详解用python实现简单的遗传算法
今天整理之前写的代码,发现在做数模期间写的用python实现的遗传算法,感觉还是挺有意思的,就拿出来分享一下。
首先遗传算法是一种优化算法,通过模拟基因的优胜劣汰,进行计算(具体的算法思路什么的就不赘述了)。大致过程分为初始化编码、个体评价、选择,交叉,变异。
遗传算法介绍
遗传算法是通过模拟大自然中生物进化的历程,来解决问题的。大自然中一个种群经历过若干代的自然选择后,剩下的种群必定是适应环境的。把一个问题所有的解看做一个种群,经历过若干次的自然选择以后,剩下的解中是有问题的最优解的。当然,只能说有最优解的概率很大。这里,我们用遗传算法求一个函数的最大值。
f(x) = 10 * sin( 5x ) + 7 * cos( 4x ), 0 <= x <= 10
1、将自变量x进行编码
取基因片段的长度为10, 则10位二进制位可以表示的范围是0到1023。基因与自变量转变的公式是x = b2d(individual) * 10 / 1023。构造初始的种群pop。每个个体的基因初始值是[0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1]
2、计算目标函数值
根据自变量与基因的转化关系式,求出每个个体的基因对应的自变量,然后将自变量代入函数f(x),求出每个个体的目标函数值。
3、适应度函数
适应度函数是用来评估个体适应环境的能力,是进行自然选择的依据。本题的适应度函数直接将目标函数值中的负值变成0. 因为我们求的是最大值,所以要使目标函数值是负数的个体不适应环境,使其繁殖后代的能力为0.适应度函数的作用将在自然选择中体现。
4、自然选择
自然选择的思想不再赘述,操作使用轮盘赌算法。其具体步骤:
假设种群中共5个个体,适应度函数计算出来的个体适应性列表是fitvalue = [1 ,3, 0, 2, 4] ,totalvalue = 10 , 如果将fitvalue画到圆盘上,值的大小表示在圆盘上的面积。在转动轮盘的过程中,单个模块的面积越大则被选中的概率越大。选择的方法是将fitvalue转化为[1 , 4 ,4 , 6 ,10], fitvalue / totalvalue = [0.1 , 0.4 , 0.4 , 0.6 , 1.0] . 然后产生5个0-1之间的随机数,将随机数从小到大排序,假如是[0.05 , 0.2 , 0.7 , 0.8 ,0.9],则将0号个体、1号个体、4号个体、4号个体、4号个体拷贝到新种群中。自然选择的结果使种群更符合条件了。
5、繁殖
假设个体a、b的基因是
a = [1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0]
b = [0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1]
这两个个体发生基因交换的概率pc = 0.6.如果要发生基因交换,则产生一个随机数point表示基因交换的位置,假设point = 4,则:
a = [1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0]
b = [0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1]
交换后为:
a = [1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1]
b = [0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0]
6、突变
遍历每一个个体,基因的每一位发生突变(0变为1,1变为0)的概率为0.001.突变可以增加解空间
以目标式子 y = 10 * sin(5x) + 7 * cos(4x)为例,计算其最大值
首先是初始化,包括具体要计算的式子、种群数量、染色体长度、交配概率、变异概率等。并且要对基因序列进行初始化
pop_size = 500 # 种群数量
max_value = 10 # 基因中允许出现的最大值
chrom_length = 10 # 染色体长度
pc = 0.6 # 交配概率
pm = 0.01 # 变异概率
results = [[]] # 存储每一代的最优解,N个二元组
fit_value = [] # 个体适应度
fit_mean = [] # 平均适应度
pop = geneEncoding(pop_size, chrom_length)
其中genEncodeing是自定义的一个简单随机生成序列的函数,具体实现如下
def geneEncoding(pop_size, chrom_length):
pop = [[]]
for i in range(pop_size):
temp = []
for j in range(chrom_length):
temp.append(random.randint(0, 1))
pop.append(temp)
return pop[1:]
编码完成之后就是要进行个体评价,个体评价主要是计算各个编码出来的list的值以及对应带入目标式子的值。其实编码出来的就是一堆2进制list。这些2进制list每个都代表了一个数。其值的计算方式为转换为10进制,然后除以2的序列长度次方减一,也就是全一list的十进制减一。根据这个规则就能计算出所有list的值和带入要计算式子中的值,代码如下
# 0.0 coding:utf-8 0.0
# 解码并计算值
import math
def decodechrom(pop, chrom_length):
temp = []
for i in range(len(pop)):
t = 0
for j in range(chrom_length):
t += pop[i][j] * (math.pow(2, j))
temp.append(t)
return temp
def calobjValue(pop, chrom_length, max_value):
temp1 = []
obj_value = []
temp1 = decodechrom(pop, chrom_length)
for i in range(len(temp1)):
x = temp1[i] * max_value / (math.pow(2, chrom_length) - 1)
obj_value.append(10 * math.sin(5 * x) + 7 * math.cos(4 * x))
return obj_value
有了具体的值和对应的基因序列,然后进行一次淘汰,目的是淘汰掉一些不可能的坏值。这里由于是计算最大值,于是就淘汰负值就好了
# 0.0 coding:utf-8 0.0
# 淘汰(去除负值)
def calfitValue(obj_value):
fit_value = []
c_min = 0
for i in range(len(obj_value)):
if(obj_value[i] + c_min > 0):
temp = c_min + obj_value[i]
else:
temp = 0.0
fit_value.append(temp)
return fit_value
然后就是进行选择,这是整个遗传算法最核心的部分。选择实际上模拟生物遗传进化的优胜劣汰,让优秀的个体尽可能存活,让差的个体尽可能的淘汰。个体的好坏是取决于个体适应度。个体适应度越高,越容易被留下,个体适应度越低越容易被淘汰。具体的代码如下
