人工智能实验。遗传算法的实现
人工智能中的遗传算法及应用
人工智能中的遗传算法及应用在人工智能领域中，遗传算法是一种常用的优化算法。
它将生物学遗传进化机制中的基本原理应用到计算机程序设计中，通过基因编码、选择、交叉、变异等操作，使得种群逐步向着最优解进化。
遗传算法的应用非常广泛，例如用来进行机器学习中的参数优化，解决复杂优化问题等。
一、遗传算法的基本原理遗传算法是通过对群体中的染色体进行进化迭代，来实现寻优的一种优化方法。
其基本思想与自然进化过程类似，对于每一个待求解问题，都将其转化为一个染色体，而问题的解就是这个染色体的编码。
在遗传算法中，编码一般采用二进制编码。
一个染色体就是一个由多个基因组成的序列，一个基因就是一个二进制位，它可以取0或1。
基因序列的长度就是染色体的长度。
在遗传算法中，每一个个体都具备一定的适应度，适应度是指一个个体的解决问题的能力。
适应度越高，就越有可能成为下一代的父代。
每一代都会进行选择、交叉、变异等操作，得到下一代个体。
具体来说，遗传算法主要由以下几个操作组成：1. 初始化操作：在遗传算法的开始阶段，需要随机生成一些初代个体。
这些个体就是染色体的初始值，之后的演化过程就是基于它们逐渐优化产生的。
2. 适应度评估：在每一代个体形成之后，都需要使用某种评估函数来度量每个个体的表现。
适应度高的个体会得到更高的生殖机会。
3. 选择操作：在每一代中，通过某种选择策略来选取一些个体去作为下一代生殖的种子。
选择策略通常有轮盘赌选择、锦标赛选择等。
4. 交叉操作：在一定概率下，将选中个体进行某种基因交换，使得下一代中的个体具备更广泛的基因信息。
5. 变异操作：在一定概率下，随机改变个体的某些基因，使得下一代具有一定新的基因信息。
通过这些操作，每一代个体都会经过一轮进化，逐渐接近最优解。
当达到某个停止条件时，算法终止，得到最终的结果。
二、遗传算法在人工智能中的应用遗传算法是一种高效的优化算法，对于一些复杂的优化问题，特别是连续优化问题，使用遗传算法往往比其他传统的优化方法更加有效。
人工智能导论实验(遗传算法)-参考模板
环境配置1.安装anaconda，并配置环境变量2.Win+R运行cmd打开命令行窗口，在命令行中创建并激活所需的Python环境，也可直接使用默认的base环境a)创建：conda create -n [新环境的名字] python=[Python版本号]比如：conda create -n myEnv python=3.7b)激活环境：conda activate [环境名]。
激活成功后命令行前面会有个括号显示当前使用的环境名：3.检查当前环境下是否已有需要用到的库，若没有，则需要安装a)查询命令：conda listb)安装新的库：conda install [库名]也可指定库的版本号：conda install [库名]=[版本号]4.执行指定的python文件：python [.py文件名]如果.py文件不在当前路径下，需要指定文件的完整路径完成下列实验1，2以及3、4、5任选其二。
实验1：产生式系统1.基本要求1.1掌握产生式系统的基本原理1.2运行产生式系统的示例代码1.3尝试向示例代码中添加新数据，并完成相应的推理2.实验报告2.1总结产生式系统的基本原理2.2产生式系统的源代码分析与实验记录2.3尝试向示例代码中添加新数据，并完成相应的推理3.作业无实验2：AStar求解八数码问题1.基本要求1.1掌握AStar算法的基本原理1.2编写并运行AStar算法求解八数码问题的示例代码。
给定矩阵初始状态，允许将0与相邻的4个数字之一交换，直到矩阵转变为目标状态。
输出每一步交换后的矩阵例12.实验报告2.1 总结AStar算法的基本原理2.2 如何描述八数码问题中两个状态间的距离？2.2 如何根据状态距离将八数码问题转换为AStar寻路问题？3.作业提交编写的AStar求解八数码问题代码实验3：AStar求解迷宫寻路问题1.基本要求1.1掌握AStar算法的基本原理1.2编写并运行AStar算法求解迷宫寻路问题的示例代码。
遗传算法的基本操作
遗传算法的基本操作1 遗传算法遗传算法（Genetic Algorithm，简称 GA）是一种染色体基因行为模拟的进化计算算法，它是一种基于自然选择和遗传变异进化机制的计算智能方法，是从生物学进化规律探索求解各种复杂问题的一种工具。
遗传算法是一种元胞自动机入门级的人工智能技术，能够解决各种复杂的最优化问题。
2 遗传算法的基本操作遗传算法的基本操作主要包括以下几个步骤：1.初始化种群：分配种群中每个个体的基因型，对种群中每个染色体随机分布互不相同的基因，成功分配染色体。
2.测试种群：评估种群中各个个体的适应度。
3.挑选进化操作：根据适应度值大小，选择优秀个体留入下一代。
4.变异和交叉：执行变异操作和交叉操作，以旧的种群基因组为基础生成新的基因组，以挑选某几代作为新的种群。
5.使用适应度值：重新计算每个个体的适应度，建立新的种群，获取最优解。
3 遗传算法在工程中的应用遗传算法可以完成多种实现最优解的工程问题，如最易支付路径分析、公路交叉路口路径优化、货物运输路线最优解、拆线问题等等。
