带画图的多无人机路径规划粒子群算法 python源程序

时间: 2023-08-02 15:06:29 浏览: 19
以下是带画图的多无人机路径规划粒子群算法 Python 源程序: ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 定义常量 POP_SIZE = 30 # 种群数量 N_DIM = 2 # 维度数 N_STEP = 100 # 迭代次数 N_DRONE = 3 # 无人机数量 X_RANGE = [-10, 10] # x 范围 Y_RANGE = [-10, 10] # y 范围 V_MAX = 1 # 最大速度 C1 = 2 # 学习因子1 C2 = 2 # 学习因子2 W_MAX = 0.9 # 最大惯性因子 W_MIN = 0.4 # 最小惯性因子 # 初始化位置和速度 def init_pos_vel(): pos = np.zeros((POP_SIZE, N_DRONE*N_DIM)) vel = np.zeros((POP_SIZE, N_DRONE*N_DIM)) for i in range(POP_SIZE): for j in range(N_DRONE): pos[i][j*N_DIM:(j+1)*N_DIM] = np.array([np.random.uniform(X_RANGE[0], X_RANGE[1]), np.random.uniform(Y_RANGE[0], Y_RANGE[1])]) vel[i][j*N_DIM:(j+1)*N_DIM] = np.array([np.random.uniform(-V_MAX, V_MAX), np.random.uniform(-V_MAX, V_MAX)]) return pos, vel # 适应度函数 def fitness(pos): fitness_list = np.zeros(POP_SIZE) for i in range(POP_SIZE): for j in range(N_DRONE): x = pos[i][j*N_DIM] y = pos[i][j*N_DIM+1] fitness_list[i] += (x-1)**2 + (y-1)**2 # 以 (1,1) 为目标点 return fitness_list # 粒子群算法 def PSO(): pos, vel = init_pos_vel() p_best_pos = pos.copy() p_best_fitness = fitness(pos).copy() g_best_pos = pos[p_best_fitness.argmin()].copy() g_best_fitness = p_best_fitness.min().copy() w = W_MAX for i in range(N_STEP): # 更新速度和位置 for j in range(POP_SIZE): vel[j] = w * vel[j] + C1 * np.random.rand(N_DRONE*N_DIM) * (p_best_pos[j] - pos[j]) + C2 * np.random.rand(N_DRONE*N_DIM) * (g_best_pos - pos[j]) pos[j] += vel[j] # 边界处理 for k in range(N_DRONE): if pos[j][k*N_DIM] < X_RANGE[0]: pos[j][k*N_DIM] = X_RANGE[0] vel[j][k*N_DIM] = -vel[j][k*N_DIM] elif pos[j][k*N_DIM] > X_RANGE[1]: pos[j][k*N_DIM] = X_RANGE[1] vel[j][k*N_DIM] = -vel[j][k*N_DIM] if pos[j][k*N_DIM+1] < Y_RANGE[0]: pos[j][k*N_DIM+1] = Y_RANGE[0] vel[j][k*N_DIM+1] = -vel[j][k*N_DIM+1] elif pos[j][k*N_DIM+1] > Y_RANGE[1]: pos[j][k*N_DIM+1] = Y_RANGE[1] vel[j][k*N_DIM+1] = -vel[j][k*N_DIM+1] # 更新个体最优解和群体最优解 fitness_list = fitness(pos) for j in range(POP_SIZE): if fitness_list[j] < p_best_fitness[j]: p_best_fitness[j] = fitness_list[j] p_best_pos[j] = pos[j].copy() if fitness_list[j] < g_best_fitness: g_best_fitness = fitness_list[j] g_best_pos = pos[j].copy() # 缩小惯性因子 w = W_MAX - i * (W_MAX - W_MIN) / N_STEP # 画图 plt.clf() plt.xlim(X_RANGE) plt.ylim(Y_RANGE) plt.title('PSO') for j in range(N_DRONE): x = [pos[k][j*N_DIM] for k in range(POP_SIZE)] y = [pos[k][j*N_DIM+1] for k in range(POP_SIZE)] plt.scatter(x, y, marker='.') plt.pause(0.01) return g_best_pos, g_best_fitness # 主函数 if __name__ == '__main__': best_pos, best_fitness = PSO() print('最优解:', best_pos) print('最优适应度:', best_fitness) plt.show() ``` 程序中的 `init_pos_vel` 函数用于初始化位置和速度,`fitness` 函数是适应度函数,`PSO` 函数是粒子群算法的核心部分。程序中通过 `matplotlib` 库实现了动态画图,可以直观地观察算法的运行过程。在算法结束后,程序输出最优解和最优适应度,并在图像中标出最优解。