# 0.0 coding:utf-8 0.0
# 选择
import random
def sum(fit_value):
total = 0
for i in range(len(fit_value)):
total += fit_value[i]
return total
def cumsum(fit_value):
for i in range(len(fit_value)-2, -1, -1):
t = 0
j = 0
while(j <= i):
t += fit_value[j]
j += 1
fit_value[i] = t
fit_value[len(fit_value)-1] = 1
def selection(pop, fit_value):
newfit_value = []
# 适应度总和
total_fit = sum(fit_value)
for i in range(len(fit_value)):
newfit_value.append(fit_value[i] / total_fit)
# 计算累计概率
cumsum(newfit_value)
ms = []
pop_len = len(pop)
for i in range(pop_len):
ms.append(random.random())
ms.sort()
fitin = 0
newin = 0
newpop = pop
# 转轮盘选择法
while newin < pop_len:
if(ms[newin] < newfit_value[fitin]):
newpop[newin] = pop[fitin]
newin = newin + 1
else:
fitin = fitin + 1
pop = newpop
以上代码主要进行了3个操作,首先是计算个体适应度总和,然后在计算各自的累积适应度。这两步都好理解,主要是第三步,转轮盘选择法。这一步首先是生成基因总数个0-1的小数,然后分别和各个基因的累积个体适应度进行比较。如果累积个体适应度大于随机数则进行保留,否则就淘汰。这一块的核心思想在于:一个基因的个体适应度越高,他所占据的累计适应度空隙就越大,也就是说他越容易被保留下来。
选择完后就是进行交配和变异,这个两个步骤很好理解。就是对基因序列进行改变,只不过改变的方式不一样
交配:
# 0.0 coding:utf-8 0.0
# 交配
import random
def crossover(pop, pc):
pop_len = len(pop)
for i in range(pop_len - 1):
if(random.random() < pc):
cpoint = random.randint(0,len(pop[0]))
temp1 = []
temp2 = []
temp1.extend(pop[i][0:cpoint])
temp1.extend(pop[i+1][cpoint:len(pop[i])])
temp2.extend(pop[i+1][0:cpoint])
temp2.extend(pop[i][cpoint:len(pop[i])])
pop[i] = temp1
pop[i+1] = temp2
变异:
# 0.0 coding:utf-8 0.0
# 基因突变
import random
def mutation(pop, pm):
px = len(pop)
py = len(pop[0])
for i in range(px):
if(random.random() < pm):
mpoint = random.randint(0, py-1)
if(pop[i][mpoint] == 1):
pop[i][mpoint] = 0
else:
pop[i][mpoint] = 1
整个遗传算法的实现完成了,总的调用入口代码如下
# 0.0 coding:utf-8 0.0
import matplotlib.pyplot as plt
import math
from calobjValue import calobjValue
from calfitValue import calfitValue
from selection import selection
from crossover import crossover
from mutation import mutation
from best import best
from geneEncoding import geneEncoding
print 'y = 10 * math.sin(5 * x) + 7 * math.cos(4 * x)'
# 计算2进制序列代表的数值
def b2d(b, max_value, chrom_length):
t = 0
for j in range(len(b)):
t += b[j] * (math.pow(2, j))
t = t * max_value / (math.pow(2, chrom_length) - 1)
return t
pop_size = 500 # 种群数量
max_value = 10 # 基因中允许出现的最大值
chrom_length = 10 # 染色体长度
pc = 0.6 # 交配概率
pm = 0.01 # 变异概率
results = [[]] # 存储每一代的最优解,N个二元组
fit_value = [] # 个体适应度
fit_mean = [] # 平均适应度
# pop = [[0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1] for i in range(pop_size)]
pop = geneEncoding(pop_size, chrom_length)
for i in range(pop_size):
obj_value = calobjValue(pop, chrom_length, max_value) # 个体评价
fit_value = calfitValue(obj_value) # 淘汰
best_individual, best_fit = best(pop, fit_value) # 第一个存储最优的解, 第二个存储最优基因
results.append([best_fit, b2d(best_individual, max_value, chrom_length)])
selection(pop, fit_value) # 新种群复制
crossover(pop, pc) # 交配
mutation(pop, pm) # 变异
results = results[1:]
results.sort()
X = []
Y = []
for i in range(500):
X.append(i)
t = results[i][0]
Y.append(t)
plt.plot(X, Y)
plt.show()
最后调用了一下matplotlib包,把500代最优解的变化趋势表现出来。
以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
“用户旅程分析”概念 用户旅程图又叫做用户体验地图,它是用于描述用户在与产品或服务互动的过程中所经历的各个阶段、触点和情 ...
