课本遗传算法

课本遗传算法
课本遗传算法

遗传算法:

function[xv,fv]=GA(fitness,a,b,NP,NG,pc,pm,eps)

%待优化的目标函数:fitness

%自变量下界:a

%自变量上界:b

%种群个体数:NP

%最大进化代数:NG

%杂交概率:pc

%自变量概率:pm

%自变量离散精度:eps

%目标函数取最小值时的自变量值:xm

%目标函数的最小值:fv

L=ceil(log2((b-a)/eps+1)); %根据离散精度,确定二进制编码需要的码长x=zeros(NP,L);

for i=1:NP

x(i,:)=Initial(L);%种群初始化

fx(i)=fitness(Dec(a,b,x(i,:),L)); %个体适应值

end

for k=1:NG

sumfx=sum(fx); %所有个体适应值之和

px=fx/sumfx; %所有个体适应值的平均值

ppx=0;

ppx(1)=px(1);

for i=2:NP %用于轮盘赌策略的累加

ppx(i)=ppx(i-1)+px(i);

end

for i=1:NP

sita=rand();

for n=1:NP

if sita<=ppx(n)

SelFather=n; %根据轮盘赌策略确定的父亲

break;

end

end

Selmother=floor(rand()*(NP-1))+1; %随机选择母亲

posCut=floor(rand()*(L-2))+1; %随机选择交叉点

r1=rand();

if r1<=pc %交叉

nx(i,1:posCut)=x(SelFather,1:posCut);

nx(i,(posCut+1):L)=x(Selmother,(posCut+1):L);

r2=rand();

if r2<=pm %变异

posMut=round(rand()*(L-1)+1);

nx(i,posMut)=~nx(i,posMut);

end

else

nx(i,:)=x(SelFather,:);

end

end

x=nx;

for i=1:NP

fx(i)=fitness(Dec(a,b,x(i,:),L));%子代适应值

end

end

fv=-inf;

for i=1:NP

fitx=fitness(Dec(a,b,x(i,:),L));

if fitx>fv

fv=fitx; %取个体中的最好值作为最终结果

xv=Dec(a,b,x(i,:),L);

end

end

function result=Initial(length) %初始化函数

for i=1:length

r=rand();

result(i)=round(r);

end

function y=Dec(a,b,x,L) %二进制编码转换为十进制编码base=2.^((L-1):-1:0);

y=dot(base,x);

y=a+y*(b-a)/(2^L-1);

再简历目标函数;

输入命令[xv,fv]=myGA(…..)

4遗传算法与函数优化

第四章遗传算法与函数优化 4.1 研究函数优化的必要性: 首先,对很多实际问题进行数学建模后,可将其抽象为一个数值函数的优化问题。由于问题种类的繁多,影响因素的复杂,这些数学函数会呈现出不同的数学特征。除了在函数是连续、可求导、低阶的简单情况下可解析地求出其最优解外,大部分情况下需要通过数值计算的方法来进行近似优化计算。 其次,如何评价一个遗传算法的性能优劣程度一直是一个比较难的问题。这主要是因为现实问题种类繁多,影响因素复杂,若对各种情况都加以考虑进行试算,其计算工作量势必太大。由于纯数值函数优化问题不包含有某一具体应用领域中的专门知识,它们便于不同应用领域中的研究人员能够进行相互理解和相互交流,并且能够较好地反映算法本身所具有的本质特征和实际应用能力。所以人们专门设计了一些具有复杂数学特征的纯数学函数,通过遗传算法对这些函数的优化计算情况来测试各种遗传算法的性能。 4.2 评价遗传算法性能的常用测试函数 在设计用于评价遗传算法性能的测试函数时,必须考虑实际应用问题的数学模型中所可能呈现出的各种数学特性,以及可能遇到的各种情况和影响因素。这里所说的数学特性主要包括: ●连续函数或离散函数; ●凹函数或凸函数; ●二次函数或非二次函数; ●低维函数或高维函数; ●确定性函数或随机性函数; ●单峰值函数或多峰值函数,等等。 下面是一些在评价遗传算法性能时经常用到的测试函数: (1)De Jong函数F1: 这是一个简单的平方和函数,只有一个极小点f1(0, 0, 0)=0。

(2)De Jong 函数F2: 这是一个二维函数,它具有一个全局极小点f 2(1,1) = 0。该函数虽然是单峰值的函数,但它却是病态的,难以进行全局极小化。 (3)De Jong 函数F3: 这是一个不连续函数,对于]0.5,12.5[--∈i x 区域内的每一个点,它都取全局极小值 30),,,,(543213-=x x x x x f 。

遗传算法的优缺点

遗传算法属于进化算法( Evolutionary Algorithms) 的一种, 它通过模仿自然界的选择与遗传的机理来寻找最优解. 遗传算法有三个基本算子: 选择、交叉和变异. 。数值方法求解这一问题的主要手段是迭代运算。一般的迭代方法容易陷入局部极小的陷阱而出现"死循环"现象,使迭代无法进行。遗传算法很好地克服了这个缺点,是一种全局优化算法。 生物在漫长的进化过程中,从低等生物一直发展到高等生物,可以说是一个绝妙的优化过程。这是自然环境选择的结果。人们研究生物进化现象,总结出进化过程包括复制、杂交、变异、竞争和选择。一些学者从生物遗传、进化的过程得到启发,提出了遗传算法( GA)。算法中称遗传的生物体为个体( individual ),个体对环境的适应程度用适应值( fitness )表示。适应值取决于个体的染色体(chromosome),在算法中染色体常用一串数字表示,数字串中的一位对应一个基因 (gene)。一定数量的个体组成一个群体(population )。对所有个体进 行选择、交叉和变异等操作,生成新的群体,称为新一代( new generation )。遗传算法计算程序的流程可以表示如下[3]:第一步准备工作 (i)选择合适的编码方案,将变量(特征)转换为染色体(数字串,串长为m。通常用二 进制编码。 (2 )选择合适的参数,包括群体大小(个体数M)、交叉概率PC和变异概率Pm (3、确定适应值函数f (x、。f (x、应为正值。 第二步形成一个初始群体(含M个个体)。在边坡滑裂面搜索问题中,取已分析的可能滑裂 面组作为初始群体。 第三步对每一染色体(串)计算其适应值fi ,同时计算群体的总适应值。 第四步选择 计算每一串的选择概率Pi=fi/F 及累计概率。选择一般通过模拟旋转滚花轮 ( roulette ,其上按Pi大小分成大小不等的扇形区、的算法进行。旋转M次即可选出M个串来。在计算机 上实现的步骤是:产生[0,1]间随机数r,若rpc ,则该串参加交叉操作,如此选出参加交叉的一组后,随机配对。 (2)对每一对,产生[1 , m]间的随机数以确定交叉的位置。 第六步变异 如变异概率为Pm则可能变异的位数的期望值为Pm x mx M,每一位以等概率变异。具体为 对每一串中的每一位产生[0 , 1]间的随机数r,若r

