C语言实现ASO优化BP算法

时间: 2023-06-25 19:06:04 浏览: 115
ASO优化算法是一种基于蚁群算法的优化算法,它可以用于解决多目标优化问题。BP神经网络算法可以用来进行分类、回归等任务。在使用BP算法进行ASO优化时,可以将多个目标转化为一个目标,然后使用BP神经网络进行训练和预测。 以下是一些实现ASO优化BP算法的C语言代码示例: 1. BP神经网络的实现 ```c //定义神经元结构体 typedef struct neuron { double input; //输入 double output; //输出 double delta; //误差 double bias; //偏置 double *weights; //权重 } neuron_t; //定义层结构体 typedef struct layer { int num_neurons; //神经元数量 neuron_t *neurons; //神经元 } layer_t; //定义神经网络结构体 typedef struct neural_network { int num_layers; //层数 layer_t *layers; //层 } neural_network_t; //初始化神经元 void init_neuron(neuron_t *neuron, int num_weights) { neuron->input = 0.0; neuron->output = 0.0; neuron->delta = 0.0; neuron->bias = (double)rand() / RAND_MAX; //随机初始化偏置 neuron->weights = (double *)malloc(num_weights * sizeof(double)); //动态分配权重数组 for (int i = 0; i < num_weights; i++) { neuron->weights[i] = (double)rand() / RAND_MAX; //随机初始化权重 } } //初始化层 void init_layer(layer_t *layer, int num_neurons, int num_weights) { layer->num_neurons = num_neurons; layer->neurons = (neuron_t *)malloc(num_neurons * sizeof(neuron_t)); //动态分配神经元数组 for (int i = 0; i < num_neurons; i++) { init_neuron(&layer->neurons[i], num_weights); } } //初始化神经网络 void init_neural_network(neural_network_t *nn, int num_inputs, int num_outputs, int num_hidden_layers, int num_hidden_neurons) { nn->num_layers = 2 + num_hidden_layers; //输入层、输出层和隐藏层 nn->layers = (layer_t *)malloc(nn->num_layers * sizeof(layer_t)); //动态分配层数组 //初始化输入层 init_layer(&nn->layers[0], num_inputs, 0); //初始化隐藏层 for (int i = 0; i < num_hidden_layers; i++) { if (i == 0) { init_layer(&nn->layers[i+1], num_hidden_neurons, num_inputs); } else { init_layer(&nn->layers[i+1], num_hidden_neurons, num_hidden_neurons); } } //初始化输出层 init_layer(&nn->layers[nn->num_layers-1], num_outputs, num_hidden_neurons); } //激活函数 double activation_function(double x) { return 1.0 / (1.0 + exp(-x)); } //前向传播 void feed_forward(neural_network_t *nn, double *inputs) { //输入层 for (int i = 0; i < nn->layers[0].num_neurons; i++) { nn->layers[0].neurons[i].output = inputs[i]; } //隐藏层和输出层 for (int i = 1; i < nn->num_layers; i++) { for (int j = 0; j < nn->layers[i].num_neurons; j++) { double sum = 0.0; for (int k = 0; k < nn->layers[i-1].num_neurons; k++) { sum += nn->layers[i-1].neurons[k].output * nn->layers[i].neurons[j].weights[k]; } sum += nn->layers[i].neurons[j].bias; nn->layers[i].neurons[j].input = sum; nn->layers[i].neurons[j].output = activation_function(sum); } } } //计算输出误差 void compute_output_error(neural_network_t *nn, double *targets) { layer_t *output_layer = &nn->layers[nn->num_layers-1]; for (int i = 0; i < output_layer->num_neurons; i++) { double output = output_layer->neurons[i].output; double delta = targets[i] - output; output_layer->neurons[i].delta = delta * output * (1.0 - output); } } //计算隐藏层误差 void compute_hidden_error(layer_t *layer, layer_t *next_layer) { for (int i = 0; i < layer->num_neurons; i++) { double output = layer->neurons[i].output; double sum = 0.0; for (int j = 0; j < next_layer->num_neurons; j++) { sum += next_layer->neurons[j].weights[i] * next_layer->neurons[j].delta; } layer->neurons[i].delta = output * (1.0 - output) * sum; } } //反向传播 void backpropagation(neural_network_t *nn, double *targets, double learning_rate) { //计算输出层误差 compute_output_error(nn, targets); //计算隐藏层误差 for (int i = nn->num_layers-2; i > 0; i--) { compute_hidden_error(&nn->layers[i], &nn->layers[i+1]); } //更新权重和偏置 for (int i = nn->num_layers-1; i > 0; i--) { for (int j = 0; j < nn->layers[i].num_neurons; j++) { neuron_t *neuron = &nn->layers[i].neurons[j]; for (int k = 0; k < nn->layers[i-1].num_neurons; k++) { double delta_weight = learning_rate * neuron->delta * nn->layers[i-1].neurons[k].output; neuron->weights[k] += delta_weight; } neuron->bias += learning_rate * neuron->delta; } } } //训练神经网络 void train_neural_network(neural_network_t *nn, double **inputs, double **targets, int num_examples, double learning_rate, int epochs) { for (int epoch = 0; epoch < epochs; epoch++) { double error = 0.0; for (int example = 0; example < num_examples; example++) { feed_forward(nn, inputs[example]); compute_output_error(nn, targets[example]); error += 0.5 * pow(targets[example][0] - nn->layers[nn->num_layers-1].neurons[0].output, 2); backpropagation(nn, targets[example], learning_rate); } printf("Epoch %d: error = %lf\n", epoch, error); } } //使用神经网络进行预测 double predict(neural_network_t *nn, double *inputs) { feed_forward(nn, inputs); return nn->layers[nn->num_layers-1].neurons[0].output; } ``` 2. ASO优化算法的实现 ```c //定义蚂蚁结构体 typedef struct ant { double *position; //位置 double *velocity; //速度 double *best_position; //最佳位置 double best_fitness; //最佳适应度 } ant_t; //初始化蚂蚁 void init_ant(ant_t *ant, int num_dimensions) { ant->position = (double *)malloc(num_dimensions * sizeof(double)); //动态分配位置数组 ant->velocity = (double *)malloc(num_dimensions * sizeof(double)); //动态分配速度数组 ant->best_position = (double *)malloc(num_dimensions * sizeof(double)); //动态分配最佳位置数组 for (int i = 0; i < num_dimensions; i++) { ant->position[i] = (double)rand() / RAND_MAX; //随机初始化位置 ant->velocity[i] = 0.0; //初始化速度为0 ant->best_position[i] = ant->position[i]; //最佳位置初始化为当前位置 } ant->best_fitness = DBL_MAX; //最佳适应度初始化为最大值 } //计算适应度 double fitness_function(ant_t *ant, neural_network_t *nn, double **inputs, double *targets, int num_examples) { double error = 0.0; for (int example = 0; example < num_examples; example++) { double output = predict(nn, inputs[example]); error += 0.5 * pow(targets[example] - output, 2); } return error; } //更新速度和位置 void update_velocity_and_position(ant_t *ant, ant_t *global_best_ant, double inertia_weight, double cognitive_weight, double social_weight) { for (int i = 0; i < num_dimensions; i++) { double r1 = (double)rand() / RAND_MAX; //随机数1 double r2 = (double)rand() / RAND_MAX; //随机数2 ant->velocity[i] = inertia_weight * ant->velocity[i] + cognitive_weight * r1 * (ant->best_position[i] - ant->position[i]) + social_weight * r2 * (global_best_ant->best_position[i] - ant->position[i]); ant->position[i] += ant->velocity[i]; if (ant->position[i] < 0.0) { ant->position[i] = 0.0; } else if (ant->position[i] > 1.0) { ant->position[i] = 1.0; } } } //ASO优化算法 void ASO(neural_network_t *nn, double **inputs, double *targets, int num_examples, int num_ants, int num_iterations, double inertia_weight, double cognitive_weight, double social_weight) { //初始化蚂蚁 ant_t *ants = (ant_t *)malloc(num_ants * sizeof(ant_t)); for (int i = 0; i < num_ants; i++) { init_ant(&ants[i], num_dimensions); } //计算适应度 double *fitness = (double *)malloc(num_ants * sizeof(double)); for (int i = 0; i < num_ants; i++) { fitness[i] = fitness_function(&ants[i], nn, inputs, targets, num_examples); if (fitness[i] < global_best_fitness) { global_best_fitness = fitness[i]; memcpy(global_best_position, ants[i].position, num_dimensions * sizeof(double)); } } //ASO优化循环 for (int iteration = 0; iteration < num_iterations; iteration++) { for (int i = 0; i < num_ants; i++) { update_velocity_and_position(&ants[i], &global_best_ant, inertia_weight, cognitive_weight, social_weight); double fitness_new = fitness_function(&ants[i], nn, inputs, targets, num_examples); if (fitness_new < fitness[i]) { fitness[i] = fitness_new; memcpy(ants[i].best_position, ants[i].position, num_dimensions * sizeof(double)); if (fitness_new < global_best_fitness) { global_best_fitness = fitness_new; memcpy(global_best_position, ants[i].position, num_dimensions * sizeof(double)); } } } } } ``` 将BP神经网络和ASO优化算法结合起来,可以实现ASO优化BP算法。 ```c int main() { srand(time(NULL)); //输入数据 double inputs[NUM_EXAMPLES][NUM_INPUTS] = { {0.0, 0.0}, {0.0, 1.0}, {1.0, 0.0}, {1.0, 1.0} }; //目标数据 double targets[NUM_EXAMPLES] = {0.0, 1.0, 1.0, 0.0}; //初始化神经网络 neural_network_t nn; init_neural_network(&nn, NUM_INPUTS, 1, 1, 4); //训练神经网络 train_neural_network(&nn, inputs, targets, NUM_EXAMPLES, LEARNING_RATE, EPOCHS); //ASO优化BP算法 ASO(&nn, inputs, targets, NUM_EXAMPLES, NUM_ANTS, NUM_ITERATIONS, INERTIA_WEIGHT, COGNITIVE_WEIGHT, SOCIAL_WEIGHT); //使用神经网络进行预测 for (int i = 0; i < NUM_EXAMPLES; i++) { double output = predict(&nn, inputs[i]); printf("Input: %lf %lf, Target: %lf, Output: %lf\n", inputs[i][0], inputs[i][1], targets[i], output); } return 0; } ```
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