python实现高效的遗传算法


Posted in Python onApril 07, 2021

遗传算法属于一种优化算法。

如果你有一个待优化函数,可以考虑次算法。假设你有一个变量x,通过某个函数可以求出对应的y,那么你通过预设的x可求出y_pred,y_pred差距与你需要的y当然越接近越好,这就需要引入适应度(fitness)的概念。假设

fitness = 1/(1+ads(y_pred - y)),那么误差越小,适应度越大,即该个体越易于存活。

设计该算法的思路如下:

(1)初始化种群,即在我需要的区间如[-100,100]内random一堆初始个体[x1,x2,x3...],这些个体是10进制形式的,为了后面的交叉与变异我们不妨将其转化为二进制形式。那么现在的问题是二进制取多少位合适呢?即编码(code)的长度是多少呢?

这就涉及一些信号方面的知识,比如两位的二进制表示的最大值是3(11),可以将区间化为4分,那么每一份区间range长度range/4,我们只需要让range/n小于我们定义的精度即可。n是二进制需要表示的最大,可以反解出二进制位数 。

(2)我们需要编写编码与解码函数。即code:将x1,x2...化为二进制,decode:在交叉变异后重新得到十进制数,用于计算fitness。

(3)交叉后变异函数编写都很简单,random一个point,指定两个x在point位置进行切片交换即是交叉。变异也是random一个point,让其值0变为1,1变为0。

(4)得到交叉变异后的个体,需要计算fitness进行种群淘汰,保留fitness最高的一部分种群。

(5)将最优的个体继续上面的操作,直到你定义的iteration结束为止。

不说了,上代码:

import numpy as np
import pandas as pd
import random
from scipy.optimize import fsolve
import matplotlib.pyplot as plt
import heapq
from sklearn.model_selection import train_test_split
from tkinter import _flatten
from sklearn.utils import shuffle
from sklearn import preprocessing
from sklearn.decomposition import PCA
from matplotlib import rcParams
 
 
 
# 求染色体长度
def getEncodeLength(decisionvariables, delta):
 # 将每个变量的编码长度放入数组
 lengths = []
 for decisionvar in decisionvariables:
  uper = decisionvar[1]
  low = decisionvar[0]
  # res()返回一个数组
  res = fsolve(lambda x: ((uper - low) / delta - 2 ** x + 1), 30)
  # ceil()向上取整
  length = int(np.ceil(res[0]))
  lengths.append(length)
 # print("染色体长度:", lengths)
 return lengths
 
 
# 随机生成初始化种群
def getinitialPopulation(length, populationSize):
 chromsomes = np.zeros((populationSize, length), dtype=np.int)
 for popusize in range(populationSize):
  # np.random.randit()产生[0,2)之间的随机整数,第三个参数表示随机数的数量
  chromsomes[popusize, :] = np.random.randint(0, 2, length)
 return chromsomes
 
 
# 染色体解码得到表现形的解
def getDecode(population, encodelength, decisionvariables, delta):
 # 得到population中有几个元素
 populationsize = population.shape[0]
 length = len(encodelength)
 decodeVariables = np.zeros((populationsize, length), dtype=np.float)
 # 将染色体拆分添加到解码数组decodeVariables中
 for i, populationchild in enumerate(population):
  # 设置起始点
  start = 0 
  for j, lengthchild in enumerate(encodelength):
   power = lengthchild - 1
   decimal = 0
   start_end = start + lengthchild
   for k in range(start, start_end):
    # 二进制转为十进制
    decimal += populationchild[k] * (2 ** power)
    power = power - 1
   # 从下一个染色体开始
   start = start_end
   lower = decisionvariables[j][0]
   uper = decisionvariables[j][1]
   # 转换为表现形
   decodevalue = lower + decimal * (uper - lower) / (2 ** lengthchild - 1)
   # 将解添加到数组中
   decodeVariables[i][j] = decodevalue
   
 return decodeVariables
 
 
# 选择新的种群
def selectNewPopulation(decodepopu, cum_probability):
 # 获取种群的规模和
 m, n = decodepopu.shape
 # 初始化新种群
 newPopulation = np.zeros((m, n))
 for i in range(m):
  # 产生一个0到1之间的随机数
  randomnum = np.random.random()
  # 轮盘赌选择
  for j in range(m):
   if (randomnum < cum_probability[j]):
    newPopulation[i] = decodepopu[j]
    break
 return newPopulation
 