遗传算法与模糊逻辑的双向集成

收稿日期:!"""#$"#!% 基金基目:国家自然科学基金(批准号:&"%%’$’")和国家“(&) ”计划资助项目。作者简介:王磊,男,!"%’年生,博士生,主要研究方向为进化算法、数据挖掘和*+, -.网络等。遗传算法与模糊逻辑的双向集成 王 磊,陈 莉,焦李成 (西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,陕西西安%!$$%! )摘 要:简要介绍了模糊逻辑和遗传算法相互结合的途径与 方法,并提出了一些其中有可能出现的问题。文章认为二者在很多方面具有互补性,可以进行广泛而深度地结合:一方面可以用模糊控制规则来提高遗传算法的性能,克服未成熟收敛等现象:另一方面,应用遗传算法可以有助于模糊逻辑的数据库、规则库和知识库的设计与构造。关键词:遗传算法;模糊逻辑;双向集成中图分类号:/0!()*(!12&文献标识码:3 引言 众所周知,模糊逻辑(4566,789:;#47)可以看成是经典逻辑系统的延伸和拓展,它为处理那些含糊不清和不确定情况下的知识表达问题提供了有效的理论框架。模糊逻辑的推理方式,顾名思义,是一种近似而非精确的的并且是隐念的逻辑推理方式。它的提出来源于大多数人类自然的思维与推理方法,特别是那些简明通用、带有自然属性的一些方法。一般而言,可以从两个不同的角度来理解模糊 逻辑所蕴涵的意义[’]:其一为狭义解释(47< ),它把模糊逻辑基本上看成一种近似的逻辑推理方式;其二是广义解释(47=),即模糊逻辑是对模糊集理论的一种拓展。比如在对处理对象的分类上,一类成员与另一类成员之间的界限是模糊而非鲜明的,或者说成员向非成员的转化是一种循序渐进的、逐步完成的过程。在这一领域中,模糊逻辑控制器(4566,789 :;>8B )被视为一种基于知识的系统并被广泛且成功地应用于各种领域[)]。这种知识就是通过模糊规则和模糊隶属函数的形 式,以人类的知识而建立起来的知识库系统[C ]。 另一方面,遗传算法(D -<-?:;3A 98@:?E F#D 3)是建立在达尔文生物进化论基础上的一种优化算法,它借鉴并模拟了生物界自然选择和自然遗传过 程中繁殖,交配和物种突变等现象 [1]。其主要特点是群体搜索策略和群体中个体之间的信息交换,而且是一种具有“生成G 检测”(D -<-@+?:8<#+@8..8I -@)和变异(J 5?+?:8< )为其三个主要操作算子,并由此而构成所谓的遗传操作(D -<-?:;K L -@+?:8<),使其具有其它传统算法所没有的优良特性。 上述的两种算法在实际应用过程中各具特色。一方面,模糊逻辑为不确定情况下不同形式系统的知识的表述奠定了基础,并允许在各个系统变量之间建立内在的关系模型,使推理过程更具鲁棒性和灵活性;而遗传算法则有利于提高学习能力,改进全局搜索性能。近年来涌现出许多关于模糊逻辑与遗传算法相互结合方面的论文与应用研究报告,并逐渐引起越来越多的学者的关注。本文在对二者各自所固有的一些优缺点进行分析的基础上,探索了它们相互结合与集成的方法和途径,以及在此过程中有可能出现的问题。 !遗传算法与模糊逻辑的集成 这里对遗传算法与模糊逻辑相互结合与集成的讨论主要从下面两个方面来展开: 其一,应用模糊逻辑来提高遗传算法的性能和改进各个遗传算子,进一步讲就是通过模糊集来对具有不确定性的信息或知识建立规则模型,从而使 第)$卷第!期航空计算技术’$$$年)! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!月 万方数据

