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    python实现高效的遗传算法

    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()

    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脚本之家其它相关文章!

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