随着科学技术的进步，遗传算法也广泛应用于其他领域，如通信网络结构优化、模式识别、系统自控等，使利用遗传算法工程化运用更加广泛，受到计算机应用研究者的追捧。
4 遗传算法的优势遗传算法有着诸多优势：1. 遗传算法可以解决非线性多变量优化问题；2. 遗传算法没有预定义的搜索空间，能够自动根据变量的取值范围搜索最优解；3. 能够处理连续和离散的优化变量；4. 遗传算法可实现并行化搜索，可大大提高计算速率；5. 遗传算法可以从全局最优出发搜索；6. 遗传算法擅长解非凸优化问题，比如有多个局部最优；7. 遗传算法可以应用于大规模复杂的优化问题。
遗传算法的运行效率不高，一般在解决工程优化问题时，常会伴随其他技术或工具，比如模糊技术、神经网络等，共同完成相应的优化工作。
此外，为了确保在种群的进化过程中保持正确的进化方向，必须了解其精准的适应度函数，为此必须提供明确的评价函数，这是关键性任务。
GA算法实验
西安交通大学实验报告课程人工智能实验 GA算法姓名谭绪刚学号 01055053专业班级计算机12实验日期 2004年11月10日报告日期 2004年12月13日实验名称用遗传算法学习曲线6sin(5),[0,1]π∈的最大值x x一、实验原理遗传算法的基本原理◇遗传算法的基础理论遗传算法的基础理论是图式（模式）定理。
◆图式(Schema)概念一个基因串用符号集{0，1，*}表示，则称为一个图式；其中*可以是0或1。
其实，图式就是在某些确定位置上取相同字符的字符串集合。
例如：**000是一个图式，表示后三个位置都取0的字符串的集合,即{00000,01000,10000,11000};类似地,10*0*表示{10000,10001,10100,10101}。
可以直观地把图式看成一个相似性模板(similarity template),在对应的确定位置,0和0匹配,1和1匹配,*为通配符,可和0、1两者匹配。
图式表示的就是和它匹配的字符串。
这些字符串称为图式的实现(instance)或解(solution)。
◇图式的阶和长度在某个图式中,确定字符的个数称为图式的阶(order),其最左端确定字符到最右端确定字符间的距离称为图式的定义长度(defining length)。
例如,图式**000的阶是3,定义长度是5-3=2。
图式10*0*的阶的3,定义长度是4-1=3。
◆Holland图式定理简便起见,只就简单GA进行讨论。
引入下列符号H:某个图式;fi:第i个字符串(解、实现)的适应度;:第t代群体的平均适应度;:图式H在第t代群体的平均适应度;ni(H,t+1):由(第t代)图式H的某个解i在第t+1代生成的后代数的期望值;n(H,t):第t代属于图式H的解的个数;δ(H):H的定义长度;0(H):H的阶。
◇图式定理先考虑选择的效果。
在SGA,选择标准是采用按适应度大小比例的原则,因此,第i个体经选择算子的作用在下一代继续存在的个数的期望值为n(fi/∑f),注意到则(,1)(,)(,)/()+=n H t n H t f H t f t上式表明,选择算子的作用将使适应度高于(低于)平均水平的图式在代代相传时大(减小)其容量,从而提高群体的质素。
遗传算法实验指导书
实验二：遗传算法一、实验目的1．学会使用遗传算法matlab示例程序辅助学习2．理解遗传算法的原理及机制二、实验原理遗传算法（Genetic Algorithm）是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法，它是由美国Michigan大学J.Holland教授于1975年首先提出来的，并出版了颇有影响的专著《Adaptation in Natural and Artificial Systems》，GA这个名称才逐渐为人所知，J.Hilland教授所提出的GA通常为简单遗传算法（SGA）。
遗传算法是从代表问题可能潜在的解集的一个种群（population）开始的，而一个种群则由经过基因（gene）编码的一定数目的个体(individual)组成。
每个个体实际上是染色体(chromosome)带有特征的实体。
染色体作为遗传物质的主要载体，即多个基因的集合，其内部表现（即基因型）是某种基因组合，它决定了个体的形状的外部表现，如黑头发的特征是由染色体中控制这一特征的某种基因组合决定的。
因此，在一开始需要实现从表现型到基因型的映射即编码工作。
由于仿照基因编码的工作很复杂，我们往往进行简化，如二进制编码，初代种群产生之后，按照适者生存和优胜劣汰的原理，逐代（generation）演化产生出越来越好的近似解，在每一代，根据问题域中个体的适应度（fitness）大小挑选（selection）个体，并借助于自然遗传学的遗传算子（genetic operators）进行组合交叉（crossover）和变异（mutation），产生出代表新的解集的种群。
这个过程将导致种群像自然进化一样的后生代种群比前代更加适应于环境，末代种群中的最优个体经过解码（decoding），可以作为问题近似最优解。
三、实验条件1．Matlab 7.0以上版本遗传算法演示程序2．IE6.0，能通过INTERNET查阅相关资料四、实验内容1．启动GA示例程序1）启动Matlab 7.02）单击help菜单，在弹出的下拉菜单中选择“demos”3）在“demos”窗口左边的树形选择栏选择“toolbox”中“Genetic Algorithm and Direct Search Demos”分支，“demos”窗口右边即为遗传算法示例程序列表。
