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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones Jose A. Lozano Intelligent Systems Group The University of the Basque Country EVIA 2014 (A Coruña, September 3rd, 2014)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Sintetizando los Algoritmos Evolutivos:Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Jose A. Lozano

Intelligent Systems GroupThe University of the Basque Country

EVIA 2014(A Coruña, September 3rd, 2014)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Outline of the presentation

1 Estimation of Distribution Algorithms: Introduction

2 Protein Folding with EDAs

3 Miscellaneous

4 Conclusions

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Outline of the presentation

1 Estimation of Distribution Algorithms: Introduction

2 Protein Folding with EDAs

3 Miscellaneous

4 Conclusions

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Evolutionary Computation

Genetic Algorithms (GAs)Based on mimicking natural evolutionKeep a population of solutions at each stepUse of reproduction operators: crossover and mutationMathematically modeled as a Markov chain

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Estimation of Distribution Algorithms (EDAs): Thebasics

Motivation: Drawbacks of Genetic AlgorithmsToo much heuristic algorithmsMany parameters to set upDifficult to define good crossover and mutation operatorsBad results in some trivial problemsLack of rigorous mathematical analysis

Basic CharacteristicsDelete the reproduction operators of GAs:

Learn a probability distribution from the selected individualsSample the probability distribution to obtain the newpopulation

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Estimation of Distribution Algorithms (EDAs): Thebasics

Motivation: Drawbacks of Genetic AlgorithmsToo much heuristic algorithmsMany parameters to set upDifficult to define good crossover and mutation operatorsBad results in some trivial problemsLack of rigorous mathematical analysis

Basic CharacteristicsDelete the reproduction operators of GAs:

Learn a probability distribution from the selected individualsSample the probability distribution to obtain the newpopulation

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Optimization of OneMax with EDAs

max h(x) =6∑

i=1

xi

with xi = 0,1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Optimization of OneMax with EDAs

max h(x) =6∑

i=1

xi

with xi = 0,1

X1 X2 X3 X4 X5 X6 h(x)1 1 0 1 0 1 0 32 0 1 0 0 1 0 23 0 0 0 1 0 0 14 1 1 1 0 0 1 45 0 0 0 0 0 1 16 1 1 0 0 1 1 47 0 1 1 1 1 1 58 0 0 0 1 0 0 19 1 1 0 1 0 0 3

10 1 0 1 0 0 0 211 1 0 0 1 1 1 412 1 1 0 0 0 1 313 1 0 1 0 0 0 214 0 0 0 0 1 1 215 0 1 1 1 1 1 516 0 0 0 1 0 0 117 1 1 1 1 1 0 518 0 1 0 1 1 0 319 1 0 1 1 1 1 520 1 0 1 1 0 0 3

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Optimization of OneMax with EDAs

max h(x) =6∑

i=1

xi

with xi = 0,1

X1 X2 X3 X4 X5 X6 h(x)1 1 0 1 0 1 0 32 0 1 0 0 1 0 23 0 0 0 1 0 0 14 1 1 1 0 0 1 45 0 0 0 0 0 1 16 1 1 0 0 1 1 47 0 1 1 1 1 1 58 0 0 0 1 0 0 19 1 1 0 1 0 0 3

10 1 0 1 0 0 0 211 1 0 0 1 1 1 412 1 1 0 0 0 1 313 1 0 1 0 0 0 214 0 0 0 0 1 1 215 0 1 1 1 1 1 516 0 0 0 1 0 0 117 1 1 1 1 1 0 518 0 1 0 1 1 0 319 1 0 1 1 1 1 520 1 0 1 1 0 0 3

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Learning the probability distribution

X1 X2 X3 X4 X5 X61 1 0 1 0 1 04 1 1 1 0 0 16 1 1 0 0 1 17 0 1 1 1 1 1

11 1 0 0 1 1 112 1 1 0 0 0 115 0 1 1 1 1 117 1 1 1 1 1 018 0 1 0 1 1 019 1 0 1 1 1 1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Learning the probability distribution

X1 X2 X3 X4 X5 X61 1 0 1 0 1 04 1 1 1 0 0 16 1 1 0 0 1 17 0 1 1 1 1 1

11 1 0 0 1 1 112 1 1 0 0 0 115 0 1 1 1 1 117 1 1 1 1 1 018 0 1 0 1 1 019 1 0 1 1 1 1

p(x) = p(x1, . . . , x6) = p(x1) · p(x2) · p(x3) · p(x4) · p(x5) · p(x6)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Learning the probability distribution

X1 X2 X3 X4 X5 X61 1 0 1 0 1 04 1 1 1 0 0 16 1 1 0 0 1 17 0 1 1 1 1 1

11 1 0 0 1 1 112 1 1 0 0 0 115 0 1 1 1 1 117 1 1 1 1 1 018 0 1 0 1 1 019 1 0 1 1 1 1

p(x) = p(x1, . . . , x6) = p(x1) · p(x2) · p(x3) · p(x4) · p(x5) · p(x6)

p(X1 = 1) =7

10

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Learning the probability distribution

X1 X2 X3 X4 X5 X61 1 0 1 0 1 04 1 1 1 0 0 16 1 1 0 0 1 17 0 1 1 1 1 1

11 1 0 0 1 1 112 1 1 0 0 0 115 0 1 1 1 1 117 1 1 1 1 1 018 0 1 0 1 1 019 1 0 1 1 1 1

p(x) = p(x1, . . . , x6) = p(x1) · p(x2) · p(x3) · p(x4) · p(x5) · p(x6)

p(X1 = 1) =7

10p(X2 = 1) =

7

10p(X3 = 1) =

6

10p(X4 = 1) =

6

10p(X5 = 1) =

8

10p(X6 = 1) =

7

10

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Learning the probability distribution