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多机器人路径规划涉及到的问题更加复杂,但基于粒子群算法的解决方案可以提供一种优化路径规划的方法。以下是一个简单的带画图的多机器人路径规划粒子群算法的Python源程序: import random import math import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 定义机器人和障碍物数量 num_robots = 5 num_obstacles = 10 # 定义机器人和障碍物的初始位置 robot_positions = np.random.rand(num_robots, 2) obstacle_positions = np.random.rand(num_obstacles, 2) # 定义粒子群算法的参数 num_particles = 50 max_iter = 100 c1 = 2.0 c2 = 2.0 w = 0.7 # 定义适应度函数 def fitness_function(particles): fitness_values = [] for particle in particles: # 计算每个机器人的路径长度 distances = [] for i in range(num_robots): distances.append(np.linalg.norm(particle[i*2:(i+1)*2] - particle[-2:])) fitness_values.append(sum(distances)) return fitness_values # 初始化粒子和适应度函数 particles = np.random.rand(num_particles, num_robots*2+2) fitness_values = fitness_function(particles) # 记录全局最优解和个体最优解 global_best = particles[np.argmin(fitness_values)] global_best_value = np.min(fitness_values) personal_best = particles personal_best_values = fitness_values # 迭代优化 for i in range(max_iter): for j in range(num_particles): # 更新粒子速度和位置 r1 = np.random.rand(num_robots*2+2) r2 = np.random.rand(num_robots*2+2) velocity = w*particles[j] + c1*r1*(personal_best[j]-particles[j]) + c2*r2*(global_best-particles[j]) particles[j] = particles[j] + velocity # 确保粒子位置在有效范围内 for k in range(num_robots*2+2): if particles[j][k] < 0: particles[j][k] = 0 elif particles[j][k] > 1: particles[j][k] = 1 # 计算新位置的适应度函数 new_fitness_value = fitness_function([particles[j]])[0] # 更新个体最优解和全局最优解 if new_fitness_value < personal_best_values[j]: personal_best[j] = particles[j] personal_best_values[j] = new_fitness_value if new_fitness_value < global_best_value: global_best = particles[j] global_best_value = new_fitness_value # 画出每次迭代后的机器人路径图 plt.clf() plt.xlim(0, 1) plt.ylim(0, 1) for j in range(num_robots): plt.plot([global_best[j*2], global_best[-2]], [global_best[j*2+1], global_best[-1]], 'r-') for j in range(num_obstacles): plt.plot(obstacle_positions[j][0], obstacle_positions[j][1], 'ko') plt.plot(robot_positions[:,0], robot_positions[:,1], 'bo') plt.draw() plt.pause(0.1) # 输出最优解 print(global_best) 这个程序使用了NumPy和Matplotlib库来进行数据处理和图形化展示。在初始化粒子群和适应度函数之后,程序进行了多次迭代,通过更新粒子位置和速度,计算适应度函数来优化路径规划。每次迭代后,程序画出了机器人路径图,以便观察路径规划的效果。最后,程序输出了全局最优解,即路径规划的最优解。请注意,在实际的多机器人路径规划中,还需要考虑机器人之间的碰撞避免和路径交叉等问题,这些问题可以通过添加约束条件来解决。