人工智能化遗传算法实验报告
人工智能实验报告学号：姓名：实验名称：遗传算法实验日期：2016.1.5【实验名称】遗传算法【实验目的】掌握遗传算法的基本原理，熟悉遗传算法的运行机制，学会用遗传算法来求解问题。
【实验原理】遗传算法（Genetic Algorithm）是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。
遗传算法是从代表问题可能潜在的解集的一个种群开始的，而一个种群则由经过基因编码的一定数目的个体组成。
每个个体实际上是染色体带有特征的实体。
在一开始需要实现从表现型到基因型的映射即编码工作。
由于仿照基因编码的工作很复杂，我们往往进行简化，如二进制编码，初代种群产生之后，按照适者生存和优胜劣汰的原理，逐代演化产生出越来越好的近似解，在每一代，根据问题域中个体的适应度大小选择个体，并借助于自然遗传学的遗传算子进行组合交叉和变异，产生出代表新的解集的种群。
这个过程将导致种群像自然进化一样的后生代种群比前代更加适应于环境，末代种群中的最优个体经过解码，可以作为问题近似最优解。
遗传算法程度流程图为：【实验内容】题目：已知f(x)=x*sin(x)+1，x∈[0,2π],求f(x)的最大值和最小值。
数据结构：struct poptype{double gene[length];//染色体double realnumber;//对应的实数xdouble fitness;//适应度double rfitness;//相对适应度double cfitness;//累计适应度};struct poptype population[popsize+1];//最后一位存放max/min struct poptype newpopulation[popsize+1];//染色体编码：[0,2]x π∈，变量长度为2 π，取小数点后6位，由于2262322*102;π<<因此，染色体由23位字节的二进制矢量表示，则X 与二进制串（<b 22 b 21…… b 0>）2之间的映射如下：()2222212010bb ......b 2'i i i b x =⎛⎫=∙= ⎪⎝⎭∑;232'21x x π=- 适应度函数：由于要求f(x)的最值,所以适应度函数即可为f(x)。
人工智能中的遗传算法
人工智能中的遗传算法遗传算法（Genetic Algorithm，GA）是一种模拟自然进化过程的优化算法。
它适用于复杂问题的求解，并且在人工智能领域中得到了广泛的应用。
本文将介绍人工智能中遗传算法的原理、应用以及优势。
一、遗传算法原理遗传算法模拟了生物进化过程中的遗传与进化机制，通过对每个个体的基因组进行编码，然后通过选择、交叉和变异等操作，迭代地生成新一代的解，并逐步优化。
1.1 基因编码遗传算法中每个个体的解被编码为一个染色体，染色体由若干基因组成。
基因可以是二进制串、整数或浮点数等形式，根据问题的特点进行选择。
1.2 适应度评价适应度函数用于评价每个个体的优劣程度。
适应度值越高表示个体解越优秀。
在问题的求解过程中，根据适应度函数对个体进行评估和排序。
1.3 选择操作选择操作根据适应度函数对个体进行选择，使优秀的个体有更高的概率被选中。
常见的选择算法有轮盘赌和竞争选择等。
1.4 交叉操作交叉操作模拟了生物进化中的基因重组，通过交换父代个体的染色体片段产生新个体。
交叉操作可以增加种群的多样性，并且有助于在解空间中进行全局搜索。
1.5 变异操作变异操作是对个体染色体中的基因进行突变，引入一定的随机性。
变异操作可以避免种群陷入局部最优解，从而增加算法的全局搜索能力。
1.6 算法迭代遗传算法通过不断迭代地进行选择、交叉和变异操作，逐渐优化种群中的个体。
迭代次数和种群大小是影响算法性能的重要参数。
二、遗传算法的应用2.1 函数优化遗传算法可以用于求解复杂的函数优化问题，例如求解多峰函数的全局最优解。
通过适当选择适应度函数和调整参数，可以提高算法的收敛性和搜索能力。
2.2 组合优化遗传算法在组合优化问题中有广泛的应用。
例如在图的最短路径问题中，通过遗传算法可以求解出图中节点间的最短路径。
2.3 机器学习遗传算法可以用于机器学习领域中的特征选择和参数优化等问题。
通过遗传算法搜索最优的特征子集或参数组合，可以提高机器学习模型的性能和泛化能力。
C语言人工智能算法实现神经网络和遗传算法
C语言人工智能算法实现神经网络和遗传算法人工智能（Artificial Intelligence）是当今科技领域中备受关注的热门话题，而C语言作为一种广泛应用的编程语言，也可以用于实现人工智能算法。
本文将详细介绍如何用C语言来实现神经网络和遗传算法，以展示其在人工智能领域的应用。
1. 神经网络神经网络是一种模仿人脑的学习和决策过程的计算模型。
它由多个神经元组成的层级结构构成，每个神经元接收来自上一层神经元输出的信号，并根据一定的权重和激活函数来计算输出。