X1 X2 X3 X4 X5 X61 1 0 1 0 1 04 1 1 1 0 0 16 1 1 0 0 1 17 0 1 1 1 1 1

11 1 0 0 1 1 112 1 1 0 0 0 115 0 1 1 1 1 117 1 1 1 1 1 018 0 1 0 1 1 019 1 0 1 1 1 1

p(x) = p(x1, . . . , x6) = p(x1) · p(x2) · p(x3) · p(x4) · p(x5) · p(x6)

p(X1 = 1) =7

10p(X2 = 1) =

7

10p(X3 = 1) =

6

10p(X4 = 1) =

6

10p(X5 = 1) =

8

10p(X6 = 1) =

7

10

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Learning the probability distribution

p(x) = p(x1, . . . , x6) = p(x1) · p(x2) · p(x3) · p(x4) · p(x5) · p(x6)

p(X1 = 1) =7

10p(X2 = 1) =

7

10p(X3 = 1) =

6

10p(X4 = 1) =

6

10p(X5 = 1) =

8

10p(X6 = 1) =

7

10

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Learning the probability distribution

p(x) = p(x1, . . . , x6) = p(x1) · p(x2) · p(x3) · p(x4) · p(x5) · p(x6)

p(X1 = 1) =7

10p(X2 = 1) =

7

10p(X3 = 1) =

6

10p(X4 = 1) =

6

10p(X5 = 1) =

8

10p(X6 = 1) =

7

10

p(X1 = 1, X2 = 0, X3 = 1, X4 = 0, X5 = 1, X6 = 1) =

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Learning the probability distribution

p(x) = p(x1, . . . , x6) = p(x1) · p(x2) · p(x3) · p(x4) · p(x5) · p(x6)

p(X1 = 1) =7

10p(X2 = 1) =

7

10p(X3 = 1) =

6

10p(X4 = 1) =

6

10p(X5 = 1) =

8

10p(X6 = 1) =

7

10

p(X1 = 1, X2 = 0, X3 = 1, X4 = 0, X5 = 1, X6 = 1) =

p(X1 = 1) · p(X2 = 0) · p(X3 = 1) · p(X4 = 0) · p(X5 = 1) · p(X6 = 1) =

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Learning the probability distribution

p(x) = p(x1, . . . , x6) = p(x1) · p(x2) · p(x3) · p(x4) · p(x5) · p(x6)

p(X1 = 1) =7

10p(X2 = 1) =

7

10p(X3 = 1) =

6

10p(X4 = 1) =

6

10p(X5 = 1) =

8

10p(X6 = 1) =

7

10

p(X1 = 1, X2 = 0, X3 = 1, X4 = 0, X5 = 1, X6 = 1) =

p(X1 = 1) · p(X2 = 0) · p(X3 = 1) · p(X4 = 0) · p(X5 = 1) · p(X6 = 1) =

710

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Learning the probability distribution

p(x) = p(x1, . . . , x6) = p(x1) · p(x2) · p(x3) · p(x4) · p(x5) · p(x6)

p(X1 = 1) =7

10p(X2 = 1) =

7

10p(X3 = 1) =

6

10p(X4 = 1) =

6

10p(X5 = 1) =

8

10p(X6 = 1) =

7

10

p(X1 = 1, X2 = 0, X3 = 1, X4 = 0, X5 = 1, X6 = 1) =

p(X1 = 1) · p(X2 = 0) · p(X3 = 1) · p(X4 = 0) · p(X5 = 1) · p(X6 = 1) =

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

710 · 3

10 · 610 · 4

10 · 810 · 7

10

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Obtaining the new population

p(x) = p(x1, . . . , x6) = p(x1) · p(x2) · p(x3) · p(x4) · p(x5) · p(x6)

0.23 p(X1 = 1) = 710 −→ 1

0.45 p(X2 = 1) = 710 −→ 1

0.89 p(X3 = 1) = 610 −→ 0

0.12 p(X4 = 1) = 610 −→ 1

0.98 p(X5 = 1) = 810 −→ 0

0.54 p(X6 = 1) = 710 −→ 1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Obtaining the new population

p(x) = p(x1, . . . , x6) = p(x1) · p(x2) · p(x3) · p(x4) · p(x5) · p(x6)

0.23 p(X1 = 1) = 710 −→ 1

0.45 p(X2 = 1) = 710 −→ 1

0.89 p(X3 = 1) = 610 −→ 0

0.12 p(X4 = 1) = 610 −→ 1

0.98 p(X5 = 1) = 810 −→ 0

0.54 p(X6 = 1) = 710 −→ 1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Obtaining the new population

p(x) = p(x1, . . . , x6) = p(x1) · p(x2) · p(x3) · p(x4) · p(x5) · p(x6)

0.23 p(X1 = 1) = 710 −→ 1

0.45 p(X2 = 1) = 710 −→ 1

0.89 p(X3 = 1) = 610 −→ 0

0.12 p(X4 = 1) = 610 −→ 1

0.98 p(X5 = 1) = 810 −→ 0

0.54 p(X6 = 1) = 710 −→ 1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Obtaining the new population

p(x) = p(x1, . . . , x6) = p(x1) · p(x2) · p(x3) · p(x4) · p(x5) · p(x6)

0.23 p(X1 = 1) = 710 −→ 1

0.45 p(X2 = 1) = 710 −→ 1

0.89 p(X3 = 1) = 610 −→ 0

0.12 p(X4 = 1) = 610 −→ 1

0.98 p(X5 = 1) = 810 −→ 0

0.54 p(X6 = 1) = 710 −→ 1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Obtaining the new population

p(x) = p(x1, . . . , x6) = p(x1) · p(x2) · p(x3) · p(x4) · p(x5) · p(x6)

0.23 p(X1 = 1) = 710 −→ 1

0.45 p(X2 = 1) = 710 −→ 1

0.89 p(X3 = 1) = 610 −→ 0

0.12 p(X4 = 1) = 610 −→ 1

0.98 p(X5 = 1) = 810 −→ 0

0.54 p(X6 = 1) = 710 −→ 1

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EDAs: Introduction

Obtaining the new population

X1 X2 X3 X4 X5 X6 h(x)1 1 1 0 1 0 1 52 1 0 1 0 1 1 43 1 1 1 1 1 0 54 0 1 0 1 1 1 45 1 1 1 1 0 1 56 1 0 0 1 1 1 47 0 1 0 1 1 0 38 1 1 1 0 1 0 49 1 1 1 0 0 1 4

10 1 0 0 1 1 1 411 1 1 0 0 1 1 412 1 0 1 1 1 0 413 0 1 1 0 1 1 414 0 1 1 1 1 0 415 1 1 1 1 1 1 616 0 1 1 0 1 1 417 1 1 1 1 1 0 518 0 1 0 0 1 0 219 0 0 1 1 0 1 320 1 1 0 1 1 1 5

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EDAs: Introduction

Pseudocode for EDAs

Obtain an initial population of individuals D0

Repeat until a stopping criterion is met

Select from Di a subset of individuals DSi

Learn a probability distribution pi(x) from DSi

Sample pi(x) to obtain Di+1/2

Create the new population Di+1 from Di and Di+1/2

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

What components should be set in EDAs?