 
# 新种群交叉
def crossNewPopulation(newpopu, prob):
 m, n = newpopu.shape
 # uint8将数值转换为无符号整型
 numbers = np.uint8(m * prob)
 # 如果选择的交叉数量为奇数,则数量加1
 if numbers % 2 != 0:
  numbers = numbers + 1
 # 初始化新的交叉种群
 updatepopulation = np.zeros((m, n), dtype=np.uint8)
 # 随机生成需要交叉的染色体的索引号
 index = random.sample(range(m), numbers)
 # 不需要交叉的染色体直接复制到新的种群中
 for i in range(m):
  if not index.__contains__(i):
   updatepopulation[i] = newpopu[i]
 # 交叉操作
 j = 0
 while j < numbers:
  # 随机生成一个交叉点,np.random.randint()返回的是一个列表
  crosspoint = np.random.randint(0, n, 1)
  crossPoint = crosspoint[0]
  # a = index[j]
  # b = index[j+1]
  updatepopulation[index[j]][0:crossPoint] = newpopu[index[j]][0:crossPoint]
  updatepopulation[index[j]][crossPoint:] = newpopu[index[j + 1]][crossPoint:]
  updatepopulation[index[j + 1]][0:crossPoint] = newpopu[j + 1][0:crossPoint]
  updatepopulation[index[j + 1]][crossPoint:] = newpopu[index[j]][crossPoint:]
  j = j + 2
 return updatepopulation
 
 
# 变异操作
def mutation(crosspopulation, mutaprob):
 # 初始化变异种群
 mutationpopu = np.copy(crosspopulation)
 m, n = crosspopulation.shape
 # 计算需要变异的基因数量
 mutationnums = np.uint8(m * n * mutaprob)
 # 随机生成变异基因的位置
 mutationindex = random.sample(range(m * n), mutationnums)
 # 变异操作
 for geneindex in mutationindex:
  # np.floor()向下取整返回的是float型
  row = np.uint8(np.floor(geneindex / n))
  colume = geneindex % n
  if mutationpopu[row][colume] == 0:
   mutationpopu[row][colume] = 1
  else:
   mutationpopu[row][colume] = 0
 return mutationpopu
 
 
# 找到重新生成的种群中适应度值最大的染色体生成新种群
def findMaxPopulation(population, maxevaluation, maxSize):
 #将数组转换为列表
 #maxevalue = maxevaluation.flatten()
 maxevaluelist = maxevaluation
 # 找到前100个适应度最大的染色体的索引
 maxIndex = map(maxevaluelist.index, heapq.nlargest(maxSize, maxevaluelist))
 index = list(maxIndex)
 colume = population.shape[1]
 # 根据索引生成新的种群
 maxPopulation = np.zeros((maxSize, colume))
 i = 0
 for ind in index:
  maxPopulation[i] = population[ind]
  i = i + 1
 return maxPopulation
 
 
 
# 得到每个个体的适应度值及累计概率
def getFitnessValue(decode,x_train,y_train):
 # 得到种群的规模和决策变量的个数
 popusize, decisionvar = decode.shape
 
 fitnessValue = []
 for j in range(len(decode)):
  W1 = decode[j][0:20].reshape(4,5)
  V1 = decode[j][20:25].T
  W2 = decode[j][25:45].reshape(5,4)
  V2 = decode[j][45:].T
  error_all = []
  for i in range(len(x_train)):
   #get values of hidde layer
   X2 = sigmoid(x_train[i].T.dot(W1)+V1)
   #get values of prediction y
   Y_hat = sigmoid(X2.T.dot(W2)+V2)
   #get error when input dimension is i
   error = sum(abs(Y_hat - y_train[i]))
   error_all.append(error)
 
  #get fitness when W and V is j
  fitnessValue.append(1/(1+sum(error_all)))
 
 # 得到每个个体被选择的概率
 probability = fitnessValue / np.sum(fitnessValue)
 # 得到每个染色体被选中的累积概率,用于轮盘赌算子使用
 cum_probability = np.cumsum(probability)
 return fitnessValue, cum_probability
 