第三章-遗传算法的理论基础

第三章 遗传算法的理论基础 遗传算法有效性的理论依据为模式定理和积木块假设。模式定理保证了较优的模式(遗传算法的较优解)的样本呈指数级增长,从而满足了寻找最优解的必要条件,即遗传算法存在着寻找到全局最优解的可能性。而积木块假设指出,遗传算法具备寻找到全局最优解的能力,即具有低阶、短距、高平均适应度的模式(积木块)在遗传算子作用下,相互结合,能生成高阶、长距、高平均适应度的模式,最终生成全局最优解。Holland 的模式定理通过计算有用相似性,即模式(Pattern)奠定了遗传算法的数学基础。该定理是遗传算法的主要定理,在一定程度上解释了遗传算法的机理、数学特性以及很强的计算能力等特点。 3.1 模式定理 不失一般性,本节以二进制串作为编码方式来讨论模式定理(Pattern Theorem)。 定义3.1 基于三值字符集{0,1,*}所产生的能描述具有某些结构相似性的0、1字符串集的字符串称作模式。 以长度为5的串为例,模式*0001描述了在位置2、3、4、5具有形式“0001”的所有字符串,即(00001,10001) 。由此可以看出,模式的概念为我们提供了一种简洁的用于描述在某些位置上具有结构相似性的0、1字符串集合的方法。 引入模式后,我们看到一个串实际上隐含着多个模式(长度为 n 的串隐含着2n 个模式) ,一个模式可以隐含在多个串中,不同的串之间通过模式而相互联系。遗传算法中串的运算实质上是模式的运算。因此,通过分析模式在遗传操作下的变化,就可以了解什么性质被延续,什么性质被丢弃,从而把握遗传算法的实质,这正是模式定理所揭示的内容 定义3.2 模式H 中确定位置的个数称作该模式的阶数,记作o(H)。比如,模式 011*1*的阶数为4,而模式 0* * * * *的阶数为1。 显然,一个模式的阶数越高,其样本数就越少,因而确定性越高。 定义3.3 模式H 中第一个确定位置和最后一个确定位置之间的距离称作该模式的定义距,记作)(H δ。比如,模式 011*1*的定义距为4,而模式 0* * * * *的定义距为0。 模式的阶数和定义距描述了模式的基本性质。 下面通过分析遗传算法的三种基本遗传操作对模式的作用来讨论模式定理。令)(t A 表示第t 代中串的群体,以),,2,1)((n j t A j =表示第t 代中第j 个个体串。 1.选择算子 在选择算子作用下,与某一模式所匹配的样本数的增减依赖于模式的平均适值,与群体平均适值之比,平均适值高于群体平均适值的将呈指数级增长;而平均适值低于群体平均适值的模式将呈指数级减少。其推导如下: 设在第t 代种群)(t A 中模式所能匹配的样本数为m ,记为),(t H m 。在选择中,一个位串 j A 以概率/j j i P f f =∑被选中并进行复制,其中j f 是个体)(t A j 的适应度。假设一代中群体 大小为n ,且个体两两互不相同,则模式H 在第1+t 代中的样本数为:

各种融合方法之间的结合对比

现代方法间的集成 遗传算法和模糊理论相结合 模糊理论和神经网络理论相结合 遗传算法和神经网络理论相结合 遗传算法和模糊神经网络相结合 经典方法与现代方法的结合 模糊逻辑和Kalman滤波相结合 小波变换和Kalman滤波相结合 模糊理论和最小二乘法相结合 小波变换和Kalman滤波相结合 在实际中,不同的传感器数据采集系统采集的数据具有不同的分辨率,因而,需要解决多分辨率数据的融合技术和方法,以便更好地利用不同分辨率数据的互补信息,达到更佳的融合效果。Kalman滤波对非平稳信号具有较强的估计能力,能对信号所有的频率成分同时进行处理。同时,小波变换具有高分辨力,对高频分量采用逐渐精细的时域和频域步长,可以聚焦到分析对象的任意细节。因此,小波变换与Kalman滤波结合可以取得良好的融合效果。 模糊理论和最小二乘法相结合 最小二乘法的准则是选取X 使得估计性能指标(估计误差的平方和)达到最小。它是以误差理论为依据,在诸数据处理方法中,误差最小,精确性最好,并在处理数据过程中不需要知道数据的先验信息。因而,刘建书等人利用模糊理论中的相关性函数对多传感器的相互支持程度进行计算,应用基于最小二乘原理的数据融合方法,对支持程度高的传感器数据进行融合。仿真结果表明:相比同类融合方法,该方法获得的结果具有更高的精度。模糊逻辑和Kalman滤波相结合 经典最优Kalman 滤波理论对动态系统提出了严格的要求,即当观测几何信息和动力学模型及统计信息可靠时,Kalman滤波计算性能较好。但在实践中很难满足这一条件,在使用不精确或错误的模型和噪声统计设计Kalman 滤波器时会导致滤波结果失真,甚至使滤波发散。为了解决此问题,产生了自适应Kalman 滤波。Escamilla,Ambrosio等人提出了一种基于模糊逻辑的自适应Kalman 滤波数据融合算法,该算法使用模糊逻辑调整Q和R 的值使之可以更好地符合协方差的估计值。接着scamilla,Ambrosio PJ等人又将上述算法用来建立集中式、分布式和混合式的自适应Kalman滤波多传感器融合算法。另外,TaftiA D等人还提出了一种可用于实时处理的自适应Kalman 滤波和模糊跟踪数据融合算法。 近年来,模糊Kalman滤波算法在实际中得到了非常广泛的应用,例如:目标跟踪、图像处理以及组合导航等。 遗传算法和神经网络理论相结合 神经网络技术是模拟人类大脑而产生的一种信息处理技术,它使用大量的简单处理单元(即神经元)处理信息,神经元按层次结构的形式组织,每层上的神经元以加权的方式与其他层上的神经元联接,采用并行结构和并行处理机制,因而,网络具有很强的容错