2025-01-22在竞争激烈的商业世界中,竞品分析对于企业的发展至关重要。今天,我们就来详细聊聊数据分析师写竞品分析的那些事儿。 一、明确 ...
2025-01-22在数据分析领域,Excel作为一种普及率极高且功能强大的工具,无疑为无数专业人士提供了便捷的解决方案。尽管Excel自带了丰富的功 ...
2025-01-17在这个瞬息万变的时代,许多人都在寻找能让他们脱颖而出的职业。而数据分析师,作为大数据和人工智能时代的热门职业,自然吸引了 ...
2025-01-14Python作为一门功能强大的编程语言,已经成为数据分析和可视化领域的重要工具。无论你是数据分析的新手,还是经验丰富的专业人士 ...
2025-01-10完全靠数据决策,真的靠谱吗? 最近几年,“数据驱动”成了商界最火的关键词之一,但靠数据就能走天下?其实不然!那些真正成功 ...
2025-01-09SparkSQL 结构化数据处理流程及原理是什么?Spark SQL 可以使用现有的Hive元存储、SerDes 和 UDF。它可以使用 JDBC/ODB ...
2025-01-09在如今这个信息爆炸的时代,数据已然成为企业的生命线。无论是科技公司还是传统行业,数据分析正在深刻地影响着商业决策以及未来 ...
2025-01-08“数据为王”相信大家都听说过。当前,数据信息不再仅仅是传递的媒介,它成为了驱动经济发展的新燃料。对于企业而言,数据指标体 ...
2025-01-07在职场中,当你遇到问题的时候,如果感到无从下手,或者抓不到重点,可能是因为你掌握的思维模型不够多。 一个好用的思维模型, ...
2025-01-06在现代企业中,数据分析师扮演着至关重要的角色。每天都有大量数据涌入,从社交媒体到交易平台,数据以空前的速度和规模生成。面 ...
2025-01-06在职场中,许多言辞并非表面意思那么简单,有时需要听懂背后的“潜台词”。尤其在数据分析的领域里,掌握常用术语就像掌握一门新 ...
2025-01-04在当今信息化社会,数据分析已成为各行各业的核心驱动力。它不仅仅是对数字进行整理与计算,而是在数据的海洋中探寻规律,从而指 ...
2025-01-03又到一年年终时,各位打工人也迎来了展示成果的关键时刻 —— 年终述职。一份出色的年终述职报告,不仅能全面呈现你的工作价值, ...
2025-01-03在竞争激烈的商业世界中,竞品分析对于企业的发展至关重要。今天,我们就来详细聊聊数据分析师写竞品分析的那些事儿。 一、明确 ...
2025-01-03在数据分析的江湖里,有两个阵营总是争论不休。一派信奉“大即是美”,认为数据越多越好;另一派坚守“小而精”,力挺质量胜于规 ...
2025-01-02数据分析是一个复杂且多维度的过程,从数据收集到分析结果应用,每一步都是对信息的提炼与升华。可视化分析结果,以图表的形式展 ...
2025-01-02在当今的数字化时代,数据分析师扮演着一个至关重要的角色。他们如同现代企业的“解密专家”,通过解析数据为企业提供决策支持。 ...
2025-01-02数据分析报告至关重要 一份高质量的数据分析报告不仅能够揭示数据背后的真相,还能为企业决策者提供有价值的洞察和建议。 年薪 ...
2024-12-31数据分析,听起来好像是技术大咖的专属技能,但其实是一项人人都能学会的职场硬核能力!今天,我们来聊聊数据分析的核心流程,拆 ...
2024-12-31