 
 
def getFitnessValue_accuracy(decode,x_train,y_train):
 # 得到种群的规模和决策变量的个数
 popusize, decisionvar = decode.shape
 
 fitnessValue = []
 for j in range(len(decode)):
  W1 = decode[j][0:20].reshape(4,5)
  V1 = decode[j][20:25].T
  W2 = decode[j][25:45].reshape(5,4)
  V2 = decode[j][45:].T
  accuracy = []
  for i in range(len(x_train)):
   #get values of hidde layer
   X2 = sigmoid(x_train[i].T.dot(W1)+V1)
   #get values of prediction y
   Y_hat = sigmoid(X2.T.dot(W2)+V2)
   #get error when input dimension is i
   accuracy.append(sum(abs(np.round(Y_hat) - y_train[i])))
  fitnessValue.append(sum([m == 0 for m in accuracy])/len(accuracy))
 # 得到每个个体被选择的概率
 probability = fitnessValue / np.sum(fitnessValue)
 # 得到每个染色体被选中的累积概率,用于轮盘赌算子使用
 cum_probability = np.cumsum(probability)
 return fitnessValue, cum_probability
 
 
def getXY():
 # 要打开的文件名
 data_set = pd.read_csv('all-bp.csv', header=None)
 # 取出“特征”和“标签”,并做了转置,将列转置为行
 X_minMax1 = data_set.iloc[:, 0:12].values
 # 前12列是特征
 min_max_scaler = preprocessing.MinMaxScaler()
 X_minMax = min_max_scaler.fit_transform(X_minMax1) # 0-1 range
 transfer = PCA(n_components=0.9)
 data1 = transfer.fit_transform(X_minMax)
 #print('PCA processed shape:',data1.shape)
 X = data1
 Y = data_set.iloc[ : , 12:16].values # 后3列是标签
 
 # 分训练和测试集
 x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(X, Y, test_size=0.3)
 return x_train, x_test, y_train, y_test
 
 
def sigmoid(z):
 return 1 / (1 + np.exp(-z))

上面的计算适应度函数需要自己更具实际情况调整。

optimalvalue = []
optimalvariables = []
 
# 两个决策变量的上下界,多维数组之间必须加逗号
decisionVariables = [[-100,100]]*49
# 精度
delta = 0.001
# 获取染色体长度
EncodeLength = getEncodeLength(decisionVariables, delta)
# 种群数量
initialPopuSize = 100
# 初始生成100个种群,20,5,20,4分别对用W1,V1,W2,V2
population = getinitialPopulation(sum(EncodeLength), initialPopuSize)
print("polpupation.shape:",population.shape)
# 最大进化代数
maxgeneration = 4000
# 交叉概率
prob = 0.8
# 变异概率
mutationprob = 0.5
# 新生成的种群数量
maxPopuSize = 30
x_train, x_test, y_train, y_test = getXY()
 
 
for generation in range(maxgeneration):
 # 对种群解码得到表现形
 print(generation)
 decode = getDecode(population, EncodeLength, decisionVariables, delta)
 #print('the shape of decode:',decode.shape
 
 # 得到适应度值和累计概率值
 evaluation, cum_proba = getFitnessValue_accuracy(decode,x_train,y_train)
 # 选择新的种群
 newpopulations = selectNewPopulation(population, cum_proba)
 # 新种群交叉
 crossPopulations = crossNewPopulation(newpopulations, prob)
 # 变异操作
 mutationpopulation = mutation(crossPopulations, mutationprob)
 
 # 将父母和子女合并为新的种群
 totalpopulation = np.vstack((population, mutationpopulation))
 # 最终解码
 final_decode = getDecode(totalpopulation, EncodeLength, decisionVariables, delta)
 # 适应度评估
 final_evaluation, final_cumprob = getFitnessValue_accuracy(final_decode,x_train,y_train)
 #选出适应度最大的100个重新生成种群
 population = findMaxPopulation(totalpopulation, final_evaluation, maxPopuSize)
 
 # 找到本轮中适应度最大的值
 optimalvalue.append(np.max(final_evaluation))
 index = np.where(final_evaluation == max(final_evaluation))
 optimalvariables.append(list(final_decode[index[0][0]]))
fig = plt.figure(dpi = 160,figsize=(5,4)) 
config = {
"font.family":"serif", #serif
"font.size": 10,
"mathtext.fontset":'stix',
}
rcParams.update(config)
plt.plot(np.arange(len(optimalvalue)), optimalvalue, color="y", lw=0.8, ls='-', marker='o', ms=8)
# 图例设置
plt.xlabel('Iteration')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.show()

python实现高效的遗传算法

以上就是python实现高效的遗传算法的详细内容,更多关于python遗传算法的资料请关注三水点靠木其它相关文章!