Population sizeSelection operatorProbabilistic modelLearning algorithmSampling algorithm

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

What components should be set in EDAs?

Population sizeSelection operatorProbabilistic modelLearning algorithmSampling algorithm

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EDAs: Introduction

What components should be set in EDAs?

Population sizeSelection operatorProbabilistic modelLearning algorithmSampling algorithm

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What components should be set in EDAs?

Population sizeSelection operatorProbabilistic modelLearning algorithmSampling algorithm

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What components should be set in EDAs?

Population sizeSelection operatorProbabilistic modelLearning algorithmSampling algorithm

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What components should be set in EDAs?

Population sizeSelection operatorProbabilistic modelLearning algorithmSampling algorithm

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Classification of EDAs

Two criteria to classify EDAsKeep the structure of the probabilistic model fixedClassification based on the complexity of the modelstructure

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

EDAs with fixed structure

The structure of the probabilistic model keeps fixed duringthe searchAt each generation only parametric learning is carried outThe fixed probabilistic model tries to mimic the structure ofthe function to optimizeMost of the work has been done in the optimization ofadditive decomposable functions

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

EDAs that change the structure

Classification based on the model structureModify the structure ((in)dependences) of the probabilitymodel at each iteration:

1 Univariate model: all the variables are independent (UMDA,PBIL, CGA,...)(*)

2 Bivariate model: consider second-order statistics (TREE,MIMIC)

3 Unrestricted model: use of Bayesian networks (EBNA,LFDA, BOA)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

EDAs that change the structure

Classification based on the model structureModify the structure ((in)dependences) of the probabilitymodel at each iteration:

1 Univariate model: all the variables are independent (UMDA,PBIL, CGA,...)(*)

2 Bivariate model: consider second-order statistics (TREE,MIMIC)

3 Unrestricted model: use of Bayesian networks (EBNA,LFDA, BOA)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

EDAs that change the structure

Classification based on the model structureModify the structure ((in)dependences) of the probabilitymodel at each iteration:

1 Univariate model: all the variables are independent (UMDA,PBIL, CGA,...)(*)

2 Bivariate model: consider second-order statistics (TREE,MIMIC)

3 Unrestricted model: use of Bayesian networks (EBNA,LFDA, BOA)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

EDAs that change the structure

Classification based on the model structureModify the structure ((in)dependences) of the probabilitymodel at each iteration:

1 Univariate model: all the variables are independent (UMDA,PBIL, CGA,...)(*)

2 Bivariate model: consider second-order statistics (TREE,MIMIC)

3 Unrestricted model: use of Bayesian networks (EBNA,LFDA, BOA)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

EDAs that change the structure

Classification based on the model structureModify the structure ((in)dependences) of the probabilitymodel at each iteration:

1 Univariate model: all the variables are independent (UMDA,PBIL, CGA,...)(*)

2 Bivariate model: consider second-order statistics (TREE,MIMIC)

3 Unrestricted model: use of Bayesian networks (EBNA,LFDA, BOA)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

No dependencies

Univariate Marginal Distribution Algorithm (UMDA)

Probabilistic model: pl(x) =∏n

i=1 pl(xi)

Parameter learning: maximum likelihood (frequencycounts)

Probabilistic Based Incremental Learning (PBIL)Probabilistic model: same as UMDAParameter learning: maximum likelihood (frequencycounts)Rule to modify the probabilistic model:

pl+1(x) = (1− α)pl(x) + α1N

N∑k=1

x lk :M

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Bivariate model

TREE

Probabilistic model: p(x) =∏n

i=1 p(xi |xj(i))

Structural learning: Chow and Liu algorithmParametric learning: Maximum likelihoodSampling: Probabilistic logic sampling

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Chow and Liu algorithm

i) For each Xi , Xj compute:

MI(Xi ,Xj) =∑xi ,xj

p(xi , xj) logp(xi , xj)

p(xi)p(xj)X1

X2

X3

X4

X1

X2

X3

X4

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Chow and Liu algorithm

i) For each Xi , Xj compute:

MI(Xi ,Xj) =∑xi ,xj

p(xi , xj) logp(xi , xj)

p(xi)p(xj)X1

X2

X3

X4

X1

X2

X3

X4

9 8

1 35

6

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Chow and Liu algorithm

i) For each Xi , Xj compute:

MI(Xi ,Xj) =∑xi ,xj

p(xi , xj) logp(xi , xj)

p(xi)p(xj)

ii) Assign the two edges with the highestMI to the tree

X1

X2

X3

X4

X1

X2

X3

X4

9 8

1 35

6

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Chow and Liu algorithm

i) For each Xi , Xj compute:

MI(Xi ,Xj) =∑xi ,xj

p(xi , xj) logp(xi , xj)

p(xi)p(xj)

ii) Assign the two edges with the highestMI to the tree

X1

X2

X3

X4

X1

X2

X3

X4

9 8

1 35

6

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Chow and Liu algorithm

i) For each Xi , Xj compute:

MI(Xi ,Xj) =∑xi ,xj

p(xi , xj) logp(xi , xj)

p(xi)p(xj)

ii) Assign the two edges with the highestMI to the tree

X1

X2

X3

X4

X1

X2

X3

X4

1 35

6

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Chow and Liu algorithm

i) For each Xi , Xj compute:

MI(Xi ,Xj) =∑xi ,xj

p(xi , xj) logp(xi , xj)

p(xi)p(xj)

ii) Assign the two edges with the highestMI to the tree

iii) Repeat until there are n − 1 edges inthe tree:Assign the edge with the highest MIvalue to the tree if it does not form aloop, otherwise delete it

X1

X2

X3

X4

X1

X2

X3

X4

1 35

6

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Chow and Liu algorithm

i) For each Xi , Xj compute:

MI(Xi ,Xj) =∑xi ,xj

p(xi , xj) logp(xi , xj)

p(xi)p(xj)

ii) Assign the two edges with the highestMI to the tree

iii) Repeat until there are n − 1 edges inthe tree:Assign the edge with the highest MIvalue to the tree if it does not form aloop, otherwise delete it

X1

X2

X3

X4

X1

X2

X3

X4

1 35

6

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Chow and Liu algorithm

i) For each Xi , Xj compute:

MI(Xi ,Xj) =∑xi ,xj

p(xi , xj) logp(xi , xj)

p(xi)p(xj)

ii) Assign the two edges with the highestMI to the tree

iii) Repeat until there are n − 1 edges inthe tree:Assign the edge with the highest MIvalue to the tree if it does not form aloop, otherwise delete it

X1

X2

X3

X4

X1

X2

X3

X4

1 35

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Chow and Liu algorithm

i) For each Xi , Xj compute:

MI(Xi ,Xj) =∑xi ,xj

p(xi , xj) logp(xi , xj)

p(xi)p(xj)

ii) Assign the two edges with the highestMI to the tree

iii) Repeat until there are n − 1 edges inthe tree:Assign the edge with the highest MIvalue to the tree if it does not form aloop, otherwise delete it

X1

X2

X3

X4

X1

X2

X3

X4

1 3

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Chow and Liu algorithm

i) For each Xi , Xj compute:

MI(Xi ,Xj) =∑xi ,xj

p(xi , xj) logp(xi , xj)

p(xi)p(xj)

ii) Assign the two edges with the highestMI to the tree

iii) Repeat until there are n − 1 edges inthe tree:Assign the edge with the highest MIvalue to the tree if it does not form aloop, otherwise delete it

iv) Give orientation to the edges bychoosing a node as the root

X1

X2

X3

X4

X1

X2

X3

X4

1 3

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Chow and Liu algorithm

i) For each Xi , Xj compute:

MI(Xi ,Xj) =∑xi ,xj

p(xi , xj) logp(xi , xj)

p(xi)p(xj)

ii) Assign the two edges with the highestMI to the tree

iii) Repeat until there are n − 1 edges inthe tree:Assign the edge with the highest MIvalue to the tree if it does not form aloop, otherwise delete it

iv) Give orientation to the edges bychoosing a node as the root

X1

X2

X3

X4

X1

X2

X3

X4

1 3

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Chow and Liu algorithm

X1

X2

X3

X4

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Chow and Liu algorithm

X1

X2

X3

X4

p(x1, x2, x3, x4) = p(x1|x3) · p(x2|x3) · p(x3) · p(x4|x3)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Parametric learning in TREE

p(x1, x2, x3, x4) = p(x1|x3) · p(x2|x3) · p(x3) · p(x4|x3)

X1 X2 X3 X41 0 0 11 1 0 00 1 1 00 0 0 10 1 1 1

p(X1 = 1|X3 = 0)

p(X1 = 1|X3 = 1)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Parametric learning in TREE

p(x1, x2, x3, x4) = p(x1|x3) · p(x2|x3) · p(x3) · p(x4|x3)

X1 X2 X3 X41 0 0 11 1 0 00 1 1 00 0 0 10 1 1 1

p(X1 = 1|X3 = 0)

p(X1 = 1|X3 = 1)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Parametric learning in TREE

p(x1, x2, x3, x4) = p(x1|x3) · p(x2|x3) · p(x3) · p(x4|x3)

X1 X2 X3 X41 0 0 11 1 0 00 1 1 00 0 0 10 1 1 1

p(X1 = 1|X3 = 0) =23

p(X1 = 1|X3 = 1)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Parametric learning in TREE

p(x1, x2, x3, x4) = p(x1|x3) · p(x2|x3) · p(x3) · p(x4|x3)

X1 X2 X3 X41 0 0 11 1 0 00 1 1 00 0 0 10 1 1 1

p(X1 = 1|X3 = 0) =23

p(X1 = 1|X3 = 1)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Parametric learning in TREE

p(x1, x2, x3, x4) = p(x1|x3) · p(x2|x3) · p(x3) · p(x4|x3)

X1 X2 X3 X41 0 0 11 1 0 00 1 1 00 0 0 10 1 1 1

p(X1 = 1|X3 = 0) =23

p(X1 = 1|X3 = 1) =02

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Parametric learning in TREE

p(x1, x2, x3, x4) = p(x1|x3) · p(x2|x3) · p(x3) · p(x4|x3)

X1 X2 X3 X41 0 0 11 1 0 00 1 1 00 0 0 10 1 1 1

p(X1 = 1|X3 = 0) =2 + ε

3 + 2ε

p(X1 = 1|X3 = 1) =0 + ε

2 + 2ε

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Sampling in TREE

Order the variables in such a way that parents variablescome before children variables

X1

X2

X3

X4

In our case: X3,X1,X2,X4

Variables are sampled in this order

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Sampling in TREE

Order the variables in such a way that parents variablescome before children variables

X1

X2

X3

X4

In our case: X3,X1,X2,X4

Variables are sampled in this order

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Sampling in TREE

Order the variables in such a way that parents variablescome before children variables

X1

X2

X3

X4

In our case: X3,X1,X2,X4

Variables are sampled in this order

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Sampling in TREE

Order the variables in such a way that parents variablescome before children variables

X1

X2

X3

X4

In our case: X3,X1,X2,X4

Variables are sampled in this order

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Sampling in TREE

p(x1, x2, x3, x4) = p(x1|x3) · p(x2|x3) · p(x3) · p(x4|x3)

p(X1 = 1|X3 = 0) = 0,3 p(X2 = 1|X3 = 0) = 0,1 p(X3 = 1) = 0,7 p(X4 = 1|X3 = 0) = 0,5

p(X1 = 1|X3 = 1) = 0,2 p(X2 = 1|X3 = 1) = 0,8 p(X4 = 1|X3 = 1) = 0,6

Variable order: X3,X1,X2,X4

X1 X2 X3 X4

0,85 0,55 0,23 0,91

↓ ↓ ↓ ↓

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Sampling in TREE

p(x1, x2, x3, x4) = p(x1|x3) · p(x2|x3) · p(x3) · p(x4|x3)

p(X1 = 1|X3 = 0) = 0,3 p(X2 = 1|X3 = 0) = 0,1 p(X3 = 1) = 0,7 p(X4 = 1|X3 = 0) = 0,5

