Python二进制编码遗传算法求解函数极值实战

拾柒
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发布时间:2026-10-13 | 3人浏览过
原创

本文详细介绍使用Python实现基于二进制编码的遗传算法,以求解特定二元函数的最优值。内容涵盖变量编码长度计算、参数设置、轮盘赌选择、交叉变异及自学习策略,并提供完整代码与结果分析,帮助开发者掌握智能优化算法的核心实现细节。

目标函数与编码策略

首先确定目标函数,这是遗传算法优化的核心对象。

接着确定编码方式,即如何将连续变量转换为二进制串。

本程序采用二进制编码,精度要求保留至小数点后五位。经计算,对于变量 ,其编码长度需设为18位;对于变量 ,编码长度需设为15位。因此,单个个体的总编码长度为33位。

参数设置与算法流程

随后进行算法参数设置,包括种群规模、迭代次数、交叉概率和变异概率等关键指标。

明确算法的具体执行步骤,确保流程清晰可控。

设计的程序主要包含以下七个步骤:1. 参数设置;2. 种群初始化;3. 采用轮盘赌法选取一半较优个体作为父代;4. 执行交叉和变异操作;5. 更新全局最优解;6. 对最优个体进行自学习操作;7. 输出最终结果。其算法流程图如下所示:

结果分析与代码实现

查看算法运行结果,评估优化效果。

根据程序输出,最终优化得到的函数最优值为38.85029,具体变量分布见 。

最终输出的基因编码序列为:[1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1]。

以下是实现上述逻辑的完整Python代码。


import numpy as np
import random
import math
import copy

class Ind():
 def __init__(self):
  self.fitness = 0
  self.x = np.zeros(33)
  self.place = 0
  self.x1 = 0
  self.x2 = 0

def Cal_fit(x, upper, lower): #计算适应度值函数
 Temp1 = 0
 for i in range(18):
  Temp1 += x[i] * math.pow(2, i)
 Temp2 = 0
 for i in range(18, 33, 1):
  Temp2 += math.pow(2, i - 18) * x[i]
 x1 = lower[0] + Temp1 * (upper[0] - lower[0])/(math.pow(2, 18) - 1)
 x2 = lower[1] + Temp2 * (upper[1] - lower[1])/(math.pow(2, 15) - 1)
 if x1 > upper[0]:
  x1 = random.uniform(lower[0], upper[0])
 if x2 > upper[1]:
  x2 = random.uniform(lower[1], upper[1])
 return 21.5 + x1 * math.sin(4 * math.pi * (x1)) + x2 * math.sin(20 * math.pi * x2)
def Init(G, upper, lower, Pop): #初始化函数
 for i in range(Pop):
  for j in range(33):
   G[i].x[j] = random.randint(0, 1)
  G[i].fitness = Cal_fit(G[i].x, upper, lower)
  G[i].place = i
def Find_Best(G, Pop):
 Temp = copy.deepcopy(G[0])
 for i in range(1, Pop, 1):
  if G[i].fitness > Temp.fitness:
   Temp = copy.deepcopy(G[i])
 return Temp

def Selection(G, Gparent, Pop, Ppool): #选择函数
 fit_sum = np.zeros(Pop)
 fit_sum[0] = G[0].fitness
 for i in range(1, Pop, 1):
  fit_sum[i] = G[i].fitness + fit_sum[i - 1]
 fit_sum = fit_sum/fit_sum.max()
 for i in range(Ppool):
  rate = random.random()
  Gparent[i] = copy.deepcopy(G[np.where(fit_sum > rate)[0][0]])

