京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
详解用python实现简单的遗传算法
今天整理之前写的代码,发现在做数模期间写的用python实现的遗传算法,感觉还是挺有意思的,就拿出来分享一下。
首先遗传算法是一种优化算法,通过模拟基因的优胜劣汰,进行计算(具体的算法思路什么的就不赘述了)。大致过程分为初始化编码、个体评价、选择,交叉,变异。
遗传算法介绍
遗传算法是通过模拟大自然中生物进化的历程,来解决问题的。大自然中一个种群经历过若干代的自然选择后,剩下的种群必定是适应环境的。把一个问题所有的解看做一个种群,经历过若干次的自然选择以后,剩下的解中是有问题的最优解的。当然,只能说有最优解的概率很大。这里,我们用遗传算法求一个函数的最大值。
f(x) = 10 * sin( 5x ) + 7 * cos( 4x ), 0 <= x <= 10
1、将自变量x进行编码
取基因片段的长度为10, 则10位二进制位可以表示的范围是0到1023。基因与自变量转变的公式是x = b2d(individual) * 10 / 1023。构造初始的种群pop。每个个体的基因初始值是[0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1]
2、计算目标函数值
根据自变量与基因的转化关系式,求出每个个体的基因对应的自变量,然后将自变量代入函数f(x),求出每个个体的目标函数值。
3、适应度函数
适应度函数是用来评估个体适应环境的能力,是进行自然选择的依据。本题的适应度函数直接将目标函数值中的负值变成0. 因为我们求的是最大值,所以要使目标函数值是负数的个体不适应环境,使其繁殖后代的能力为0.适应度函数的作用将在自然选择中体现。
4、自然选择
自然选择的思想不再赘述,操作使用轮盘赌算法。其具体步骤:
假设种群中共5个个体,适应度函数计算出来的个体适应性列表是fitvalue = [1 ,3, 0, 2, 4] ,totalvalue = 10 , 如果将fitvalue画到圆盘上,值的大小表示在圆盘上的面积。在转动轮盘的过程中,单个模块的面积越大则被选中的概率越大。选择的方法是将fitvalue转化为[1 , 4 ,4 , 6 ,10], fitvalue / totalvalue = [0.1 , 0.4 , 0.4 , 0.6 , 1.0] . 然后产生5个0-1之间的随机数,将随机数从小到大排序,假如是[0.05 , 0.2 , 0.7 , 0.8 ,0.9],则将0号个体、1号个体、4号个体、4号个体、4号个体拷贝到新种群中。自然选择的结果使种群更符合条件了。
5、繁殖
假设个体a、b的基因是
a = [1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0]
b = [0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1]
这两个个体发生基因交换的概率pc = 0.6.如果要发生基因交换,则产生一个随机数point表示基因交换的位置,假设point = 4,则:
a = [1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0]
b = [0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1]
交换后为:
a = [1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1]
b = [0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0]
6、突变
遍历每一个个体,基因的每一位发生突变(0变为1,1变为0)的概率为0.001.突变可以增加解空间
以目标式子 y = 10 * sin(5x) + 7 * cos(4x)为例,计算其最大值
首先是初始化,包括具体要计算的式子、种群数量、染色体长度、交配概率、变异概率等。并且要对基因序列进行初始化
pop_size = 500 # 种群数量
max_value = 10 # 基因中允许出现的最大值
chrom_length = 10 # 染色体长度
pc = 0.6 # 交配概率
pm = 0.01 # 变异概率
results = [[]] # 存储每一代的最优解,N个二元组
fit_value = [] # 个体适应度
fit_mean = [] # 平均适应度
pop = geneEncoding(pop_size, chrom_length)
其中genEncodeing是自定义的一个简单随机生成序列的函数,具体实现如下
def geneEncoding(pop_size, chrom_length):
pop = [[]]
for i in range(pop_size):
temp = []
for j in range(chrom_length):
temp.append(random.randint(0, 1))
pop.append(temp)
return pop[1:]
编码完成之后就是要进行个体评价,个体评价主要是计算各个编码出来的list的值以及对应带入目标式子的值。其实编码出来的就是一堆2进制list。这些2进制list每个都代表了一个数。其值的计算方式为转换为10进制,然后除以2的序列长度次方减一,也就是全一list的十进制减一。根据这个规则就能计算出所有list的值和带入要计算式子中的值,代码如下
# 0.0 coding:utf-8 0.0
# 解码并计算值
import math
def decodechrom(pop, chrom_length):
temp = []
for i in range(len(pop)):
t = 0
for j in range(chrom_length):
t += pop[i][j] * (math.pow(2, j))
temp.append(t)
return temp
def calobjValue(pop, chrom_length, max_value):
temp1 = []
obj_value = []
temp1 = decodechrom(pop, chrom_length)
for i in range(len(temp1)):
x = temp1[i] * max_value / (math.pow(2, chrom_length) - 1)
obj_value.append(10 * math.sin(5 * x) + 7 * math.cos(4 * x))
return obj_value
有了具体的值和对应的基因序列,然后进行一次淘汰,目的是淘汰掉一些不可能的坏值。这里由于是计算最大值,于是就淘汰负值就好了
# 0.0 coding:utf-8 0.0
# 淘汰(去除负值)
def calfitValue(obj_value):
fit_value = []
c_min = 0
for i in range(len(obj_value)):
if(obj_value[i] + c_min > 0):
temp = c_min + obj_value[i]
else:
temp = 0.0
fit_value.append(temp)
return fit_value