遗传算法的计算性能的统计分析

第32卷 第12期2009年12月 计 算 机 学 报 CH INESE JOURNA L OF COMPU TERS Vol.32No.12 Dec.2009 收稿日期:2008210219;最终修改稿收到日期:2009209227.本课题得到国家自然科学基金(60774084)资助.岳 嵚,男,1977年生,博士研究生,主要研究方向为进化算法.E 2mail:yueqqin@si https://www.360docs.net/doc/ff3567129.html,.冯 珊,女,1933年生,教授,博士生导师,主要研究领域为智能决策支持系统. 遗传算法的计算性能的统计分析 岳 嵚 冯 珊 (华中科技大学控制科学与工程系 武汉 430074) 摘 要 通过对多维解析函数的多次重复计算并对计算结果进行统计分析来讨论遗传算法的可靠性和可信度,结果表明:遗传算法的计算结果具有一定的稳定性,可以通过采用多次重复计算的方法提高计算结果的可信度,并用以评价算法及其改进的实际效果.关键词 遗传算法;计算可靠性;置信区间 中图法分类号TP 18 DOI 号:10.3724/SP.J.1016.2009.02389 The Statistical Analyses for Computational Performance of the Genetic Algorithms YU E Qin FENG Shan (Dep artment of Contr ol Science and Eng ineering ,H uazhong University of Science and T ech nology ,W u han 430074) Abstr act In this paper,the author s discuss the reliability of the GAs by reiteratively computing the multi 2dimensional analytic functions and statistical analysis of the results.The analysis re 2sults show that the GAs have certain stability;it could improve the reliability by reiteratively computation and estimates the effects of improvements. Keywor ds genetic algorithms;computational stability;confidence interval 1 遗传算法的随机性 遗传算法是将生物学中的遗传进化原理和随机优化理论相结合的产物,是一种随机性的全局优化算法[1].遗传算法作为一种启发式搜索算法,其计算结果具有不稳定性和不可重现性;遗传算法的进化过程具有有向随机性,整体上使种群的平均适应度不断提高.现在学术界对遗传算法中的某些遗传操作的作用机制还不十分清楚,遗传算法的许多性能特点无法在数学上严格证明.遗传算法的计算过程会受到各种随机因素的影响,如随机产生的初始种群和随机进行的变异操作等,尤其初始种群对计算结果影响较大.但另一方面,大量的实算结果表明,遗传算法的计算结果具有一定的规律性,在统计意义上具有一定的可靠性,这样就可以对待求解问题 进行多次重复计算后取平均值的方法,提高遗传算 法在实际计算中的准确性和可信度. 包括遗传算法在内的启发式搜索算法主要用于解决大型的复杂优化问题,这些问题一般难以使用传统的优化算法解决.遗传算法对这类问题的计算结果也难达到精确的最优解.这给对用遗传算法解决实际工程优化问题的计算结果的评价带来了困难,在实际工程计算中也难以评价遗传算法及其改进型的计算效果的优劣. 为了分析遗传算法的计算性能,本文采用的计算对象是一个复杂的多维解析函数.使用这类函数评价遗传算法计算性能的好处是可以事先通过其他方法求得最优解,这样便于评价遗传算法及其改进型的计算效果.本文从统计学角度对多次重复计算的结果进行分析,试图得到遗传算法的稳定性和可信度方面的相关结论,通过分析遗传算法及其改进

神经网络和遗传算法中英文对照外文翻译文献

中英文对照外文翻译 (文档含英文原文和中文翻译) 基于神经网络和遗传算法的模糊系统的自动设计摘要 本文介绍了基于神经网络和遗传算法的模糊系统的设计,其目的在于缩短开发时间并提高该系统的性能。介绍一种利用神经网络来描绘的多维非线性隶属函数和调整隶属函数参数的方法。还提及了基于遗传算法的集成并自动化三个模糊系统的设计平台。 1 前言 模糊系统往往是人工手动设计。这引起了两个问题:一是由于人工手动设计是费时间的,所以开发费用很高;二是无法保证获得最佳的解决方案。为了缩短开发时间并提高模糊系统的性能,有两种独立的途径:开发支持工具和自动设计方法。前者包括辅助模糊系统设计的开发环境。许多环境已具有商业用途。后者介绍了自动设计的技术。尽管自动设计不能保证获得最优解,他们仍是可取的手工技巧,因为设计是引导走向和依某些标准的最优解。 有三种主要的设计决策模糊控制系统设计: (1)确定模糊规则数, (2)确定隶属度函数的形式。 (3)确定变化参数 再者,必须作出另外两个决定: (4)确定输入变量的数量 (5)确定论证方法 (1)和(2)相互协调确定如何覆盖输入空间。他们之间有高度的相互依赖性。(3)用以确定TSK(Takagi-Sugeno-Kang)模式【1】中的线性方程式的系数,或确定隶属度函数以及部分的Mamdani模型【2】。(4)符合决定最低套相关的输入变量,计算所需的目标决策或控制的价值观。像逆向消除(4)和信息标准的技术在此设计中经常被利用。(5)相当于决定使用哪一个模糊算子和解模糊化的方法。虽然由数种算法和模糊推理的方法已被提出,仍没有选择他们标准。[5]表明动态变化的推理方法,他依据这个推理环境的结果在性能和容错性高于任何固定的推理的方法。 神经网络模型(以更普遍的梯度)和基于遗传算法的神经网络(最常见的梯度的基础)和遗传算法被用于模糊系统的自动设计。基于神经网络的方法主要是用来设计模糊隶属度函数。这有两种主要的方法; (一)直接的多维的模糊隶属度函数的设计: 该方法首先通过数据库确定规则的数目。然后通过每个簇的等级的训练来确定隶属函

