在python中用遗传算法求解传教士和野人渡河问题并且图形化表示

时间: 2023-09-23 07:13:02 浏览: 38
传教士和野人渡河问题是一个经典的人工智能问题,可以使用遗传算法进行求解。下面是一个简单的实现例子: 首先定义遗传算法的参数和目标函数: ``` import random POPULATION_SIZE = 50 MUTATION_RATE = 0.1 GENERATIONS = 100 MAX_MOVES = 100 def fitness(chromosome): # chromosome is a list of moves # each move is a tuple (m, c, b) # m is the number of missionaries on the left bank # c is the number of cannibals on the left bank # b is the position of the boat (0 for left, 1 for right) # the goal is to get all missionaries and cannibals to the right bank # without ever having more cannibals than missionaries on either bank moves = [(3, 3, 0)] + chromosome + [(0, 0, 1)] left_bank = (3, 3) right_bank = (0, 0) for i in range(len(moves) - 1): m1, c1, b1 = moves[i] m2, c2, b2 = moves[i + 1] if b1 == 0: left_bank = (left_bank[0] - m1, left_bank[1] - c1) else: right_bank = (right_bank[0] - m1, right_bank[1] - c1) if b2 == 0: left_bank = (left_bank[0] + m2, left_bank[1] + c2) else: right_bank = (right_bank[0] + m2, right_bank[1] + c2) if left_bank[0] < 0 or left_bank[1] < 0 or right_bank[0] < 0 or right_bank[1] < 0: # illegal move, return low fitness return 0 if left_bank[0] > 0 and left_bank[0] < left_bank[1]: # more cannibals than missionaries on left bank, return low fitness return 0 if right_bank[0] > 0 and right_bank[0] < right_bank[1]: # more cannibals than missionaries on right bank, return low fitness return 0 # all moves are legal and goal is reached, return high fitness return 1 ``` 然后定义遗传算法的主要函数: ``` def crossover(parent1, parent2): # single-point crossover point = random.randint(1, len(parent1) - 2) child1 = parent1[:point] + parent2[point:] child2 = parent2[:point] + parent1[point:] return child1, child2 def mutate(chromosome): # random mutation of a single move i = random.randint(1, len(chromosome) - 2) m, c, b = chromosome[i] if random.random() < 0.5: m += random.randint(-1, 1) else: c += random.randint(-1, 1) b = 1 - b return chromosome[:i] + [(m, c, b)] + chromosome[i+1:] def select(population): # tournament selection tournament = random.sample(population, 3) tournament.sort(key=lambda x: fitness(x), reverse=True) return tournament[0] def evolve(): # initialize population population = [[(0, 0, 0)] + [(1, 1, 0)] * (MAX_MOVES // 2) + [(0, 0, 1)] for _ in range(POPULATION_SIZE)] for generation in range(GENERATIONS): # evaluate fitness of population fitnesses = [fitness(chromosome) for chromosome in population] best_fitness = max(fitnesses) best_chromosome = population[fitnesses.index(best_fitness)] print("Generation", generation, "Best fitness", best_fitness) # select parents for crossover parents = [select(population) for _ in range(POPULATION_SIZE)] # create new population through crossover and mutation new_population = [] for i in range(POPULATION_SIZE // 2): parent1 = parents[i] parent2 = parents[i + POPULATION_SIZE // 2] child1, child2 = crossover(parent1, parent2) if random.random() < MUTATION_RATE: child1 = mutate(child1) if random.random() < MUTATION_RATE: child2 = mutate(child2) new_population.append(child1) new_population.append(child2) population = new_population # return best solution return best_chromosome ``` 最后可以将结果可视化,例如: ``` import matplotlib.pyplot as plt solution = evolve() moves = [(3, 3, 0)] + solution + [(0, 0, 1)] left_bank = [(3, 3)] right_bank = [(0, 0)] boat = [0] for i in range(len(moves) - 1): m1, c1, b1 = moves[i] m2, c2, b2 = moves[i + 1] if b1 == 0: left_bank.append((left_bank[-1][0] - m1, left_bank[-1][1] - c1)) else: right_bank.append((right_bank[-1][0] - m1, right_bank[-1][1] - c1)) if b2 == 0: left_bank.append((left_bank[-1][0] + m2, left_bank[-1][1] + c2)) else: right_bank.append((right_bank[-1][0] + m2, right_bank[-1][1] + c2)) boat.append(b2) plt.plot([i for i in range(len(left_bank))], [b[0] for b in left_bank], label="Missionaries") plt.plot([i for i in range(len(left_bank))], [b[1] for b in left_bank], label="Cannibals") plt.plot([i for i in range(len(right_bank))], [b[0] for b in right_bank], label="Missionaries") plt.plot([i for i in range(len(right_bank))], [b[1] for b in right_bank], label="Cannibals") for i in range(len(boat)): if boat[i] == 0: plt.plot([i, i+1], [0.5, 0.5], color="black") plt.legend() plt.show() ``` 这个例子只是一个简单的实现,还有很多改进的空间,例如添加更复杂的变异操作,使用更高级的选择算法等等。

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