def Cross_and_Mutation(Gparent, Gchild, Pc, Pm, upper, lower, Pop, Ppool): #交叉和变异
 for i in range(Ppool):
  place = random.sample([_ for _ in range(Ppool)], 2)
  parent1 = copy.deepcopy(Gparent[place[0]])
  parent2 = copy.deepcopy(Gparent[place[1]])
  parent3 = copy.deepcopy(parent2)
  if random.random() < Pc:
   num = random.sample([_ for _ in range(1, 32, 1)], 2)
   num.sort()
   if random.random() < 0.5:
    for j in range(num[0], num[1], 1):
     parent2.x[j] = parent1.x[j]
   else:
    for j in range(0, num[0], 1):
     parent2.x[j] = parent1.x[j]
    for j in range(num[1], 33, 1):
     parent2.x[j] = parent1.x[j]
   num = random.sample([_ for _ in range(1, 32, 1)], 2)
   num.sort()
   num.sort()
   if random.random() < 0.5:
    for j in range(num[0], num[1], 1):
     parent1.x[j] = parent3.x[j]
   else:
    for j in range(0, num[0], 1):
     parent1.x[j] = parent3.x[j]
    for j in range(num[1], 33, 1):
     parent1.x[j] = parent3.x[j]
  for j in range(33):
   if random.random() < Pm:
    parent1.x[j] = (parent1.x[j] + 1) % 2
   if random.random() < Pm:
    parent2.x[j] = (parent2.x[j] + 1) % 2

  parent1.fitness = Cal_fit(parent1.x, upper, lower)
  parent2.fitness = Cal_fit(parent2.x, upper, lower)
  Gchild[2 * i] = copy.deepcopy(parent1)
  Gchild[2 * i + 1] = copy.deepcopy(parent2)

def Choose_next(G, Gchild, Gsum, Pop): #选择下一代函数
 for i in range(Pop):
  Gsum[i] = copy.deepcopy(G[i])
  Gsum[2 * i + 1] = copy.deepcopy(Gchild[i])
 Gsum = sorted(Gsum, key = lambda x: x.fitness, reverse = True)
 for i in range(Pop):
  G[i] = copy.deepcopy(Gsum[i])
  G[i].place = i

def Decode(x):   #解码函数
 Temp1 = 0
 for i in range(18):
  Temp1 += x[i] * math.pow(2, i)
 Temp2 = 0
 for i in range(18, 33, 1):
  Temp2 += math.pow(2, i - 18) * x[i]
 x1 = lower[0] + Temp1 * (upper[0] - lower[0]) / (math.pow(2, 18) - 1)
 x2 = lower[1] + Temp2 * (upper[1] - lower[1]) / (math.pow(2, 15) - 1)
 if x1 > upper[0]:
  x1 = random.uniform(lower[0], upper[0])
 if x2 > upper[1]:
  x2 = random.uniform(lower[1], upper[1])
 return x1, x2

def Self_Learn(Best, upper, lower, sPm, sLearn): #自学习操作
 num = 0
 Temp = copy.deepcopy(Best)
 while True:
  num += 1
  for j in range(33):
   if random.random() < sPm:
    Temp.x[j] = (Temp.x[j] + 1)%2
  Temp.fitness = Cal_fit(Temp.x, upper, lower)
  if Temp.fitness > Best.fitness:
   Best = copy.deepcopy(Temp)
   num = 0
  if num > sLearn:
   break
 return Best

if __name__ == '__main__':
 upper = [12.1, 5.8]
 lower = [-3, 4.1]
 Pop = 100
 Ppool = 50
 G_max = 300
 Pc = 0.8
 Pm = 0.1
 sPm = 0.05
 sLearn = 20
 G = np.array([Ind() for _ in range(Pop)])
 Gparent = np.array([Ind() for _ in range(Ppool)])
 Gchild = np.array([Ind() for _ in range(Pop)])
 Gsum = np.array([Ind() for _ in range(Pop * 2)])
 Init(G, upper, lower, Pop)  #初始化
 Best = Find_Best(G, Pop)
 for k in range(G_max):
  Selection(G, Gparent, Pop, Ppool)  #使用轮盘赌方法选择其中50%为父代
  Cross_and_Mutation(Gparent, Gchild, Pc, Pm, upper, lower, Pop, Ppool) #交叉和变异生成子代
  Choose_next(G, Gchild, Gsum, Pop)  #选择出父代和子代中较优秀的个体
  Cbest = Find_Best(G, Pop)
  if Best.fitness < Cbest.fitness:
   Best = copy.deepcopy(Cbest)  #跟新最优解
  else:
   G[Cbest.place] = copy.deepcopy(Best)
  Best = Self_Learn(Best, upper, lower, sPm, sLearn)
  print(Best.fitness)
 x1, x2 = Decode(Best.x)
 print(Best.x)
 print([x1, x2])

以上即为使用Python实现二进制编码遗传算法求解函数最优值的完整教程,希望能为相关研究与开发提供参考,欢迎继续支持本站获取更多技术内容。

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