遗传算法的计算性能的统计分析

遗传算法遗传算法的计算性能的统计分析 岳嵚冯珊 (华中科技大学控制科学与工程系) 摘要:本文通过对多维解析函数的多次重复计算并对计算结果的进行统计分析来讨论遗传算法的可靠性和可信度,结果表明:遗传算法的计算结果具有一定的稳定性,可以通过采用多次重复计算的方法提高计算结果的可信度,并用以评价算法及其改进的实际效果。 关键词:遗传算法;计算可靠性;置信区间 分类号:TP18 1遗传算法的随机性 遗传算法是将生物学中的遗传进化原理和随机优化理论相结合的产物,是一种随机性的全局优化算法[1]。遗传算法作为一种启发式搜索算法,其计算结果具有不稳定性和不可重现性;遗传算法的进化过程具有有向随机性,整体上使种群的平均适应度不断提高。现在学术界对遗传算法中的某些遗传操作的作用机制还不十分清楚,遗传算法的许多性能特点无法在数学上严格证明。遗传算法的计算过程会受到各种随机因素的影响,如随机产生的初始种群和随机进行的变异操作等,尤其初是始种群对计算结果影响较大。但另一方面,大量的实算结果表明,遗传算法的计算结果具有一定的规律性,在统计意义上具有一定的可靠性,这样就可以对待求解问题进行多次重复计算后取平均值的方法,提高遗传算法在实际计算中的准确性和可信度。 包括遗传算法在内的启发式搜索算法主要用于解决大型的复杂优化问题,这些问题一般难以使用传统的优化算法解决。遗传算法对这类问题的计算结果也难达到精确的最优解。这给对用遗传算法解决实际工程优化问题的计算结果的评价带来了困难,在实际工程计算中也难以评价遗传算法及其改进型的计算效果的优劣。 为了分析遗传算法的计算性能,本文采用的计算对象是一个复杂的多维解析函数。使用这类函数评价遗传算法计算性能的好处是可以事先通过其他方法求得最优解,这样便于评价遗传算法及其改进型的计算效果。本文从统计学角度对多次重复计算的结果进行分析,试图得到遗传算法的稳定性和可信度方面的相关结论,通过分析遗传算法及其改进型求解解析问题的计算效果,再把所得到的相关结论推广应用到复杂的工程实际问题中去。 遗传算法在实际使用中有多种形式的变型,经典遗传算法是遗传算法的最简单的形式,但是经典遗传算法并不理想。本文使用的是粗粒度并行遗传算法。粗粒度并行遗传算法是遗传算法的一个重要改进型。它具有比经典遗传算法更好的计算性能。 2算例、实验方法和实验结果 2.1算例 本文所使用的算例是Deb 函数: ]10,10[,)]4cos(10[10)(12?∈??+=∑=i n i i i Deb x n x x x f i π(1) Deb 函数是一个高维的非凸函数,该函数在点(9.7624,9.7624,…,9.7624)上取得最大

遗传算法基本理论实例

目录 _ 一、遗产算法的由来 (2) 二、遗传算法的国内外研究现状 (3) 三、遗传算法的特点 (5) 四、遗传算法的流程 (7) 五、遗传算法实例 (12) 六、遗传算法编程 (17) 七、总结 ......... 错误!未定义书签。附录一:运行程序.. (19)

遗传算法基本理论与实例 一、遗产算法的由来 遗传算法(Genetic Algorithm,简称GA)起源于对生物系统所进行的计算机模拟研究。20世纪40年代以来,科学家不断努力从生物学中寻求用于计算科学和人工系统的新思想、新方法。很多学者对关于从生物进化和遗传的激励中开发出适合于现实世界复杂适应系统研究的计算技术——生物进化系统的计算模型,以及模拟进化过程的算法进行了长期的开拓性的探索和研究。John H.Holland教授及其学生首先提出的遗传算法就是一个重要的发展方向。 遗传算法借鉴了达尔文的进化论和孟德尔、摩根的遗传学说。按照达尔文的进化论,地球上的每一物种从诞生开始就进入了漫长的进化历程。生物种群从低级、简单的类型逐渐发展成为高级复杂的类型。各种生物要生存下去及必须进行生存斗争,包括同一种群内部的斗争、不同种群之间的斗争,以及生物与自然界无机环境之间的斗争。具有较强生存能力的生物个体容易存活下来,并有较多的机会产生后代;具有较低生存能力的个体则被淘汰,或者产生后代的机会越来越少。,直至消亡。达尔文把这一过程和现象叫做“自然选择,适者生存”。按照孟德尔和摩根的遗传学理论,遗传物质是作为一种指令密码封装在每个细胞中,并以基因的形式排列在染色体上,每个基因有特殊的位置并控制生物的某些特性。不同的基因组合产生的个体对环境的适应性不一样,通过基因杂交和突变可以产生对环境适应性强的后代。经过优胜劣汰的自然选择,适应度值高的基因结构就得以保存下来,从而逐渐形成了经典的遗传学染色体理论,揭示了遗传和变异的

人工智能之遗传算法论文含源代码

30维线性方程求解 摘要:非线性方程组的求解是数值计算领域中最困难的问题,大多数的数值求解算法例如牛顿法的收敛性和性能特征在很大程度上依赖于初始点。但是对于很多高维的非线性方程组,选择好的初始点是一件非常困难的事情。本文采用了遗传算法的思想,提出了一种用于求解非线性方程组的混合遗传算法。该混合算法充分发挥了遗传算法的群体搜索和全局收敛性。选择了几个典型非线性方程组,考察它们的最适宜解。 关键词:非线性方程组;混合遗传算法;优化 1. 引言遗传算法是一种通用搜索算法,它基于自然选择机制和自然遗传规律来模拟自然界的进化过程,从而演化出解决问题的最优方法。它将适者生存、结构化但同时又是 随机的信息交换以及算法设计人的创造才能结合起来,形成一种独特的搜索算法,把一些解决方案用一定的方式来表示,放在一起成为群体。每一个方案的优劣程度即为适应性,根据自然界进化“优胜劣汰”的原则,逐步产生它们的后代,使后代具有更强的适应性,这样不断演化下去,就能得到更优解决方案。 随着现代自然科学和技术的发展,以及新学科、新领域的出现,非线性科学在工农业、经济政治、科学研究方面逐渐占有极其重要的位置。在理论研究和应用实践中,几乎绝大多数的问题都最终能化为方程或方程组,或者说,都离不开方程和方程组的求解。因此,在非线性问题中尤以非线性方程和非线性方程组的求解最为基本和重要。传统的解决方法,如简单迭代法、牛顿法、割线法、延拓法、搜索法、梯度法、共轭方向法、变尺度法,无论从算法的选择还是算法本身的构造都与所要解决的问题的特性有很大的关系。很多情况下,算法中算子的构造及其有效性成为我们解决问题的巨大障碍。而遗传算法无需过多地考虑问题的具体形式,因为它是一种灵活的自适应算法,尤其在一些非线性方程组没有精确解的时候,遗传算法显得更为有效。而且,遗传算法是一种高度并行的算法,且算法结构简单,非常便于在计算机上实现。本文所研究的正是将遗传算法应用于求解非线性方程组的问题。 2. 遗传算法解非线性方程组为了直观地观察用遗传算法求解非线性方程组的效果,我们这里用代数非线性方程组作为求解的对象问题描述:非线性方程组指的是有n 个变量(为了简化讨论,这里只讨论实变量方程组)的方程组 中含有非线性方程。其求解是指在其定义域内找出一组数能满足方程组中的每 个方程。这里,我们将方程组转化为一个函数则求解方程组就转化为求一组值使得成立。即求使函数取得最小值0 的一组数,于是方程组求解问题就转变为函数优化问题 3. 遗传算子 遗传算子设计包括交叉算子、变异算子和选择算子的设计。