然后就是进行选择,这是整个遗传算法最核心的部分。选择实际上模拟生物遗传进化的优胜劣汰,让优秀的个体尽可能存活,让差的个体尽可能的淘汰。个体的好坏是取决于个体适应度。个体适应度越高,越容易被留下,个体适应度越低越容易被淘汰。具体的代码如下
# 0.0 coding:utf-8 0.0
# 选择
import random
def sum(fit_value):
total = 0
for i in range(len(fit_value)):
total += fit_value[i]
return total
def cumsum(fit_value):
for i in range(len(fit_value)-2, -1, -1):
t = 0
j = 0
while(j <= i):
t += fit_value[j]
j += 1
fit_value[i] = t
fit_value[len(fit_value)-1] = 1
def selection(pop, fit_value):
newfit_value = []
# 适应度总和
total_fit = sum(fit_value)
for i in range(len(fit_value)):
newfit_value.append(fit_value[i] / total_fit)
# 计算累计概率
cumsum(newfit_value)
ms = []
pop_len = len(pop)
for i in range(pop_len):
ms.append(random.random())
ms.sort()
fitin = 0
newin = 0
newpop = pop
# 转轮盘选择法
while newin < pop_len:
if(ms[newin] < newfit_value[fitin]):
newpop[newin] = pop[fitin]
newin = newin + 1
else:
fitin = fitin + 1
pop = newpop
以上代码主要进行了3个操作,首先是计算个体适应度总和,然后在计算各自的累积适应度。这两步都好理解,主要是第三步,转轮盘选择法。这一步首先是生成基因总数个0-1的小数,然后分别和各个基因的累积个体适应度进行比较。如果累积个体适应度大于随机数则进行保留,否则就淘汰。这一块的核心思想在于:一个基因的个体适应度越高,他所占据的累计适应度空隙就越大,也就是说他越容易被保留下来。
选择完后就是进行交配和变异,这个两个步骤很好理解。就是对基因序列进行改变,只不过改变的方式不一样
交配:
# 0.0 coding:utf-8 0.0
# 交配
import random
def crossover(pop, pc):
pop_len = len(pop)
for i in range(pop_len - 1):
if(random.random() < pc):
cpoint = random.randint(0,len(pop[0]))
temp1 = []
temp2 = []
temp1.extend(pop[i][0:cpoint])
temp1.extend(pop[i+1][cpoint:len(pop[i])])
temp2.extend(pop[i+1][0:cpoint])
temp2.extend(pop[i][cpoint:len(pop[i])])
pop[i] = temp1
pop[i+1] = temp2
变异:
# 0.0 coding:utf-8 0.0
# 基因突变
import random
def mutation(pop, pm):
px = len(pop)
py = len(pop[0])
for i in range(px):
if(random.random() < pm):
mpoint = random.randint(0, py-1)
if(pop[i][mpoint] == 1):
pop[i][mpoint] = 0
else:
pop[i][mpoint] = 1
整个遗传算法的实现完成了,总的调用入口代码如下
# 0.0 coding:utf-8 0.0
import matplotlib.pyplot as plt
import math
from calobjValue import calobjValue
from calfitValue import calfitValue
from selection import selection
from crossover import crossover
from mutation import mutation
from best import best
from geneEncoding import geneEncoding
print 'y = 10 * math.sin(5 * x) + 7 * math.cos(4 * x)'
# 计算2进制序列代表的数值
def b2d(b, max_value, chrom_length):
t = 0
for j in range(len(b)):
t += b[j] * (math.pow(2, j))
t = t * max_value / (math.pow(2, chrom_length) - 1)
return t
pop_size = 500 # 种群数量
max_value = 10 # 基因中允许出现的最大值
chrom_length = 10 # 染色体长度
pc = 0.6 # 交配概率
pm = 0.01 # 变异概率
results = [[]] # 存储每一代的最优解,N个二元组
fit_value = [] # 个体适应度
fit_mean = [] # 平均适应度
# pop = [[0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1] for i in range(pop_size)]
pop = geneEncoding(pop_size, chrom_length)
for i in range(pop_size):
obj_value = calobjValue(pop, chrom_length, max_value) # 个体评价
fit_value = calfitValue(obj_value) # 淘汰
best_individual, best_fit = best(pop, fit_value) # 第一个存储最优的解, 第二个存储最优基因
results.append([best_fit, b2d(best_individual, max_value, chrom_length)])
selection(pop, fit_value) # 新种群复制
crossover(pop, pc) # 交配
mutation(pop, pm) # 变异
results = results[1:]
results.sort()
X = []
Y = []
for i in range(500):
X.append(i)
t = results[i][0]
Y.append(t)
plt.plot(X, Y)
plt.show()
最后调用了一下matplotlib包,把500代最优解的变化趋势表现出来。

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在日常办公中,数据透视表是Excel、WPS等表格工具中最常用的数据分析利器——它能快速汇总繁杂数据、挖掘数据关联、生成直观报表 ...