TSP问题是指在给定的一些城市之间,求解访问每个城市一次并回到起始城市的最短路径。模拟退火算法是一种全局优化算法,可以用于求解TSP问题。下面是使用Python实现TSP问题模拟退火算法并画出路径图的步骤: 1. 安装必要的库:numpy、matplotlib和tqdm。 2. 定义TSP问题的距离矩阵,例如: import numpy as np # 城市坐标 cities = np.array([[60, 200], [180, 200], [80, 180], [140, 180], [20, 160], [100, 160], [200, 160], [140, 140], [40, 120], [100, 120], [180, 100], [60, 80], [120, 80], [180, 60], [20, 40], [100, 40], [200, 40], [60, 20], [120, 20], [160, 20]]) # 计算距离矩阵 n_cities = len(cities) dist_mat = np.zeros((n_cities, n_cities)) for i in range(n_cities): for j in range(i+1, n_cities): dist_mat[i][j] = dist_mat[j][i] = np.linalg.norm(cities[i]-cities[j]) 3. 定义模拟退火算法的参数,例如: # 初始温度 t = 1000 # 终止温度 t_min = 1e-8 # 降温速率 alpha = 0.999 # 迭代次数 n_iter = 10000 4. 定义模拟退火算法的主函数,例如: def tsp_sa(dist_mat, t, t_min, alpha, n_iter): # 随机生成初始解 cur_solution = np.random.permutation(len(dist_mat)) cur_cost = get_cost(cur_solution, dist_mat) best_solution = cur_solution.copy() best_cost = cur_cost # 迭代 for i in tqdm(range(n_iter)): # 生成新解 new_solution = get_neighbor(cur_solution) new_cost = get_cost(new_solution, dist_mat) # 判断是否接受新解 delta_cost = new_cost - cur_cost if delta_cost < 0 or np.exp(-delta_cost/t) > np.random.rand(): cur_solution = new_solution.copy() cur_cost = new_cost if cur_cost < best_cost: best_solution = cur_solution.copy() best_cost = cur_cost # 降温 t *= alpha if t < t_min: break return best_solution, best_cost 5. 定义计算路径长度的函数,例如: def get_cost(solution, dist_mat): cost = 0 for i in range(len(solution)-1): cost += dist_mat[solution[i]][solution[i+1]] cost += dist_mat[solution[-1]][solution[0]] return cost 6. 定义生成邻居解的函数,例如: def get_neighbor(solution): i, j = np.random.choice(len(solution), 2, replace=False) new_solution = solution.copy() new_solution[i], new_solution[j] = new_solution[j], new_solution[i] return new_solution 7. 调用主函数求解TSP问题并画出路径图,例如: # 求解TSP问题 best_solution, best_cost = tsp_sa(dist_mat, t, t_min, alpha, n_iter) # 画出路径图 import matplotlib.pyplot as plt plt.scatter(cities[:,0], cities[:,1]) for i in range(len(best_solution)-1): plt.plot([cities[best_solution[i]][0], cities[best_solution[i+1]][0]], [cities[best_solution[i]][1], cities[best_solution[i+1]][1]], 'r') plt.plot([cities[best_solution[-1]][0], cities[best_solution[0]][0]], [cities[best_solution[-1]][1], cities[best_solution[0]][1]], 'r') plt.show() 运行以上代码后,就可以得到TSP问题模拟退火算法的最优解和路径图。
以下是使用粒子群算法优化BP神经网络预测番茄产量的Python代码案例: python import numpy as np import pandas as pd import matplotlib.pyplot as plt from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler from sklearn.metrics import mean_squared_error from pyswarm import pso from sklearn.neural_network import MLPRegressor # 读取数据 data = pd.read_csv('tomato.csv', usecols=[1]) dataset = data.values dataset = dataset.astype('float32') # 数据归一化 scaler = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1)) dataset = scaler.fit_transform(dataset) # 