下图展示了一个简单的神经网络结构：[图1：神经网络结构图]为了实现一个神经网络，我们需要在C语言中定义神经网络的结构体，并实现前馈传播和反向传播算法。
首先，我们需要定义神经网络的层级结构，可以使用数组或链表来表达。
每个神经元需要存储权重、偏差和激活函数等信息。
我们可以使用结构体来表示神经元的属性，例如：```Ctypedef struct Neuron {double* weights; // 权重数组double bias; // 偏差double output; // 输出} Neuron;```然后，定义神经网络的结构体：```Ctypedef struct NeuralNetwork {int numLayers; // 层数int* layerSizes; // 每层神经元数量的数组Neuron** layers; // 神经元层级的数组} NeuralNetwork;```接下来，我们需要实现神经网络的前馈传播算法。
前馈传播算法用于将输入数据从输入层传递到输出层，并计算网络的输出。
算法的伪代码如下所示：```Cfor each layer in network {for each neuron in layer {calculate neuron's weighted sum of inputs;apply activation function to obtain neuron's output;}}```最后，需要实现神经网络的反向传播算法，用于根据期望输出来调整网络的权重和偏差。
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mutationRate=Float.parseFloat(JOptionPane.showInputDialog("请输入突变率0-0.2）"));
lefttb=(float)(Math.floor(geneY[sjintdata]/0.01));
middtb=(float)(Math.floor(10*Math.random()));
righttb=(float)((geneY[sjintdata]%0.01)%0.1);
geneY[sjintdata]=(float)(lefttb*0.01+middtb*0.1+righttb);
Thread threadc=new Thread(threada);
threadc.start();
}
static class gbck extends WindowAdapter
right1=geneX[sjintdata1]%10;
left2=(float)(Math.floor(geneX[sjintdata2]/10));
right2=geneX[sjintdata2]%10;
geneX[sjintdata1]=left1*10+right2;
geneX[sjintdata2]=left2*10+right1;
【实验环境】
Windows 7
Jdk 1.7
myeclise
【实验过程与结果】（附主要源码及运行结果截图）
1、源代码：
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import javax.swing.*;
import javax.swing.event.*;
import ng.Math.*;
lefttb=(float)(Math.floor(geneX[sjintdata]/0.01));
middtb=(float)(Math.floor(10*Math.random()));
righttb=(float)((geneX[sjintdata]%0.01)%0.1);
geneX[sjintdata]=(float)(lefttb*0.01+middtb*0.1+righttb);
//种群初始化
geneX=new float [geneNumber];
geneY=new float [geneNumber];
fit=new float [geneNumber];
fitness=new float [geneNumber];
cumulativeProbability=new float [geneNumber+1];
if(k>generation-2)
{
System.exit(0);
}
Thread.sleep((int)(1000));
}
catch(InterruptedException e)
{
System.out.println(e.toString());
}
repaint();
}
public static void ycsf()
private static int sjintdata;
private static int sjintdata1;
private static int sjintdata2;
private static float left1;
private static float right1;
private static float left2;
private static int geneNumber;
private static int generation;
private static float crossoverRate;