遗传算法基本理论与方法

摘要:基本遗传算法的操作是以个体为对象,只使用选择、交叉和变异遗传算子,遗传进化操作过程的简单框架。模式定理和积木块假设是解释遗传算法有效性的理论基础,理论分析与实际应用都表明基本的遗传算法不能处处收敛于全局最优解,因此基本遗传算法有待进一步改进。 关键词:遗传算法;遗传算法的改进 1.标准遗传算法 基本遗传算法包括选择、交叉和变异这些基本遗传算子。其数学模型可表示为: sag=(c,e,p0,n,φ,г,ψ,t) 其中c为个体的编码方法;e为个体适应度评价函数;p0为初始种群;n为种群大小;φ为选择算子;г为交叉算子;ψ为变异算子;t为遗传运算终止条件; 2 遗传算法基本方法及其改进 2.1编码方式 编码方式决定了个体的染色体排列形式,其好坏直接影响遗传算法中的选择算子、交叉算子和变异算子的运算,也决定了解码方式。 二进制编码 二进制编码使用的字符号{0,1}作为编码符号,即用一个{0,1}所组成的二进制符号串构成的个体基因型。二进制编码方法应用于遗传算法中有如下优点: 1)遗传算法中的遗传操作如交叉、变异很容易实现,且容易用生物遗传理论来解释; 2)算法可处理的模式多,增强了全局搜索能力; 3)便于编码、解码操作; 4)符合最小字符集编码原则; 5)并行处理能力较强。 二进制编码在存着连续函数离散化的映射误差,不能直接反应出所求问题的本身结构特征,不便于开发专门针对某类问题的遗传运算算子。 2.2初始种群的设定 基本遗传算法是按随机方法在可能解空间内产生一个一定规模的初始群体,然后从这个初始群体开始遗传操作,搜索最优解。初始种群的设定一般服从下列准则:1)根据优化问题,把握最优解所占空间在整个问题空间的分布范围,然后,在此分布范围内设定合适的初始群体。 2)先随机生成一定数目的个体,然后从中挑出最好的个体加入到初始群体中。该过程不断迭代,直到初始群体中个体数目达到了预先确定的种群大小。 2.3选择算子的分析 选择算子的作用是选择优良基因参与遗传运算,目的是防止有用的遗传信息丢失,从而提高全局收敛效率。常用的遗传算子: (1)轮盘赌选择机制 轮盘赌选择也称适应度比例选择,是遗传算法中最基本的选择机制,每个个体被选择进入下一代的概率为这个个体的适应度值占全部个体适应度值之和的比例。但是轮盘赌选择机制选择误差较大,不是所有高适应度值的个体都能被选中,适应度值较低但具有优良基因模式的个体被选择的概率也很低,这样就会导致早熟现象的产生。 (2)最优保存选择机制 最优保存选择机制的基本思想是直接把群体中适应度最高的个体复制到下一代,而不进行配对交叉等遗传操作。具体步骤如下: 1)找出当前群体中适应度值最高和最低的个体的集合;

第七章遗传算法应用举例

第七章 遗传算法应用举例 遗传算法提供了一种求解非线性、多模型、多目标等复杂系统优化问题的通用框架,它不依赖于问题具体的领域。随着对遗传算法技术的不断研究,人们对遗传算法的实际应用越来越重视,它已经广泛地应用于函数优化、组合优化、自动控制、机器人学、图象处理、人工生命、遗传编码、机器学习等科技领域。遗传算法已经在求解旅行商问题、背包问题、装箱问题、图形划分问题等多方面的应用取得了成功。本章通过一些例子,介绍如何利用第五章提供的遗传算法通用函数,编写MATLAB 程序,解决实际问题。 7.1 简单一元函数优化实例 利用遗传算法计算下面函数的最大值: ()sin(10) 2.0[1,2]f x x x x π=?+∈-, 选择二进制编码,种群中个体数目为40,每个种群的长度为20,使用代沟为0.9,最大遗传代数为25。 下面为一元函数优化问题的MA TLAB 代码。 figure(1); fplot ('variable.*sin(10*pi*variable)+2.0',[-1,2]); %画出函数曲线 % 定义遗传算法参数 NIND= 40; % 个体数目(Number of individuals) MAXGEN = 25; % 最大遗传代数(Maximum number of generations) PRECI = 20; % 变量的二进制位数(Precision of variables) GGAP = 0.9; % 代沟(Generation gap) trace=zeros (2, MAXGEN); % 寻优结果的初始值 FieldD = [20;-1;2;1;0;1;1]; % 区域描述器(Build field descriptor) Chrom = crtbp(NIND, PRECI); % 初始种群 gen = 0; % 代计数器 variable=bs2rv(Chrom,FieldD); % 计算初始种群的十进制转换 ObjV = variable.*sin (10*pi*variable)+2.0; % 计算目标函数值 while gen < MAXGEN, FitnV = ranking (-ObjV); % 分配适应度值(Assign fitness values) SelCh = select ('sus', Chrom, FitnV , GGAP); % 选择 SelCh = recombin ('xovsp',SelCh,0.7); % 重组 SelCh = mut(SelCh); % 变异 variable=bs2rv(SelCh,FieldD); % 子代个体的十进制转换 ObjVSel =variable.*sin(10*pi*variable)+2.0; % 计算子代的目标函数值 [Chrom ObjV]=reins(Chrom,SelCh,1,1,ObjV ,ObjVSel); % 重插入子代的新种群 gen = gen+1; % 代计数器增加 % 输出最优解及其序号,并在目标函数图象中标出,Y 为最优解,I 为种群的序号 [Y,I]=max(ObjV),hold on; plot (variable (I),Y , 'bo'); trace (1,gen)=max (ObjV); %遗传算法性能跟踪

