代码收藏家技术教程 2023-09-17

用Python实现的简明遗传算法解析

无约束的遗传算法（最简单的）

最开始真正理解遗传算法，是通过这个博主的讲解，安利给小白们看一看，遗传算法的Python实现（通俗易懂），我觉得博主写的让人特别容易理解，关键是代码也不报错，然后我就照着他的代码抄了一遍，认真地理解了一下每一个模块，：编码、解码、适应度函数写法、选择、交叉和变异的实现过程，下面也谈一谈我在整个过程中的认识，以及对代码的一种通俗解释：
1、编码：这里主要运用的就是一种二进制的编码，将要求解的问题的解，从十进制的自然数以某一种方式用二进制表达出来，每一个0或1作为是一个基因位，一个数的众多基因构成一条染色体，也就是一个个体，进而众多染色体构成一个种群，所说的种群规模其实就是这些染色体的个数，最后用这个种群去参与到遗传算法的各个过程中，并且二进制的编码对于交叉和变异的操作会简单一点。
2、解码：因为适应度函数是用十进制的自然数写的，所以在每一次迭代中，要把二进制的染色体，再变成十进制的数，才能参与到适应度的计算中，就照着解码公式写出来就好了。

##解码函数
def decode(pop):
   return   pop.dot(2 ** np.arange(DNA_SIZE)[::-1]) *(X_max-X_min)/ float(2**DNA_SIZE-1) +X_min

3、适应度函数：作为遗传变异的根据，这个函数通常跟我们目标函数有关系，因为后面在选择过程中，是保留适应度值更大的个体，所以适应度值我们都认为是越大越好，那么目标函数是求最大值的时候，那也就是说适应度值越大，越接近目标，所以令适应度函数=目标函数。
目标函数求最小值时，如果也想达到这样的效果，则令适应度函数=1/目标函数。
但是在这里又遇到了一个问题，因为适应度值必须是正的，因为要求占比，但目标函数值有可能是负的，所以就做了下面的这个转换，让求出来的适应度值是正的，并且与目标函数值的变化是一致的，如果以后遇到的话，也可以尝试着自己去想表达式来解决，只要明白这个目的。

"""求解的目标表达式为：
y = 10 * math.sin(5 * x) + 7 * math.cos(4 * x)
x=[0,5]
"""
def aim(x):
    return 10*np.sin(5*x)+7*np.cos(4*x)
##适应度计算函数
def fitnessget(pred):
    return pred + 1e-3 - np.min(pred)

4、选择：最常用的就是轮盘赌方式，了解完他的定义之后发现他的代码实现也不难，比如有五个个体的种群，索引序号是[0,1,2,3,4]，那就是计算适应度值，并且求一下在总的适应度里面的占比，得到[0.1,0.2,0.3,0.1,0.3],然后根据这每一个个体的比例来随机抽数，得到[2,4,2,1,4],就比如两个0.3的概率最大，那么抽取到个体2和4的概率就更大，最终根据这个序号去选择种群中对应的个体，进行保留到下一代，这就实现了适应环境的留下，不适应的淘汰。

##自然选择函数（轮盘赌）
def select(pop, fitness):           
    # print(abs(fitness))
    # print(fitness.sum())
    idx = np.random.choice(np.arange(pop_size), size=pop_size, replace=True,p=fitness/fitness.sum())
    # print(idx)
    return pop[idx]

4、交叉：二进制的交叉就是针对每一个个体，随机找到一个个体，然后再随机找到某几个基因位，这两个个体的这些基因位进行交换，这里我看的时间比较久，实在不懂就打印出来看看是啥咯

def change(parent, pop):
    x = np.random.rand()
    print('x:{}'.format(x))
    if x < PC:    #交叉
        i_ = np.random.randint(0, pop_size, size=1)  ##随机找到要与之交叉的某一行，也就是某另一个个体
        print('i_:{}'.format(i_))
        cross_points = np.random.randint(0, 2, size=DNA_SIZE)##生成一个只有0和1的列表，长度等于基因长度
        print('cross_points:{}'.format(cross_points))
        cross_points = cross_points.astype(np.bool)  ##1的地方就是True
        print('cross_points:{}'.format(cross_points))
        print(np.where(cross_points==True))   ##np.where()就是找到True的地方，就是用这种方法来找到1的地方，作为交叉的基因位
        print('cross_points:{}'.format(cross_points))
        print('parent[cross_points]:{}'.format(parent[cross_points]))
        parent[cross_points] = pop[i_, cross_points]
        print('parent:{}'.format(parent))
    return parent

5、变异：二进制的变异就很简单了，就是选择基因位，然后0变成1,1变成0，代码也比较容易实现。

def variation(child,pm):                  #变异
    for point in range(DNA_SIZE):
        if np.random.rand() < pm:
            child[point] = 1 if child[point] == 0 else 0
    # print(child)
    return child

6、遗传算法主体

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

##定义全局变量
pop_size = 5  # 种群数量
PC=0.6 # 交叉概率
PM=0.01 #变异概率
X_max=5    #最大值
X_min=0     #最小值
DNA_SIZE=10  #DNA长度与保留位数有关,2**10 当前保留3位小数点，这个应该是二进制考虑的问题，保留的规则可以去搜一下，有的实际问题需要实数编码的话，就直接看着所要求的问题设置编码长度就好了
N_GENERATIONS=100    ##迭代次数

##生成初始解，这个初始种群就是一个可行解的集合，在这样的条件下进行选择、交叉和变异操作，选出最适应当前环境的个体，也就得到了我们的最优解
pop = np.random.randint(2, size=(pop_size, DNA_SIZE))   ###得到初始化种群
# print(pop)
X = np.arange(0,N_GENERATIONS,1)
Y = [None]*N_GENERATIONS   ##先产生一个全部都是0的列表，用于存放每一次迭代的最优值，最后进行画图展示迭代过程
for i in range(N_GENERATIONS):  ##上面写的选择、交叉、变异都是在一次进化中的操作，每一次迭代都要进行
    #解码
    # print(pop)
    X_value= decode(pop)
    
    #获取目标函数值
    F_values = aim(X_value)
    
    #获取适应值
    fitness = fitnessget(F_values)
    # print(fitness)
    if(i==0):
        max=np.max(F_values)
        max_DNA = pop[np.argmax(F_values), :]  ##取取得适应度最大值的那个个体
        
    if(max<np.max(F_values)):
        max=np.max(F_values)
        max_DNA=pop[np.argmax(F_values), :]
        
    if (i % 10 == 0):
        print("Most fitted value and X: \n",
              np.max(F_values), decode(pop[np.argmax(F_values), :]))
    #选择
    pop = select(pop,fitness)
    # print(pop)
    pop_copy = pop.copy()
    # print(pop_copy)
    for index,parent in enumerate(pop):
        # print(parent)
        child = change(parent,pop_copy)
        child = variation(child,PM)
        # print(child)
        pop[index] = child
    Y[i] = max
print("目标函数最大值为：",max)
print("其DNA值为：",max_DNA)
print("其X值为：",decode(max_DNA))
plt.plot(X,Y)

结果如下：