p(X1 = 1|X3 = 1) = 0,2 p(X2 = 1|X3 = 1) = 0,8 p(X4 = 1|X3 = 1) = 0,6

Variable order: X3,X1,X2,X4

X1 X2 X3 X4

0,85 0,55 0,23 0,91

↓ ↓ ↓ ↓

1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Sampling in TREE

p(x1, x2, x3, x4) = p(x1|x3) · p(x2|x3) · p(x3) · p(x4|x3)

p(X1 = 1|X3 = 0) = 0,3 p(X2 = 1|X3 = 0) = 0,1 p(X3 = 1) = 0,7 p(X4 = 1|X3 = 0) = 0,5

p(X1 = 1|X3 = 1) = 0,2 p(X2 = 1|X3 = 1) = 0,8 p(X4 = 1|X3 = 1) = 0,6

Variable order: X3,X1,X2,X4

X1 X2 X3 X4

0,85 0,55 0,23 0,91

↓ ↓ ↓ ↓

0 1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Sampling in TREE

p(x1, x2, x3, x4) = p(x1|x3) · p(x2|x3) · p(x3) · p(x4|x3)

p(X1 = 1|X3 = 0) = 0,3 p(X2 = 1|X3 = 0) = 0,1 p(X3 = 1) = 0,7 p(X4 = 1|X3 = 0) = 0,5

p(X1 = 1|X3 = 1) = 0,2 p(X2 = 1|X3 = 1) = 0,8 p(X4 = 1|X3 = 1) = 0,6

Variable order: X3,X1,X2,X4

X1 X2 X3 X4

0,85 0,55 0,23 0,91

↓ ↓ ↓ ↓

0 1 1 0

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Unrestrictive models:Estimation of Bayesian Network Algorithm (EBNA)

CharacteristicsAt each step a Bayesian network is learntParameters are learnt using maximum likelihoodProbabilistic Logic Sampling is used to sample newsolutions

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Bayesian networks

X1 X2

X3 X6

X4 X5

p(x) = p(x1) · p(x2) · p(x3|x1, x2) · p(x4|x3) · p(x5|x3, x6) · p(x6)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Bayesian networks

X1θ1 X2 θ2

X3θ3 X6 θ6

X4θ4 X5 θ5

p(x) = p(x1) · p(x2) · p(x3|x1, x2) · p(x4|x3) · p(x5|x3, x6) · p(x6)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Bayesian networks

θ4 = (θ41,θ42) X1θ1 X2 θ2

X3θ3 X6 θ6

X4θ4 X5 θ5

p(x) = p(x1) · p(x2) · p(x3|x1, x2) · p(x4|x3) · p(x5|x3, x6) · p(x6)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Bayesian networks

θ4 = (θ41,θ42)

{θ411 = p(X4 = 0 | X3 = 0)θ412 = p(X4 = 1 | X3 = 0)

X1θ1 X2 θ2

X3θ3 X6 θ6

X4θ4 X5 θ5

p(x) = p(x1) · p(x2) · p(x3|x1, x2) · p(x4|x3) · p(x5|x3, x6) · p(x6)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Bayesian networks

θ4 = (θ41,θ42)

{θ411 = p(X4 = 0 | X3 = 0)θ412 = p(X4 = 1 | X3 = 0)

X1θ1 X2 θ2

X3θ3 X6 θ6

X4θ4 X5 θ5General case

θijk = p(Xi = xki |Pai = paj

i)

p(x) = p(x1) · p(x2) · p(x3|x1, x2) · p(x4|x3) · p(x5|x3, x6) · p(x6)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

EDAs: Introduction

Which are the benefits of using explicitdistributions?

Search for solutions taking into account correlationbetween variablesIncorporate information from the fitness function to theprobability model:

Relations between the variablesStructural information

It is possible to extract information about the objectivefunction from the learnt model:

Relations between variablesCharacteristics of the search spaceA model of the process that is being optimized

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EDAs: Introduction

Which are the benefits of using explicitdistributions?

Search for solutions taking into account correlationbetween variablesIncorporate information from the fitness function to theprobability model:

Relations between the variablesStructural information

It is possible to extract information about the objectivefunction from the learnt model:

Relations between variablesCharacteristics of the search spaceA model of the process that is being optimized

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Outline of the presentation

1 Estimation of Distribution Algorithms: Introduction

2 Protein Folding with EDAs

3 Miscellaneous

4 Conclusions

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Proteins

IntroductionProteins are essential components of living organismsFormed by a sequence of (20 different types) amino acidsor residuesUnder suitable conditions folded in 3-D to form a functionalstructureEach possible protein fold has associated free energyThe native structure of a protein is the one for which thefree energy achieves the global minimum

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Protein Folding with EDAs

Proteins

IntroductionProteins are essential components of living organismsFormed by a sequence of (20 different types) amino acidsor residuesUnder suitable conditions folded in 3-D to form a functionalstructureEach possible protein fold has associated free energyThe native structure of a protein is the one for which thefree energy achieves the global minimum

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Protein Folding with EDAs

Proteins

IntroductionProteins are essential components of living organismsFormed by a sequence of (20 different types) amino acidsor residuesUnder suitable conditions folded in 3-D to form a functionalstructureEach possible protein fold has associated free energyThe native structure of a protein is the one for which thefree energy achieves the global minimum

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Protein Folding with EDAs

Proteins

IntroductionProteins are essential components of living organismsFormed by a sequence of (20 different types) amino acidsor residuesUnder suitable conditions folded in 3-D to form a functionalstructureEach possible protein fold has associated free energyThe native structure of a protein is the one for which thefree energy achieves the global minimum

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Protein Folding with EDAs

Proteins

IntroductionProteins are essential components of living organismsFormed by a sequence of (20 different types) amino acidsor residuesUnder suitable conditions folded in 3-D to form a functionalstructureEach possible protein fold has associated free energyThe native structure of a protein is the one for which thefree energy achieves the global minimum

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Protein Folding with EDAs

Proteins

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Protein Folding

Protein Folding as an Optimization Problem

Given a sequence of amino acids, which is the nativestructure of the protein?Problems:

To define an adequate energy functionAn exponential number of folding possibilities