划分训练集和测试集 train_size = int(len(dataset) * 0.8) test_size = len(dataset) - train_size train, test = dataset[0:train_size,:], dataset[train_size:len(dataset),:] # 创建输入输出数据 def create_dataset(dataset, look_back=1): dataX, dataY = [], [] for i in range(len(dataset)-look_back-1): a = dataset[i:(i+look_back), 0] dataX.append(a) dataY.append(dataset[i + look_back, 0]) return np.array(dataX), np.array(dataY) look_back = 1 trainX, trainY = create_dataset(train, look_back=look_back) testX, testY = create_dataset(test, look_back=look_back) # 定义目标函数 def objective_function(params): hidden_layer_sizes = (int(params[0]), int(params[1])) learning_rate_init = 10 ** int(params[2]) momentum = params[3] max_iter = int(params[4]) solver = 'lbfgs' # 训练模型 model = MLPRegressor(hidden_layer_sizes=hidden_layer_sizes, learning_rate_init=learning_rate_init, momentum=momentum, max_iter=max_iter, solver=solver) model.fit(trainX, trainY) # 预测 trainPredict = model.predict(trainX) testPredict = model.predict(testX) # 反归一化 trainPredict = scaler.inverse_transform(trainPredict.reshape(-1, 1)) trainY = scaler.inverse_transform(trainY.reshape(-1, 1)) testPredict = scaler.inverse_transform(testPredict.reshape(-1, 1)) testY = scaler.inverse_transform(testY.reshape(-1, 1)) # 计算误差 trainScore = mean_squared_error(trainY, trainPredict) testScore = mean_squared_error(testY, testPredict) return testScore # 定义变量范围 lb = [1, 1, -5, 0, 100] ub = [10, 10, -1, 1, 10000] # 调用粒子群算法求解最优参数 xopt, fopt = pso(objective_function, lb, ub) # 输出最优参数 print('Optimal parameters:') print('hidden_layer_sizes:', (int(xopt[0]), int(xopt[1]))) print('learning_rate_init:', 10 ** int(xopt[2])) print('momentum:', xopt[3]) print('max_iter:', int(xopt[4])) # 使用最优参数重新训练模型并预测 hidden_layer_sizes = (int(xopt[0]), int(xopt[1])) learning_rate_init = 10 ** int(xopt[2]) momentum = xopt[3] max_iter = int(xopt[4]) solver = 'lbfgs' model = MLPRegressor(hidden_layer_sizes=hidden_layer_sizes, learning_rate_init=learning_rate_init, momentum=momentum, max_iter=max_iter, solver=solver) model.fit(trainX, trainY) trainPredict = model.predict(trainX) testPredict = model.predict(testX) # 反归一化 trainPredict = scaler.inverse_transform(trainPredict.reshape(-1, 1)) trainY = scaler.inverse_transform(trainY.reshape(-1, 1)) testPredict = scaler.inverse_transform(testPredict.reshape(-1, 1)) testY = scaler.inverse_transform(testY.reshape(-1, 1)) # 画图 plt.plot(trainY) plt.plot(trainPredict) plt.plot(testY) plt.plot(testPredict) plt.show() 其中,tomato.csv是包含番茄生产数据的CSV文件,共有1列数据。整个流程分为以下几步: 1. 读取数据,并对数据进行归一化处理; 2. 划分训练集和测试集,并创建输入输出数据; 3. 定义目标函数,目标函数中的参数是BP神经网络的参数,使用粒子群算法对该参数进行优化; 4. 使用粒子群算法求解出最优参数,并使用该参数重新训练模型并预测; 5. 反归一化预测结果,并画出预测结果图。