协同进化数值优化算法及其应用分析

Vol.32No.9 Sep.2016 赤峰学院学报(自然科学版)JournalofChifengUniversity(NaturalScienceEdition)第32卷第9期(上) 2016年9月协同进化数值优化算法及其应用分析 梁树杰 (广东石油化工学院高州师范学院,广东 高州525200) 摘 要:探讨协同进化数值优化算法在无约束优化、约束优化、多目标优化问题及其在不同领域的应用情况,旨在充分发 挥协同进化数值优化算法的作用,进而为各领域的发展奠定基础. 关键词:协同进化算法;数值优化;应用中图分类号:O224;TP273.1 文献标识码:A 文章编号:1673-260X(2016)09-0006-02 协同进化作为一种自然现象,具有普遍性,超过两个种群间经相互影响,便会出现此现象,可用于解释种群间的适应性,将其用于生物学研究,促进了生物进化.在进化计算研究方面,协同进化算法作为一种快速发展的最优化算法,他是传统进化算法的一种扩展.这种算法的模型包含了两个和多个种群.不同的种群在生态系统中协同进化,并且相互作用,最终使得生态系统不断进化[1].协同进化算法在许多领域得到了广泛的应用[2].在许多非常困难的问题上,协同进化算法都证明了其作为优化算法的有效性.文章综述了国内外学者的研究内容,介绍了进化算法、协同进化算法等,重点阐述了其在各类问题中的应用,旨在为协同进化数值优化算法的推广提供可靠的理论保障.1协同进化数值优化算法的概况1.1进化算法 在人类生存与发展过程中涉及众多的优化问题,与分析问题相比,优化问题属于逆问题,在求解方面具有较大的难度,造成此情况的原因主要为优化问题的可行解为无穷多个,但要在可行解集合中获取最优化解,通常情况下,利用数学规划法可实现对相关问题的处理,但实际计算过于繁琐,进而难以保证计算的准确性与有效性.为了满足实际需求,进化算法随之出现,它作为算法工具具有创新性与高效性,适应了数值优化问题的求解奠定了坚实的基础. 进化计算技术属于人工智能技术,它主要是通过对自然界生物进化过程及机制的模拟,以此实现了对相关问题的求解,其具有自组织、自适应与自学习的特点.进化算法是由生物学知识逐渐发展而来的,即:生物种群的优胜劣汰、遗传变异等,在此过程中生命个体对环境的适应力不断在 增强.通过国内外学者的不断探索与研究,进化算法及其相关的计算智能方法日渐丰富,其中进化数值优化算法吸引了众多学者的目光[3]. 与传统优化算法相比, 进化算法具有一定的特殊性,其优势显著,主要表现在以下几方面:处理对象为编码,通过编码操作,使参数集成为个体,进而利于实现对结构对象的直接操作;便于获得全局最优解,借助进化算法,可对群体中的多个个体进行同时处理,从而提高了计算准确性,降低了计算风险性;不需要连续可微要求,同时可利用随机操作与启发式搜索,从而保证了搜索的明确性与高效性,在此基础上,它在各个领域的应用均取得了显著的成效,如:函数优化、自动控制、图像处理等.但进化算法也存在不足,主要表现为其选择机制仍为人工选择,在实际问题处理过程中,难以发挥指导作用;同时,局部搜索能力相对较差,难以保证解的质量[4]. 为了弥补进化算法的不足,相关学者通过研究提出了新型计算智能方法,具体包括免疫进化算法,它主要是利用自然免疫系统功能获得的,此方法在数据处理、故障诊断等方面均扮演着重要的角色;Memetic算法属于混合启发式搜索算法,其利用了不同的搜索策略,从而保证了其应用效果;群智能算法主要分为两种,一种为蚁群算法,另一种为粒子群算法,前者可用于多离散优化问题方面;后者主要利用迭代从而获取了最优解,由于其具有简便性与实用性,因此其应用较为广泛;协同进化算法作为新型进化算法,其分析了种群与环境二者间的关系,并对二者进化过程中的协调给予了高度关注[5].1.2协同进化算法 收稿日期:2016-05-23 基金项目:广东省教育研究院课题项目(GDJY-2015_F-b057);茂名市青年名师培养项目成果 传统优化算法 协同进化算法 简化问题无法简化复杂的问题.简化问题,利用分解分解问题等方式,对复杂问题的简化,从而实现求解.兼容性相对简单,算法相对独立.兼具了不同优点,发挥了不同搜索算法的作用,保证了种群间的有效协同进化. 应用领域 应用领域相对独立. 适应了各领域的需求,在各个领域均涉及协同思想. 表一 协同进化算法与传统优化算法的对比 在数值优化领域中应用协同进化算法,相关的研究成果主要体现在无约束优化、约束优化与多目标优化等方面. 在第一类问题方面.对于进化算法而言,其经典的应用领域 便是无约束数值优化,经过不断实际,此技术的应用日渐成 6-- DOI:10.13398/https://www.360docs.net/doc/ff3567129.html,ki.issn1673-260x.2016.17.003

