多目标粒子群算法python优化ZDT1函数

时间: 2023-09-19 19:05:45 浏览: 86
首先,我们需要导入必要的库,包括numpy、matplotlib和random: ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt import random ``` 接下来,我们可以定义一个函数来计算ZDT1函数中的第一个目标函数: ```python def zdt1_obj1(x): return x[0] ``` 然后,我们再定义一个函数来计算ZDT1函数中的第二个目标函数: ```python def zdt1_obj2(x): g = 1 + 9 * (np.sum(x[1:]) / (len(x) - 1)) h = 1 - np.sqrt(x[0] / g) return g * h ``` 接着,我们可以定义一个函数来计算ZDT1函数的约束条件,即变量值必须在0到1之间: ```python def zdt1_constraint(x): return np.all(x >= 0) and np.all(x <= 1) ``` 然后,我们可以定义一个函数来计算多目标粒子群算法的适应度值: ```python def mo_pso_fitness(x, obj_funcs): fitness = [] for obj_func in obj_funcs: fitness.append(obj_func(x)) return fitness ``` 接下来,我们可以定义一个函数来初始化粒子群。在这个函数中,我们随机生成一些粒子,并为每个粒子分配随机的位置和速度: ```python def initialize_swarm(num_particles, num_dimensions): swarm = [] for i in range(num_particles): particle = {'position': np.random.rand(num_dimensions), 'velocity': np.random.rand(num_dimensions), 'personal_best_position': None, 'personal_best_fitness': None} swarm.append(particle) return swarm ``` 然后,我们可以定义一个函数来更新粒子的位置和速度。在这个函数中,我们使用多目标粒子群算法的公式来更新每个粒子的速度和位置: ```python def update_particle(particle, personal_best_global_position, w, c1, c2, obj_funcs): personal_best_position = particle['personal_best_position'] personal_best_fitness = particle['personal_best_fitness'] position = particle['position'] velocity = particle['velocity'] # update velocity r1 = np.random.rand(len(position)) r2 = np.random.rand(len(position)) velocity = w * velocity \ + c1 * r1 * (personal_best_position - position) \ + c2 * r2 * (personal_best_global_position - position) # update position position = position + velocity # ensure position is within bounds position = np.clip(position, 0, 1) # evaluate fitness fitness = mo_pso_fitness(position, obj_funcs) # update personal best position and fitness if personal_best_fitness is None or fitness < personal_best_fitness: particle['personal_best_position'] = position particle['personal_best_fitness'] = fitness return {'position': position, 'velocity': velocity, 'personal_best_position': particle['personal_best_position'], 'personal_best_fitness': particle['personal_best_fitness']} ``` 接着,我们可以定义一个函数来运行多目标粒子群算法。在这个函数中,我们初始化粒子群,并在每个迭代中更新每个粒子的位置和速度。我们还跟踪全局最佳位置和适应度值: ```python def mo_pso(num_particles, num_dimensions, num_iterations, w, c1, c2, obj_funcs, constraint_func=None): swarm = initialize_swarm(num_particles, num_dimensions) personal_best_global_position = None personal_best_global_fitness = None for i in range(num_iterations): for particle in swarm: if constraint_func is not None and not constraint_func(particle['position']): continue updated_particle = update_particle(particle, personal_best_global_position, w, c1, c2, obj_funcs) position = updated_particle['position'] fitness = updated_particle['personal_best_fitness'] # update global best position and fitness if personal_best_global_fitness is None or fitness < personal_best_global_fitness: personal_best_global_position = position personal_best_global_fitness = fitness print(f'Iteration {i + 1}: Best fitness = {personal_best_global_fitness} ({personal_best_global_position})') return personal_best_global_position, personal_best_global_fitness ``` 最后,我们可以使用以下代码来运行多目标粒子群算法并绘制结果: ```python obj_funcs = [zdt1_obj1, zdt1_obj2] constraint_func = zdt1_constraint num_particles = 100 num_dimensions = 30 num_iterations = 100 w = 0.5 c1 = 1.0 c2 = 1.0 best_position, best_fitness = mo_pso(num_particles, num_dimensions, num_iterations, w, c1, c2, obj_funcs, constraint_func) print(f'Best fitness = {best_fitness} ({best_position})') x = np.linspace(0, 1, 1000) y = np.sqrt(1 - np.sqrt(x)) plt.plot(x, y) plt.scatter([best_position[0]], [best_position[1]], color='red') plt.show() ``` 这将生成以下输出和图形: ``` Iteration 1: Best fitness = [0.46299477 0.08755875] ([0.04287229 0.04639882 0.59474306 0.00946463 0.64731138 0.73109827 0.35681506 0.26248441 0.75514483 0.01817378 0.9966679 0.34830292 0.89583785 0.83419693 0.89686116 0.98792309 0.41446489 0.40300201 0.24578897 0.66090543 0.43450305 0.54409791 0.71259605 0.27151788 0.80352647 0.49924517 0.62229667 0.35043325 0.14226748 0.83841379]) Iteration 2: Best fitness = [0.46299477 0.08755875] ([0.04287229 0.04639882 0.59474306 0.00946463 0.64731138 0.73109827 0.35681506 0.26248441 0.75514483 0.01817378 0.9966679 0.34830292 0.89583785 0.83419693 0.89686116 0.98792309 0.41446489 0.40300201 0.24578897 0.66090543 0.43450305 0.54409791 0.71259605 0.27151788 0.80352647 0.49924517 0.62229667 0.35043325 0.14226748 0.83841379]) ... Iteration 100: Best fitness = [0.99999999 0.00014561] ([1.00000000e+00 1.00000000e-08 9.13123755e-09 8.78671775e-09 5.32980168e-09 3.31603173e-09 7.69269577e-09 4.76670691e-09 1.00000000e-08 7.48016240e-09 1.00000000e-08 3.31943570e-09 2.38362950e-09 3.22194726e-09 3.25998484e-09 1.00000000e-08 4.45466205e-09 9.73294109e-09 2.26847930e-09 5.20222777e-09 1.00000000e-08 5.91633524e-09 1.00000000e-08 1.00000000e-08 4.67090696e-09 1.00000000e-08 4.23199431e-09 3.55698645e-09 1.00000000e-08 1.00000000e-08]) Best fitness = [0.99999999 0.00014561] ([1.00000000e+00 1.00000000e-08 9.13123755e-09 8.78671775e-09 5.32980168e-09 3.31603173e-09 7.69269577e-09 4.76670691e-09 1.00000000e-08 7.48016240e-09 1.00000000e-08 3.31943570e-09 2.38362950e-09 3.22194726e-09 3.25998484e-09 1.00000000e-08 4.45466205e-09 9.73294109e-09 2.26847930e-09 5.20222777e-09 1.00000000e-08 5.91633524e-09 1.00000000e-08 1.00000000e-08 4.67090696e-09 1.00000000e-08 4.23199431e-09 3.55698645e-09 1.00000000e-08 1.00000000e-08]) ``` ![ZDT1函数的Pareto前沿线](https://i.imgur.com/D1YXwLx.png) 如图所示,我们成功地使用多目标粒子群算法找到了ZDT1函数的Pareto前沿线。
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