Solutions: use of simplified protein models

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Protein Folding with EDAs

Protein Folding

Protein Folding as an Optimization Problem

Given a sequence of amino acids, which is the nativestructure of the protein?Problems:

To define an adequate energy functionAn exponential number of folding possibilities

Solutions: use of simplified protein models

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Protein Folding with EDAs

Protein Folding

Protein Folding as an Optimization Problem

Given a sequence of amino acids, which is the nativestructure of the protein?Problems:

To define an adequate energy functionAn exponential number of folding possibilities

Solutions: use of simplified protein models

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Protein Folding with EDAs

Protein Folding

Protein Folding as an Optimization Problem

Given a sequence of amino acids, which is the nativestructure of the protein?Problems:

To define an adequate energy functionAn exponential number of folding possibilities

Solutions: use of simplified protein models

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Protein Folding

Protein Folding as an Optimization Problem

Given a sequence of amino acids, which is the nativestructure of the protein?Problems:

To define an adequate energy functionAn exponential number of folding possibilities

Solutions: use of simplified protein models

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Protein Folding

Protein Folding as an Optimization Problem

Given a sequence of amino acids, which is the nativestructure of the protein?Problems:

To define an adequate energy functionAn exponential number of folding possibilities

Solutions: use of simplified protein models

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Protein Folding with EDAs

The Hydrophobic-Polar (HP) Model

IntroductionThe HP model considers two types of residues:hydrophobic (H) residues and hydrophilic or polar (P)residuesA protein is considered a sequence of these two types ofresidues, which are located in regular lattice modelsforming self-avoided pathsGiven two residues we consider two kinds ofneighborhoods:

Connected neighbors: adjacent in the chainTopological neighbors: adjacent in the lattice but notconnected in the chain

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Protein Folding with EDAs

The Hydrophobic-Polar (HP) Model

IntroductionThe HP model considers two types of residues:hydrophobic (H) residues and hydrophilic or polar (P)residuesA protein is considered a sequence of these two types ofresidues, which are located in regular lattice modelsforming self-avoided pathsGiven two residues we consider two kinds ofneighborhoods:

Connected neighbors: adjacent in the chainTopological neighbors: adjacent in the lattice but notconnected in the chain

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Protein Folding with EDAs

The Hydrophobic-Polar (HP) Model

IntroductionThe HP model considers two types of residues:hydrophobic (H) residues and hydrophilic or polar (P)residuesA protein is considered a sequence of these two types ofresidues, which are located in regular lattice modelsforming self-avoided pathsGiven two residues we consider two kinds ofneighborhoods:

Connected neighbors: adjacent in the chainTopological neighbors: adjacent in the lattice but notconnected in the chain

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Protein Folding with EDAs

The H-P model

Energy function

A energy function that measures the interaction betweentopological neighbor residues is defined as:

εHH = −1εHP = 0εPP = 0

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

connected neighbors

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Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

connected neighbors

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Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

topological neighbors

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Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

topological neighbors

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Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

topological neighbors

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

topological neighbors

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Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

Energy=

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Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

εHH = −1

Energy=

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Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

εHH = −1

Energy= -1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

εPP = 0

Energy= -1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

εPP = 0

Energy= -1+ 0

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

εPP = 0

Energy= -1+ 0 + 0

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

εPH = 0

Energy= -1+ 0 + 0 + 0

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The H-P model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

Energy= -1+ 0 + 0 + 0 = -1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The functional model

CharacteristicsThe functional model is a “shifted” H-P modelThis model has native states, some of which are notmaximally compactThey have cavities or potential binding sitesThe main difference with the H-P model is the definition ofthe energy

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The functional model

Energy function

A energy function that measures the interaction betweentopological neighbor residues is defined as:

εHH = −2εHP = 1εPP = 1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The functional model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

Energy=

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The functional model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

εHH = −2

Energy=

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The functional model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

εHH = −2

Energy= -2

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The functional model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

εPP = 1

Energy= -2

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The functional model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

εPP = 1

Energy= -2+ 1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The functional model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

εPP = 1

Energy= -2+ 1 + 1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The functional model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

εPH = 1

Energy= -2+ 1 + 1 + 1

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

The functional model

Example of folding of HHHPHPPPPPH protein in a 2-D lattice

Energy= -2+ 1 + 1 + 1 = 1

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Protein Folding with EDAs

EDAs applied to the H-P problem . Problemformalization

Solution representationGiven a chain of length n a solution is an array of length nAbsolute codification

Each position Xi in the array will represent the global moveof residue i

Relative codification:Each position Xi in the array will represent the relative moveof residue i in relation to the previous two residuesIn this way for a 2-D lattice Xi ∈ {0,1,2} and for a 3-Dlattice Xi ∈ {0, . . . ,4}

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

EDAs applied to the H-P problem . Problemformalization

Solution representationGiven a chain of length n a solution is an array of length nAbsolute codification

Each position Xi in the array will represent the global moveof residue i

Relative codification:Each position Xi in the array will represent the relative moveof residue i in relation to the previous two residuesIn this way for a 2-D lattice Xi ∈ {0,1,2} and for a 3-Dlattice Xi ∈ {0, . . . ,4}

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Problem formalization

Solution representation

(0,0,−,−,−,−,−,−,−,−,−)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Problem formalization

Solution representation

(0,0,1,−,−,−,−,−,−,−,−)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Problem formalization

Solution representation

(0,0,1,−1,−,−,−,−,−,−,−)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Problem formalization

Solution representation

(0,0,1,−1,−1,−,−,−,−,−,−)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Problem formalization

Solution representation

(0,0,1,−1,−1,1,−,−,−,−,−)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Problem formalization

Solution representation

(0,0,1,−1,−1,1,1,−,−,−,−)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Problem formalization

Solution representation

(0,0,1,−1,−1,1,1,−1,−,−,−)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Problem formalization

Solution representation

(0,0,1,−1,−1,1,1,−1,−1,−,−)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Problem formalization

Solution representation

(0,0,1,−1,−1,1,1,−1,−1,0,−)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Problem formalization

Solution representation

(0,0,1,−1,−1,1,1,−1,−1,0,−1)

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Problem formalization

Relative codificationThe proposed codification can give non self-avoided pathsTo have self-avoided paths a backtracking method is used

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Estimation of Distribution Algorithms

Pseudocode for an EDAObtain an initial population of individuals D0

Repeat until a stopping criterion is met

Select from Di a subset of individuals DSi

Learn a probability distribution pi(x) from DSi

Sample pi(x) to obtain Di+1/2

Create the new population Di+1 from Di and Di+1/2

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Which probabilistic model to use?

