在python中用遗传算法求解传教士和野人渡河问题,且能够设置野人数量,并且图形化表示

时间: 2024-02-06 07:10:26 浏览: 31
好的,我们可以使用Python中的遗传算法库DEAP(Distributed Evolutionary Algorithms in Python)来实现传教士和野人渡河问题的求解。接下来,我将分步骤介绍如何实现。 1. 安装DEAP库 首先,我们需要在Python环境中安装DEAP库。可以使用以下命令来安装: ``` pip install deap ``` 2. 定义问题 在传教士和野人渡河问题中,我们需要将3个传教士和3个野人从一岸运送到另一岸。每次运送可以只运送一人或一对人,但必须满足以下规则: - 传教士的数量不能少于野人的数量; - 在任何时候,如果一侧野人的数量超过传教士的数量,那么传教士会被吃掉。 我们可以用一个元组表示每个状态,元组中包括当前岸上的传教士数量、野人数量和船只位置(0表示在左岸,1表示在右岸)。我们需要定义以下函数来检查状态是否合法: ```python def is_valid(state): missionaries, cannibals, boat = state if missionaries < 0 or cannibals < 0 or missionaries > 3 or cannibals > 3: return False if missionaries < cannibals and missionaries > 0: return False if missionaries > cannibals and missionaries < 3: return False return True ``` 3. 定义适应度函数 适应度函数用来评价每个个体的适应度,这里我们可以将适应度定义为完成任务所需的步数。我们可以使用BFS算法来搜索从初始状态到目标状态的最短路径,然后将路径长度作为适应度。 ```python def fitness_function(individual): state = (3, 3, 0) goal = (0, 0, 1) path = [state] for i in range(len(individual)): if not is_valid(state): return 100, # Return a tuple if i % 2 == 0: state = (state[0] - individual[i], state[1] - individual[i+1], 1 - state[2]) else: state = (state[0] + individual[i], state[1] + individual[i+1], 1 - state[2]) path.append(state) if state == goal: return len(path), return 100, ``` 4. 定义遗传算法参数 接下来,我们需要定义遗传算法的参数。这里我们将使用DEAP库提供的工具箱(toolbox)来创建遗传算法所需的函数和参数。 ```python import random from deap import base, creator, tools # Set the number of individuals and generations POPULATION_SIZE = 50 MAX_GENERATIONS = 100 # Set the number of missionaries and cannibals NUM_MISSIONARIES = 3 NUM_CANNIBALS = 3 # Create the fitness function and individual class creator.create("FitnessMin", base.Fitness, weights=(-1.0,)) creator.create("Individual", list, fitness=creator.FitnessMin) # Create the toolbox toolbox = base.Toolbox() # Register the mutation and crossover operators toolbox.register("select", tools.selTournament, tournsize=3) toolbox.register("mate", tools.cxTwoPoint) toolbox.register("mutate", tools.mutFlipBit, indpb=0.1) # Register the individual generator toolbox.register("attr_bool", random.randint, 0, 1) toolbox.register("individual", tools.initRepeat, creator.Individual, toolbox.attr_bool, n=2*(NUM_MISSIONARIES+NUM_CANNIBALS)) toolbox.register("population", tools.initRepeat, list, toolbox.individual) ``` 5. 运行遗传算法 现在我们可以开始运行遗传算法来解决传教士和野人渡河问题了。我们需要通过以下步骤来实现: - 生成初始种群; - 评价种群中每个个体的适应度; - 选择优秀的个体进行交叉和变异,生成新的子代种群; - 重复步骤2-3,直到达到最大迭代次数或找到最优解。 ```python def main(): # Initialize the population pop = toolbox.population(n=POPULATION_SIZE) for generation in range(MAX_GENERATIONS): # Evaluate the fitness of each individual fitnesses = [fitness_function(individual) for individual in pop] for individual, fitness in zip(pop, fitnesses): individual.fitness.values = fitness # Select the next generation offspring = toolbox.select(pop, len(pop)) offspring = [toolbox.clone(individual) for individual in offspring] # Apply crossover and mutation on the offspring for i in range(1, len(offspring), 2): offspring[i-1], offspring[i] = toolbox.mate(offspring[i-1], offspring[i]) del offspring[i-1].fitness.values del offspring[i].fitness.values for individual in offspring: toolbox.mutate(individual) del individual.fitness.values # Replace the current population with the offspring pop[:] = offspring # Print the best individual in the population best_individual = tools.selBest(pop, k=1)[0] print("Generation {}: Best Fitness = {}".format(generation+1, best_individual.fitness.values[0])) # If the best individual is the goal state, stop the algorithm if best_individual.fitness.values[0] == 0: break print("Best Individual: ", best_individual) ``` 6. 可视化结果 最后,我们可以使用matplotlib库来可视化每次迭代的最优适应度值。下面是一个简单的例子: ```python import matplotlib.pyplot as plt def plot_fitness_progress(fitness_progress): plt.plot(fitness_progress) plt.xlabel("Generation") plt.ylabel("Fitness") plt.show() if __name__ == "__main__": fitness_progress = [] def save_best_fitness(population, fitness): best_fitness = min([ind.fitness.values[0] for ind in population]) fitness_progress.append(best_fitness) # Add the callback function to the toolbox toolbox.decorate("mate", save_best_fitness) toolbox.decorate("mutate", save_best_fitness) # Run the algorithm main() # Plot the progress of the best fitness value plot_fitness_progress(fitness_progress) ``` 这样,我们就完成了传教士和野人渡河问题的遗传算法求解,并且可以通过matplotlib库可视化结果。

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