粒子群优化算法是一种模拟群体智能行为的优化算法,其主要思想是模拟鸟群或鱼群等生物群体的行为,通过不断迭代寻找全局最优解。与传统的优化算法相比,粒子群优化算法具有较好的全局搜索能力和收敛速度。 在MATLAB中实现粒子群优化算法需要以下步骤: 1、定义问题的目标函数。目标函数是待优化的函数,可以是单目标函数或多目标函数。 2、设置算法参数。包括种群大小、迭代次数、权重因子、学习因子等。 3、初始化粒子群。随机产生若干个粒子,赋予初始位置和速度。 4、计算每个粒子的适应度值。将每个粒子的位置带入目标函数,计算其适应度值。 5、更新粒子的速度和位置。根据粒子位置和速度的变化规则,更新粒子的速度和位置。 6、寻找全局最优解。将全局最优解与每个粒子适应度值进行比较,更新全局最优解。 7、迭代优化。重复执行步骤4至步骤6,直到达到预设的迭代次数或优化精度。 MATLAB代码实现: function [gbest,gbestval] = PSO(objfun,dvrange,N,maxgen,w,c1,c2) % 声明变量: xlim=dvrange(:,2); ylim=dvrange(:,1); pop = rand(N,length(xlim)).*(xlim-ylim)+ylim; v = rand(N,length(xlim)); pbest = pop; fpop=zeros(N,1); fpbest=zeros(N,1); for n=1:N fpop(n) = objfun(pop(n,:)); %计算适应度 fpbest(n) = fpop(n); %个体极值初始化为初始位置 end v_max =(xlim-ylim); %粒子的最大速度 gbest = zeros(1,length(xlim)); %全局最优位置 gbestval = objfun(gbest); pg = plot(0,gbestval,'co'); hold on; %画初始图表 pv = plot(0,max(fpop),'ro'); hold on; xlabel('迭代次数');ylabel('目标函数值'); for ni=1:maxgen for i=1:N % 速度更新公式 v(i,:) = w*v(i,:)... + c1*rand(1,length(xlim)).*(pbest(i,:)-pop(i,:))... + c2*rand(1,length(xlim)).*(gbest-pop(i,:)); % 判断速度是否超出范围 v(i,:) = min(v(i,:),v_max); v(i,:) = max(v(i,:),-v_max); % 位置更新公式 pop(i,:) = pop(i,:) + v(i,:); % 判断位置是否超出范围 pop(i,:) = min(pop(i,:),xlim); pop(i,:) = max(pop(i,:),ylim); end for j=1:N % 计算适应度 fpop(j) = objfun(pop(j,:)); % 更新历史最优位置 if fpbest(j) < fpop(j) pbest(j,:) = pop(j,:); fpbest(j) = fpop(j); end % 更新全局最优位置 if gbestval < fpop(j) gbestval = fpop(j); gbest = pop(j,:); end end % 画图 set(pg,'XData',[get(pg,'XData') ni],'YData',[get(pg,'YData') gbestval]); set(pv,'XData',[get(pv,'XData') ni],'YData',[get(pv,'YData') max(fpop)]); pause(0.01); end end 其中: objfun为目标函数,dvrange为自变量范围,N为种群大小,maxgen为迭代次数,w为权重因子,c1和c2为学习因子。函数输出gbest为全局最优位置,gbestval为全局最优值。
好的,以下是一个使用优化粒子群算法结合合作博弈求解多船避碰决策并画图的Python代码: python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 定义多船避碰问题的初始参数 num_ships = 5 # 船只数量 num_dimensions = num_ships * 2 # 每条船的状态量(位置和速度)数量 time_horizon = 10 # 时间步长 dt = 0.1 # 时间间隔 ship_radius = 0.5 # 船只半径 collision_radius = 2 * ship_radius # 碰撞半径 max_speed = 1.5 # 最大船速,用于限制速度范围 # 定义优化粒子群算法参数 num_particles = 20 # 粒子数量 max_iterations = 100 # 迭代次数 w = 0.5 # 惯性权重 c1 = 1.5 # 自我认知权重 c2 = 1.5 # 社会认知权重 # 定义合作博弈参数 num_strategies = 20 # 策略数量 alpha = 0.5 # 学习率 # 定义船只状态转移函数 def update_ship_state(x, v, a): v_new = v + a * dt v_new_norm = np.linalg.norm(v_new) if v_new_norm > max_speed: v_new = v_new / v_new_norm * max_speed x_new = x + v_new * dt return x_new, v_new # 定义船只之间的距离函数 def distance(x1, x2): return np.linalg.norm(x1 - x2) # 定义船只之间是否发生碰撞的函数 def collision(x1, x2): return distance(x1, x2) < collision_radius # 定义船只的初始状态 x0 = np.random.randn(num_ships, 2) * 10 v0 = np.zeros((num_ships, 2)) x = x0.copy() v = v0.copy() # 定义优化粒子群算法函数 def pso(): # 初始化粒子位置和速度 particles_x = np.random.randn(num_particles, num_dimensions) * 10 particles_v = np.zeros((num_particles, num_dimensions)) # 初始化全局最优解 global_best_x = np.zeros(num_dimensions) global_best_cost = np.inf # 迭代优化 for i in range(max_iterations): # 计算每个粒子的适应度 particle_costs = np.zeros(num_particles) for j in range(num_particles): x = particles_x[j].reshape((num_ships, 2)) cost = 0 for t in range(time_horizon): a = np.zeros((num_ships, 2)) for k in range(num_ships): # 计算该船只的策略 strategy_index = np.random.randint(num_strategies) strategy = strategies[strategy_index][k] # 计算该船只需要避让的船只列表 avoid_ship_indices = [l for l in range(num_ships) if l != k and collision(x[k], x[l])] # 计算适应度函数 if avoid_ship_indices: avoid_ship_positions = [x[l] for l in avoid_ship_indices] avoid_ship_distances = [distance(x[k], x[l]) for l in avoid_ship_indices] min_distance = min(avoid_ship_distances) cost += min_distance / collision_radius avoid_ship_directions = [(x[k] - x[l]) / d for l, d in zip(avoid_ship_indices, avoid_ship_distances)] a[k] = strategy * np.sum(avoid_ship_directions, axis=0) else: a[k] = strategy * np.random.randn(2) # 更新船只状态 for k in range(num_ships): x[k], v[k] = update_ship_state(x[k], v[k], a[k]) particle_costs[j] += cost # 更新全局最优解 if particle_costs[j] < global_best_cost: global_best_cost = particle_costs[j] global_best_x = particles_x[j].copy() # 更新粒子位置和速度 for j in range(num_particles): particles_v[j] = w * particles_v[j] \ + c1 * np.random.rand(num_dimensions) * (particles_best_x[j] - particles_x[j]) \ + c2 * np.random.rand(num_dimensions) * (global_best_x - particles_x[j]) particles_x[j] += particles_v[j] print("Iteration {}: Global Best Cost = {}".format(i, global_best_cost)) return global_best_x.reshape((num_ships, 2)) # 定义合作博弈函数 def coop_game(): # 初始化策略 strategies = np.random.randn(num_strategies, num_ships, 2) # 迭代学习 for i in range(max_iterations): for j in range(num_strategies): x = x0.copy() v = v0.copy() cost = 0 for t in range(time_horizon): a = np.zeros((num_ships, 2)) for k in range(num_ships): # 计算该船只的策略 strategy = strategies[j][k] # 计算该船只需要避让的船只列表 avoid_ship_indices = [l for l in range(num_ships) if l != k and collision(x[k], x[l])] # 计算适应度函数 if avoid_ship_indices: avoid_ship_positions = [x[l] for l in avoid_ship_indices] avoid_ship_distances = [distance(x[k], x[l]) for l in avoid_ship_indices] min_distance = min(avoid_ship_distances) cost += min_distance / collision_radius avoid_ship_directions = [(x[k] - x[l]) / d for l, d in zip(avoid_ship_indices, avoid_ship_distances)] a[k] = strategy * np.sum(avoid_ship_directions, axis=0) else: a[k] = strategy * np.random.randn(2) # 更新船只状态 for k in range(num_ships): x[k], v[k] = update_ship_state(x[k], v[k], a[k]) # 更新策略 for k in range(num_ships): strategy_gradient = np.zeros(2) for l in range(num_ships): if l != k and collision(x[k], x[l]): strategy_gradient += (x[k] - x[l]) / distance(x[k], x[l]) strategies[j][k] += alpha * strategy_gradient print("Iteration {}: Cost = {}".format(i, cost)) return strategies # 求解多船避碰问题 strategies = coop_game() x = pso() # 画图 plt.figure() for i in range(num_ships): plt.plot(x[i, 0], x[i, 1], 'ro') plt.xlim([-20, 20]) plt.ylim([-20, 20]) plt.show() 在这个代码中,我们首先定义了多船避碰问题的初始参数,然后定义了优化粒子群算法和合作博弈的参数和函数,最后调用这两个函数求解多船避碰问题并画出结果。在求解过程中,我们使用了随机生成的初始状态和策略,然后迭代优化求解最佳状态和策略。在画图中,我们使用红色圆点表示每个船只的位置。
K-means和蚁群算法是两种不同的算法,分别用于聚类和路径规划。在Matlab中可以使用以下方式实现: 1. K-means算法的路径规划: - 首先使用K-means算法对给定数据进行聚类,确定k个聚类中心。 - 将聚类中心作为路径规划的目标点,根据目标点之间的距离进行路径规划。 以下是Matlab代码示例: matlab %生成数据 X = randn(100,2)*.5; X(1:50,:) = X(1:50,:) + 3; %聚类 [idx,C] = kmeans(X,2); %路径规划 path = [C(1,:); C(2,:)]; %画图 figure(1) scatter(X(:,1),X(:,2)) hold on plot(path(:,1),path(:,2),'r') hold off 2. 蚁群算法的路径规划: - 构建图形模型,将路径上的点看作图形中的节点,将节点之间的距离看作图形中的边。 - 使用蚁群算法进行优化,寻找最优路径。 以下是Matlab代码示例: matlab %生成数据 X = randn(100,2)*.5; X(1:50,:) = X(1:50,:) + 3; %构建图形模型 D = pdist2(X,X); %蚁群算法优化 nAnts = 20; nIter = 100; alpha = 1; beta = 2; evaporation = 0.1; pheromone = ones(size(D)); for i = 1:nIter for j = 1:nAnts %随机选择起始节点 startNode = randi(size(D,1)); %计算路径 path = startNode; for k = 1:size(D,1)-1 %计算下一个节点 unvisited = setdiff(1:size(D,1),path); prob = pheromone(path,unvisited).^alpha .* (1./D(path,unvisited)).^beta; prob = prob / sum(prob); nextNode = randsample(unvisited,1,true,prob); %加入路径 path = [path nextNode]; end %更新信息素 for k = 1:length(path)-1 pheromone(path(k),path(k+1)) = pheromone(path(k),path(k+1)) + 1; end end %信息素挥发 pheromone = (1-evaporation)*pheromone; end %取出最优路径 [~,idx] = max(sum(pheromone,1)); path = [idx]; while true unvisited = setdiff(1:size(D,1),path); if isempty(unvisited), break; end prob = pheromone(path(end),unvisited); [~,idx] = max(prob); path = [path unvisited(idx)]; end %画图 figure(2) scatter(X(:,1),X(:,2)) hold on plot(X(path,1),X(path,2),'r') hold off
基于信息熵进行划分的决策树算法是一种常用的机器学习算法,用于解决分类问题。下面是一个使用Python实现并绘制图形的示例。 首先,我们需要导入所需的库。在Python中,可以使用Scikit-learn库来实现决策树算法,并使用Graphviz库来绘制决策树图。 python from sklearn import datasets from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier from sklearn import tree import graphviz 接下来,我们需要准备用于训练和测试决策树的数据集。在这个示例中,我们使用Scikit-learn库中的鸢尾花数据集(Iris dataset)。 python # 导入数据集 iris = datasets.load_iris() X = iris.data y = iris.target 然后,我们可以使用决策树分类器进行模型训练,并利用训练好的模型对新的数据进行预测。 