Dependencies and regularities in the search space

Our first idea is to use an independence modelp(x) =

∏ni=1 p(xi)

However, are there dependencies and regularities betweenthe variables of the problem?How to look for dependencies and regularities between thevariables of the problem?

Solution: Boltzmann Distribution

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Boltzmann distribution

DefinitionGiven a function f (x) we define the Boltzmann distributionas:

p(x) =eβf (x)∑y eβf (y)

where β > 0

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Properties of the Boltzmann distribution

PropertiesEstablish a relation between the function to optimize andthe probability distributionAssign probabilities such that if f (x) > f (y) thenp(x) > p(y)

When β →∞, only optimal points have positiveprobabilitiesIf we could efficiently sample the Boltzmann distributionthe optimization problem would be solved

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Boltzmann distribution

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Relation between ADFs and the Boltzmanndistribution

Additive decomposable functions

f (x) = f1(xs1) + f2(xs2) + . . .+ fl(xsl )

Theorem

Given an ADF function f (x) =∑l

i=1 fi(xsi ), if Xj y Xk are not inthe argument of any fi(xsi ) of f (x) then Xj y Xk are conditionallyindependent given the rest of the variables for the Boltzmanndistribution p(x) associated to f (x).

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Which probabilistic model to use?

Dependencies and regularities in the search space

Our first idea is to use an independence modelp(x) =

∏ni=1 p(xi)

However, are there dependencies and regularities betweenthe variables of the problem?How to look for dependencies and regularities between thevariables of the problem?

Solution: Boltzmann Distribution

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Regularities in the search space

Experimental set-upProtein used: HHHPHPPPPPHWe have calculated the whole search space

H(x) −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 5 invalid totalHPf 0 0 16 1428 9581 0 0 0 0 0 8658 19683

Build the Boltzman distribution associated with theobjective function of the protein:

p(x) =e−H(x)

t∑x′ e

−H(x′)t

Calculated the marginal probability of (X3,X4,X5) and themarginal of each variable separately

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Marginal probabilities

pHP(x3, x4, x5)Seq 0−− 1−− 2−−−00 0,000 0,057 0,069−01 0,035 0,036 0,038−02 0,035 0,036 0,035−10 0,029 0,034 0,035−11 0,038 0,040 0,038−12 0,035 0,034 0,029−20 0,035 0,036 0,035−21 0,038 0,036 0,035−22 0,069 0,057 0,000

pHP(x3) · pHP(x4) · pHP(x5)Seq 0−− 1−− 2−−−00 0,036 0,042 0,036−01 0,036 0,042 0,036−02 0,036 0,042 0,036−10 0,033 0,038 0,033−11 0,033 0,039 0,033−12 0,033 0,038 0,033−20 0,036 0,042 0,036−21 0,036 0,042 0,036−22 0,036 0,042 0,036

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

Marginal probabilities

pHP(x3, x4, x5)Seq 0−− 1−− 2−−−00 0,000 0,057 0,069−01 0,035 0,036 0,038−02 0,035 0,036 0,035−10 0,029 0,034 0,035−11 0,038 0,040 0,038−12 0,035 0,034 0,029−20 0,035 0,036 0,035−21 0,038 0,036 0,035−22 0,069 0,057 0,000

pHP(x3) · pHP(x4) · pHP(x5)Seq 0−− 1−− 2−−−00 0,036 0,042 0,036−01 0,036 0,042 0,036−02 0,036 0,042 0,036−10 0,033 0,038 0,033−11 0,033 0,039 0,033−12 0,033 0,038 0,033−20 0,036 0,042 0,036−21 0,036 0,042 0,036−22 0,036 0,042 0,036

IMPORTANT REGULARITIES IN THE FUNCTION

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

EDAs for the H-P model

Probabilistic models usedMarkov model (only parameter learning required):

pMK (x) = p(x1, . . . , xk+1)n∏

i=k+2

p(xi | xi−1, . . . , xi−k )

Tree model (structure and parameter learning):

pTree(x) =n∏

i=1

p(xi | pa(xi))

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Protein Folding with EDAs

EDAs for the H-P model

Probabilistic models usedMixture of trees (structure and parameter learning):

pMT (x) =m∑

j=1

λjpjTree(x)

con λj > 0, j = 1, . . . ,m,∑m

j=1 λj = 1

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Protein Folding with EDAs

EDAs for the H-P model

Experimental results in 2-d

BestEDA GA MMA ACO NewACO PERMinst . H(x) H(x) H(x) H(x) H(x) H(x)

s1(20) −9 −9 −9 −9 −9 −9s2(24) −9 −9 −9 −9 −9 −9s3(25) −8 −8 −8 −8 −8 −8s4(36) −14 −14 −14 −14 −14 −14s5(48) −23 −22 −22 −23 −23 −23s6(50) −21 −21 −21 −21 −21s7(60) −35 −34 −34 −36 −36s8(64) −42 −37 −32 −42 −38s9(85) −52 −51 −53

s10(100) −47 −47 −50s11(100) −48 −47 −48

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Protein Folding with EDAs

EDAs for the H-P model

Experimental results in 3-dhybrid GA MK-EDA2 TreeEDA MT-EDA4

H(x) mean H(x) mean H(x) mean H(x) means1 −11 −10,5 −11 −10,8 −11 −10,6 −11 −10,8s2 −13 −11,2 −13 −12,0 −13 −11,3 −13 −11,8s3 −9 −8,5 −9 −8,9 −9 −8,9 −9 −9,0s4 −18 −15,7 −18 −16,4 −18 −16,2 −18 −16,5s5 −28 −24,6 −29 −27,2 −29 −26,8 −29 −27,0s6 −26 −23,0 −29 −25,7 −31 −25,9 −28 −25,7s7 −49 −41,1 −49 −46,3 −49 −43,7 −48 −42,0s8 −46 −40,4 −52 −46,7 −49 −43,7 −50 −45,6

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model for protein folding

Classical and new approaches to protein foldingWe postulate that EDAs can be considered as a model ofprotein folding in the new view