2026-02-28有限元法(Finite Element Method, FEM)作为工程数值模拟的核心工具,已广泛应用于机械制造、航空航天、土木工程、生物医学等多 ...
2026-02-28在数字化时代,“以用户为中心”已成为企业运营的核心逻辑,而用户画像则是企业读懂用户、精准服务用户的关键载体。CDA(Certifi ...
2026-02-28在Python面向对象编程(OOP)中,类方法是构建模块化、可复用代码的核心载体,也是实现封装、继承、多态特性的关键工具。无论是 ...
2026-02-27在MySQL数据库优化中,索引是提升查询效率的核心手段—— 面对千万级、亿级数据量,合理创建索引能将查询时间从秒级压缩到毫秒级 ...
2026-02-27在数字化时代,企业积累的海量数据如同散落的珍珠,若缺乏有效的梳理与分类,终将难以发挥实际价值。CDA(Certified Data Analys ...
2026-02-27在问卷调研中,我们常遇到这样的场景:针对同一批调查对象,在不同时间点(如干预前、干预后、随访期)发放相同或相似的问卷,收 ...
2026-02-26在销售管理的实操场景中,“销售机会”是核心抓手—— 从潜在客户接触到最终成交,每一个环节都藏着业绩增长的关键,也暗藏着客 ...
2026-02-26在CDA数据分析师的日常工作中,数据提取、整理、加工是所有分析工作的起点,而“创建表”与“创建视图”,则是数据库操作中最基 ...
2026-02-26在机器学习分析、数据决策的全流程中,“数据质量决定分析价值”早已成为行业共识—— 正如我们此前在运用机器学习进行分析时强 ...
2026-02-25在数字化时代,数据已成为企业决策、行业升级的核心资产,但海量杂乱的原始数据本身不具备价值—— 只有通过科学的分析方法,挖 ...
2026-02-25在数字化时代,数据已成为企业核心资产,而“数据存储有序化、数据分析专业化、数据价值可落地”,则是企业实现数据驱动的三大核 ...
2026-02-25在数据分析、机器学习的实操场景中,聚类分析与主成分分析(PCA)是两种高频使用的统计与数据处理方法。二者常被用于数据预处理 ...
2026-02-24在聚类分析的实操场景中,K-Means算法因其简单高效、易落地的特点,成为处理无监督分类问题的首选工具——无论是用户画像分层、 ...
2026-02-24数字化浪潮下,数据已成为企业核心竞争力,“用数据说话、用数据决策”成为企业发展的核心逻辑。CDA(Certified Data Analyst) ...
2026-02-24CDA一级知识点汇总手册 第五章 业务数据的特征、处理与透视分析考点52:业务数据分析基础考点53:输入和资源需求考点54:业务数 ...
2026-02-23CDA一级知识点汇总手册 第四章 战略与业务数据分析考点43:战略数据分析基础考点44:表格结构数据的使用考点45:输入数据和资源 ...
2026-02-22CDA一级知识点汇总手册 第三章 商业数据分析框架考点27:商业数据分析体系的核心逻辑——BSC五视角框架考点28:战略视角考点29: ...
2026-02-20CDA一级知识点汇总手册 第二章 数据分析方法考点7:基础范式的核心逻辑(本体论与流程化)考点8:分类分析(本体论核心应用)考 ...
2026-02-18第一章:数据分析思维考点1:UVCA时代的特点考点2:数据分析背后的逻辑思维方法论考点3:流程化企业的数据分析需求考点4:企业数 ...
2026-02-16