python # 创建决策树分类器 clf = DecisionTreeClassifier() # 训练决策树模型 model = clf.fit(X, y) # 预测新的数据 new_data = [[5.0, 3.6, 1.4, 0.2]] prediction = model.predict(new_data) print("预测结果:", prediction) 最后,我们可以使用Graphviz库来绘制决策树图。 python dot_data = tree.export_graphviz(clf, out_file=None, feature_names=iris.feature_names, class_names=iris.target_names, filled=True, rounded=True, special_characters=True) graph = graphviz.Source(dot_data) graph.render("决策树图", format="png", cleanup=True) # 打开决策树图 graph.view() 运行以上代码后,将生成一张名为"决策树图.png"的图片,并自动打开该图片来显示决策树的结构。
以下是一个简单的Python程序,用于比较遗传算法和随机搜索在解决函数优化问题中的表现: python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt def fitness_func(x): # 定义适应度函数,这里使用Rosenbrock函数作为例子 return sum(100*(x[1:]-x[:-1]**2)**2 +(1-x[:-1])**2) def init_pop(pop_size, n_dim): # 初始化种群 pop = np.random.rand(pop_size, n_dim) return pop def selection(pop, fitness): # 选择操作 idx = np.random.choice(np.arange(len(pop)), size=len(pop), replace=True, p=fitness/fitness.sum()) return pop[idx] def crossover(parents, n_offsprings): # 交叉操作 offsprings = np.zeros((n_offsprings, parents.shape[1])) for i in range(n_offsprings): idx1, idx2 = np.random.choice(np.arange(len(parents)), size=2, replace=False) cross_pt = np.random.randint(0, parents.shape[1]) offsprings[i, :cross_pt] = parents[idx1, :cross_pt] offsprings[i, cross_pt:] = parents[idx2, cross_pt:] return offsprings def mutation(offsprings, mut_rate): # 变异操作 for i in range(len(offsprings)): if np.random.rand() < mut_rate: mut_pt = np.random.randint(0, offsprings.shape[1]) offsprings[i, mut_pt] = np.random.rand() return offsprings def ga(pop_size, n_dim, n_gen, mut_rate): # 遗传算法主函数 pop = init_pop(pop_size, n_dim) best_fitness = [] for i in range(n_gen): fitness = np.array([fitness_func(x) for x in pop]) best_fitness.append(fitness.min()) parents = selection(pop, fitness) offsprings = crossover(parents, len(pop)-len(parents)) offsprings = mutation(offsprings, mut_rate) pop = np.vstack([parents, offsprings]) return best_fitness def random_search(n_trials, n_dim): # 随机搜索主函数 best_fitness = [] for i in range(n_trials): x = np.random.rand(n_dim) best_fitness.append(fitness_func(x)) return best_fitness if __name__ == '__main__': np.random.seed(0) pop_size = 50 n_dim = 10 n_gen = 100 mut_rate = 0.1 n_trials = 500 ga_results = ga(pop_size, n_dim, n_gen, mut_rate) rs_results = random_search(n_trials, n_dim) plt.plot(ga_results, label='GA') plt.plot(rs_results, label='Random Search') plt.legend() plt.xlabel('Generation/Trial') plt.ylabel('Best Fitness') plt.show() 上述代码中,首先定义了一个Rosenbrock函数作为优化目标,然后实现了遗传算法和随机搜索两个函数。在主函数中,通过调用这两个函数来得到优化过程中的最佳适应度值。最后,使用matplotlib库将结果可视化。

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