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

General considerationsEDAs model: At each step t the probability of being in aparticular folded structure is given by the probabilisticmodelSimilarities between both models:

Both models, define a sampling of the space ofconfigurationsThe probability of sampling a configuration depends on thequality of its energy functionBoth entities tend to preserve local favorable conformationalfeatures through successive generations (time steps)

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

General considerationsEDAs model: At each step t the probability of being in aparticular folded structure is given by the probabilisticmodelSimilarities between both models:

Both models, define a sampling of the space ofconfigurationsThe probability of sampling a configuration depends on thequality of its energy functionBoth entities tend to preserve local favorable conformationalfeatures through successive generations (time steps)

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

General considerationsEDAs model: At each step t the probability of being in aparticular folded structure is given by the probabilisticmodelSimilarities between both models:

Both models, define a sampling of the space ofconfigurationsThe probability of sampling a configuration depends on thequality of its energy functionBoth entities tend to preserve local favorable conformationalfeatures through successive generations (time steps)

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

General considerationsEDAs model: At each step t the probability of being in aparticular folded structure is given by the probabilisticmodelSimilarities between both models:

Both models, define a sampling of the space ofconfigurationsThe probability of sampling a configuration depends on thequality of its energy functionBoth entities tend to preserve local favorable conformationalfeatures through successive generations (time steps)

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

General considerationsEDAs model: At each step t the probability of being in aparticular folded structure is given by the probabilisticmodelSimilarities between both models:

Both models, define a sampling of the space ofconfigurationsThe probability of sampling a configuration depends on thequality of its energy functionBoth entities tend to preserve local favorable conformationalfeatures through successive generations (time steps)

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

General considerationsEDAs model: At each step t the probability of being in aparticular folded structure is given by the probabilisticmodelSimilarities between both models:

Both models, define a sampling of the space ofconfigurationsThe probability of sampling a configuration depends on thequality of its energy functionBoth entities tend to preserve local favorable conformationalfeatures through successive generations (time steps)

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

New view of protein folding

Several parameters are used to describe a protein and thefolding degree:

Contact order: Average sequence separation betweenresidues that make contact in the native three-dimensionalstructure

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

New view of protein folding

Several parameters are used to describe a protein and thefolding degree:

Contact order: Average sequence separation betweenresidues that make contact in the native three-dimensionalstructure

Contact Order=

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

New view of protein folding

Several parameters are used to describe a protein and thefolding degree:

Contact order: Average sequence separation betweenresidues that make contact in the native three-dimensionalstructure

Contact Order= 3

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

New view of protein folding

Several parameters are used to describe a protein and thefolding degree:

Contact order: Average sequence separation betweenresidues that make contact in the native three-dimensionalstructure

Contact Order= 3

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

New view of protein folding

Several parameters are used to describe a protein and thefolding degree:

Contact order: Average sequence separation betweenresidues that make contact in the native three-dimensionalstructure

Contact Order= 3+ 3

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

New view of protein folding

Several parameters are used to describe a protein and thefolding degree:

Contact order: Average sequence separation betweenresidues that make contact in the native three-dimensionalstructure

Contact Order= 3+ 3 + 3

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

New view of protein folding

Several parameters are used to describe a protein and thefolding degree:

Contact order: Average sequence separation betweenresidues that make contact in the native three-dimensionalstructure

Contact Order= 3+ 3 + 3 + 5

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

New view of protein folding

Several parameters are used to describe a protein and thefolding degree:

Contact order: Average sequence separation betweenresidues that make contact in the native three-dimensionalstructure

Contact Order= 3+3+3+54 = 3.5

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

New view of protein folding

Several parameters are used to describe a protein and thefolding degree:

Contact order: Average sequence separation betweenresidues that make contact in the native three-dimensionalstructureFolding rate: Amount of time the protein takes to fold

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

New view of protein folding

Several parameters are used to describe a protein and thefolding degree:

Contact order: Average sequence separation betweenresidues that make contact in the native three-dimensionalstructureFolding rate: Amount of time the protein takes to foldFraction of native contacts (in the current folding)

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

New view of protein foldingFacts commonly accepted and explained in the new viewof protein folding:

Folding rates of small proteins correlate with their contactorder: small contact order means small folding rate

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

New view of protein foldingFacts commonly accepted and explained in the new viewof protein folding:

Folding rates of small proteins correlate with their contactorder: small contact order means small folding rate

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

ExperimentsThe EDA used is MK-EDA2 with probabilistic model:

pMK (x) = p(x1, x2, x3)n∏

i=4

p(xi | xi−1, xi−2)

Experiments are carried out with 15545 instances of thefunctional model100 experiments are performed with each sequence

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

New View of Protein FoldingFacts commonly accepted and explained in the new viewof protein folding:

Folding rates of small proteins correlate with their contactorder: small contact order means small folding rateLocal interactions are more likely to form early in foldingthan non-local interactions

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Protein Folding with EDAs

EDAs as a model of protein folding

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Miscellaneous

Outline of the presentation

1 Estimation of Distribution Algorithms: Introduction

2 Protein Folding with EDAs

3 Miscellaneous

4 Conclusions

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Miscellaneous

Parallel EDAs

The structure of EDAs are very suitable for parallelizationTwo main approaches:

Parallelization maintaining the whole behavior of thealgorithmIsland models: migration of models, different probabilisticmodels at each island

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Miscellaneous

More stuff

EDAs in multimodal problems: clustering methods,probabilistic model for clusteringEDAs in multiobjective problemsMemetic EDAsIncorporation of a priori information of the function in EDAswithout fixed probabilistic model

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Conclusions

Outline of the presentation

1 Estimation of Distribution Algorithms: Introduction

2 Protein Folding with EDAs

3 Miscellaneous

4 Conclusions

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Conclusions

Conclusions

EDAs are an attractive field of research in EvolutionaryComputationEDAs are encouraging cross-fertilization with other fieldsThey are founded in mathematical basisMany, many things to be done

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Sintetizando los Algoritmos Evolutivos: Algoritmos de Estimación de Distribuciones

Conclusions

From a practical point of view

They offer competitive alternatives for many problemsThe possibility of incorporating knowledge of the function isthe key point in applicationsIn the case of ADF: use algorithms with fixed probabilisticmodelIn the case of no knowledge about the function: use EDAswithout fixed structure