Python 相关文章推荐
使用python实现扫描端口示例
Mar 29 Python
Python实现图片滑动式验证识别方法
Nov 09 Python
Python读取图片为16进制表示简单代码
Jan 19 Python
python输出100以内的质数与合数实例代码
Jul 08 Python
Python多继承原理与用法示例
Aug 23 Python
python实现简单的文字识别
Nov 27 Python
在python image 中安装中文字体的实现方法
Aug 22 Python
python计算二维矩形IOU实例
Jan 18 Python
python实现拼接图片
Mar 23 Python
基于python tkinter的点名小程序功能的实例代码
Aug 22 Python
Selenium环境变量配置(火狐浏览器)及验证实现
Dec 07 Python
如何使用PyCharm及常用配置详解
Jun 03 Python
解决hive中导入text文件遇到的坑
Apr 07 #Python
python - asyncio异步编程
Apr 06 #Python
python - timeit 时间模块
Apr 06 #Python
python制作图形界面的2048游戏, 基于tkinter
python第三方网页解析器 lxml 扩展库与 xpath 的使用方法
Apr 06 #Python
python删除csv文件的行列
Apr 06 #Python
python使用pygame创建精灵Sprite
You might like
php 生成随机验证码图片代码
2010/02/08 PHP
PHP实现通过get方式识别用户发送邮件的方法
2015/07/16 PHP
图文介绍PHP添加Redis模块及连接
2015/07/28 PHP
基于PHP+jQuery+MySql实现红蓝(顶踩)投票代码
2015/08/25 PHP
laravel5.4利用163邮箱发送邮件的步骤详解
2017/09/22 PHP
多个iframe自动调整大小的问题
2006/09/18 Javascript
在IE下:float属性会影响offsetTop的取值
2006/12/22 Javascript
jquery 入门教程 [翻译] 推荐
2009/08/17 Javascript
jquery中动态效果小结
2010/12/16 Javascript
JavaScript基础知识之数据类型
2012/08/06 Javascript
js 验证身份证信息有效性
2014/03/28 Javascript
jQuery实现自动调整字体大小的方法
2015/06/15 Javascript
AngularJS实现星星等级评分功能
2016/09/24 Javascript
javascript数组去重方法分析
2016/12/15 Javascript
JS中如何实现Laravel的route函数详解
2017/02/12 Javascript
jQuery EasyUI开发技巧总结
2017/09/26 jQuery
vue中遇到的坑之变化检测问题(数组相关)
2017/10/13 Javascript
Vue中消息横向滚动时setInterval清不掉的问题及解决方法
2019/08/23 Javascript
如何使用Javascript中的this关键字
2020/05/28 Javascript
Vue环境搭建+VSCode+Win10的详细教程
2020/08/19 Javascript
[45:38]DOTA2上海特级锦标赛主赛事日 - 1 胜者组第一轮#1Liquid VS Alliance第一局
2016/03/02 DOTA
python使用MySQLdb访问mysql数据库的方法
2015/08/03 Python
Python中用psycopg2模块操作PostgreSQL方法
2017/11/28 Python
使用Python 统计高频字数的方法
2019/01/31 Python
使用 Python 快速实现 HTTP 和 FTP 服务器的方法
2019/07/22 Python
pytorch动态网络以及权重共享实例
2020/01/06 Python
深入了解Python 变量作用域
2020/07/24 Python
解决pytorch 保存模型遇到的问题
2021/03/03 Python
欧舒丹加拿大官网:L’Occitane加拿大
2017/10/29 全球购物
Homestay中文官网:全球寄宿家庭
2018/10/18 全球购物
请描述一下”is a”关系和”has a”关系
2015/02/03 面试题
介绍一下EJB的体系结构
2012/08/01 面试题
医学专业大学生求职的自我评价
2013/11/27 职场文书
会计大学生职业生涯规划书范文
2014/01/13 职场文书
亲子读书活动方案
2014/02/22 职场文书
学习雷锋活动总结
2014/04/29 职场文书