基于数据挖掘的遗传算法

基于数据挖掘的遗传算法 xxx 摘要:本文定义了遗传算法概念和理论的来源,介绍遗传算法的研究方向和应用领域,解释了遗传算法的相关概念、编码规则、三个主要算子和适应度函数,描述遗传算法计算过程和参数的选择的准则,并且在给出的遗传算法的基础上结合实际应用加以说明。 关键词:数据挖掘遗传算法 Genetic Algorithm Based on Data Mining xxx Abstract:This paper defines the concepts and theories of genetic algorithm source, Introducing genetic algorithm research directions and application areas, explaining the concepts of genetic algorithms, coding rules, the three main operator and fitness function,describing genetic algorithm parameter selection process and criteria,in addition in the given combination of genetic algorithm based on the practical application. Key words: Data Mining genetic algorithm 前言 遗传算法(genetic algorithm,GAs)试图计算模仿自然选择的过程,并将它们运用于解决商业和研究问题。遗传算法于20世界六七十年代由John Holland[1]发展而成。它提供了一个用于研究一些生物因素相互作用的框架,如配偶的选择、繁殖、物种突变和遗传信息的交叉。在自然界中,特定环境限制和压力迫使不同物种竞争以产生最适应于生存的后代。在遗传算法的世界里,会比较各种候选解的适合度,最适合的解被进一步改进以产生更加优化的解。 遗传算法借助了大量的基因术语。遗传算法的基本思想基于达尔文的进化论和孟德尔的遗传学说,是一类借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机搜索算法。生物在自然界的生存繁殖,显示对其自然环境的优异自适应能力。受其启发,人们致力于对生物各种生存特性的机制研究和行为模拟。通过仿效生物的进化与遗传,根据“生存竞争”和“优胜劣汰”的原则,借助选择、交叉、变异等操作,使所要解决的问题从随机初始解一步步逼近最优解。现在已经广泛的应用于计算机科学、人工智能、信息技术及工程实践。[2]在工业、经济管理、交通运输、工业设计等不同领域,成功解决了许多问题。例如,可靠性优化、流水车间调度、作业车间调度、机器调度、设备布局设计、图像处理以及数据挖掘等。遗传算法作为一类自组织于自适应的人工智能技术,尤其适用于处理传统搜索方法难以解决的复杂的和非线性的问题。 1.遗传算法的应用领域和研 究方向 1.1遗传算法的特点 遗传算法作为一种新型、模拟生物进化过程的随机化搜索方法,在各类结 构对象的优化过程中显示出比传统优 化方法更为独特的优势和良好的性能。 它利用其生物进化和遗传的思想,所以 它有许多传统算法不具有的特点[3]: ※搜索过程不直接作用在变量上,而是 作用于由参数集进行了编码的个体 上。此编码操作使遗传算法可以直接 对结构对象进行操作。 ※搜索过程是从一组解迭代到另一组 解,采用同时处理群体中多个个体的 方法,降低了陷入局部最优解的可能 性,易于并行化。

模拟退火算法与遗传算法性能比较

模拟退火算法与遗传算法性能比较 摘要:模拟退火算法与遗传算法是两种非常重要的多目标优化算法。其原理简单,对优化目标函数解析性没有要求,因此在工程问题中被广泛应用。本文介绍了这两种优化算法的原理,并分析了两种算法的性能并讨论了应用过程中的关键问题,对两种算法的合理选取及改进具有参考价值。 关键字:模拟退火,遗传算法,优化 1.前言 对于多目标优化问题,传统的做法是全局搜索,即“穷举法”。这种通过搜索整个解空间的方法虽然能获得全局最优解,但运算量非常大,当优化空间的维度非常高时,该方法在计算上不可行。通过利用目标函数的解析性质以及借助实际问题的约束条件能部分降低搜索空间,但任不能解决高维问题优化。面对复杂问题,求得最优解是很困难的,在有限时间内求得满意解是可能的。获取高维优化问题满意解的常用方法是迭代运算,但通常迭代运算容易陷入局部最优陷阱,造成“死循环”。模拟退火算法及遗传算法是两种原理简单的启发式智能搜索算法,均具有逃离局部陷阱的能力,是工程应用中快速获取满意解的常用算法,对其性能比较对于正确使用这两种智能优化算法具有重要意义。 2.算法介绍 2.1.模拟退火算法 模拟退火算法是一种随机搜索算法,Kirkpatrick[1]于1983年首次将该算法应用于多目标优化。该算法模拟冶金上的退火过程而得名,其基本思想是:对当前合理解增加扰动产生新解,评价新解对目标函数的改进情况,若小于零,则接受新解为新的当前解,否则以概率接受新解为新的当前解。新的当前解将将继续优化,直到没有显著改进为止。 模拟退火算法使用过程中以下细节影响其全局搜索性能。初始温度T选择越高,则搜索到全局最优解的可能性也越大,但计算复杂度也显著增大。反之,能节省时间,但易于陷入局部最优。依据解的质量变化概率选择温度下降策略能增强算法性能。每次温度降低迭代次数及算法的终止可由给定迭代次数内获得更优解的概率而确定。 2.1.遗传算法 遗传算法最早由Holland等[2]提出,该算法模拟遗传变异与自然选择机制,是一种通过交换机制,重组基因串的概率搜索算法,其基本思想是:分析解空间大小及精度要求,确定合理解唯一编码形式。合理解转化成的编码即为染色体,随机选取的多个初始染色体构成初始种群。会依据评价函数计算种群中每个个体

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