 61.1 (128) & 95.3 (196)  \\
+        \textbf{0.7} & 10.0 (22) & 14.3 (31) & 30.3 (64) & 49.1 (103) & --  \\
+        \textbf{0.8} & 16.4 (34) & 12.1 (25) & 31.4 (64) & 54.9 (114) & --  \\
+        \bottomrule
+        \end{tabularx}
+        \label{tab:pc_pm_results4}
+    \end{table}
+        
+    \newpage
+    \phantom{text}
+    \newpage
+    \phantom{text}
+    \subsection{Анализ результатов}
+    
+    Ключевые наблюдения:
+    \begin{itemize}
+        \item При небольших популяциях ($N=10$) повышение $p_m$ ускоряет поиск; наилучшее время при $p_c=0.5$, $p_m=0.2$ (3.1 мс, 44 пок.).
+        \item Для $N=25$ оптимум при умеренной мутации $p_m\in[0.05,0.10]$; минимум времени при $p_c=0.5$, $p_m=0.05$ (2.2 мс, 16 пок.) — лучшее среди всех экспериментов.
+        \item Для $N=50$ лучшее время при $p_c=0.6$, $p_m=0.01$ (4.6 мс, 19 пок.). Слишком большая мутация ($p_m=0.2$) резко ухудшает результаты.
+        \item Для $N=100$ оптимальны низкие $p_m$; лучший результат при $p_c=0.3$, $p_m=0.001$ (7.6 мс, 16 пок.). При $p_m=0.2$ решение часто не находится за 200 поколений.
+        \item Рост $N$ не гарантирует ускорения: число поколений может уменьшаться, но суммарное время часто растёт из-за большей стоимости одной итерации.
+    \end{itemize}
+    
+    Практические выводы:
+    \begin{itemize}
+        \item Для умеренных затрат времени и стабильной сходимости разумно выбирать $N\approx25\text{--}50$, $p_c\approx0.5\text{--}0.6$, $p_m\approx0.01\text{--}0.05$.
+        \item Оптимальное $p_m$ снижается с ростом $N$: при малых популяциях полезна более агрессивная мутация, при больших — слабая.
+        \item Слишком большие значения $p_m$ и $p_c$ могут разрушать хорошие решения и ухудшать сходимость; стоит избегать $p_m\ge 0.2$ и высоких $p_c$ при больших $N$.
+    \end{itemize}
+
+    \newpage
+    \section{Ответ на контрольный вопрос}
+
+    \textbf{Вопрос}: Какую роль в ГА играет оператор репродукции (ОР)?
+
+    \textbf{Ответ}: Оператор репродукции (ОР) в ГА играет роль селекции. Он выбирает наиболее приспособленных особей для дальнейшего участия в скрещивании и мутации. Это позволяет сохранить наиболее приспособленные особи и постепенно улучшить популяцию.
+        
+
+    \newpage
+    \section*{Заключение}
+    \addcontentsline{toc}{section}{Заключение}
+
+    В ходе первой лабораторной работы:
+
+    \begin{enumerate}
+        \item Был изучен теоретический материал, основная терминология ГА, генетические операторы,
+        использующиеся в простых ГА;
+        \item Реализована программа на языке Python для нахождения минимума заданной функции;
+        \item Проведено исследование зависимости времени выполнения программы и поколения от мощности популяции и коэффициентов кроссинговера и мутации.
+    \end{enumerate}
+
+\newpage
+\section*{Список литературы}
+\addcontentsline{toc}{section}{Список литературы}
+
+\vspace{-1.5cm}
+\begin{thebibliography}{0}
+    \bibitem{vostrov}
+    Методические указания по выполнению лабораторных работ к курсу «Генетические алгоритмы», 119 стр.
+\end{thebibliography}
+
+\end{document}