private static float mutationRate;
private static float sjdata;
for(int j=0;j<geneNumber;j++)
{
if ((sjdata<cumulativeProbability[j+1])&&(sjdata>cumulativeProbability[j]))
{
geneX[i]=geneXX[j];
geneY[i]=geneYY[j];
}
}
}
//基因的交叉
ycsf();
gapid threada=new gapid();
threada.setTitle("用遗传算法优化PID参数");
threada.setSize(800,600);
threada.addWindowListener(new gbck());
threada.setVisible(true);
left1=(float)(Math.floor(geneY[sjintdata1]/10));
right1=geneY[sjintdata1]%10;
left2=(float)(Math.floor(geneY[sjintdata2]/10));
right2=geneY[sjintdata2]%10;
private static float h;
private static int k=0;
public void run()
{
repaint();
}
public void paint(Graphics g)
{
g.setColor(new Color(0,0,0));
for(int i=0;i<geneNumber;i++)
private static float right2;
private static float lefttb;
private static float middtb;
private static float righttb;
private static float min=10000;
private static float s;
人工智能
实 验 报 告
实验名称__遗传算法的设计与实现_
学 院数计学院
班 级计科21202
学 号**********
姓 名许 小 刚
学 号
1261081068
姓名
许小刚
实验日期
2015 5 13
实验名称
遗传算法的设计与实现
【实验目的】
通过人工智能课程的学习，熟悉遗传算法的简单应用
【实验内容】
用遗传算法求解f (x) = x2的最大值，x∈[0,31]，x取整数。
for(int i=0;i<geneNumber;i++)
{
geneX[i]=(float)(1000*Math.random());
geneY[i]=(float)(600*Math.random());
}
cumulativeProbability[0]=0;
//基因开始演化直到满足所需精度为止。
{
for(int i=0;i<geneNumber;i++)
{
//计算每个基因的适应度。
s = (float)(-0.5+Math.sin(Math.sqrt(Math.pow(geneX[i],2)+Math.pow(geneY[i],2))));
h = (float)(Math.pow((1+0.001*(Math.pow(geneX[i],2)+Math.pow(geneY[i],2))),2));
可以看出该函数比较简单，只要是为了体现遗传算法的思想，在问题选择上，选了一个比较容易实现的，把主要精力放在遗传算法的实现，以及核心思想体会上。
【实验原理】遗传算法：遗传算法是借鉴生物界自然选择和群体进化机制形成的一种全局寻优算法。与传统的优化算法相比，遗传算法具有如下优点：不是从单个点，而是从多个点构成的群体开始搜索；在搜索最优解过程中，只需要由目标函数值转换得来的适应值信息，而不需要导数等其它辅助信息；搜索过程不易陷入局部最优点。目前，该算法已渗透到许多领域，并成为解决各领域复杂问题的有力工具。在遗传算法中，将问题空间中的决策变量通过一定编码方法表示成遗传空间的一个个体，它是一个基因型串结构数据；同时，将目标函数值转换成适应值，它用来评价个体的优劣，并作为遗传操作的依据。遗传操作包括三个算子：选择、交叉和变异。选择用来实施适者生存的原则，即把当前群体中的个体按与适应值成比例的概率复制到新的群体中，构成交配池（当前代与下一代之间的中间群体）。选择算子的作用效果是提高了群体的平均适应值。由于选择算子没有产生新个体，所以群体中最好个体的适应值不会因选择操作而有所改进。交叉算子可以产生新的个体，它首先使从交配池中的个体随机配对，然后将两两配对的个体按某种方式相互交换部分基因。变异是对个体的某一个或某一些基因值按某一较小概率进行改变。从产生新个体的能力方面来说，交叉算子是产生新个体的主要方法，它决定了遗传算法的全局搜索能力；而变异算子只是产生新个体的辅助方法，但也必不可少，因为它决定了遗传算法的局部搜索能力。交叉和变异相配合，共同完成对搜索空间的全局和局部搜索
fit[i]= (float)(Math.abs(-0.5+(s / h)));
sump=sump+fit[i];
if(min>fit[i])