请编写一个免疫遗传算法优化BP神经网络的代码框架

时间: 2024-05-11 08:20:25 浏览: 169
以下是一个免疫遗传算法优化BP神经网络的代码框架,供参考: ```python import numpy as np from sklearn.datasets import make_classification from sklearn.model_selection import train_test_split from sklearn.metrics import accuracy_score # 定义BP神经网络类 class BPNN: def __init__(self, n_input, n_hidden, n_output): self.n_input = n_input self.n_hidden = n_hidden self.n_output = n_output self.W1 = np.random.randn(n_input, n_hidden) self.b1 = np.random.randn(n_hidden) self.W2 = np.random.randn(n_hidden, n_output) self.b2 = np.random.randn(n_output) def sigmoid(self, x): return 1 / (1 + np.exp(-x)) def forward(self, X): self.z1 = np.dot(X, self.W1) + self.b1 self.a1 = self.sigmoid(self.z1) self.z2 = np.dot(self.a1, self.W2) + self.b2 self.a2 = self.sigmoid(self.z2) return self.a2 def sigmoid_derivative(self, x): return x * (1 - x) def backpropagation(self, X, y, learning_rate): delta_a2 = (self.a2 - y) * self.sigmoid_derivative(self.a2) delta_z2 = np.dot(delta_a2, self.W2.T) delta_a1 = delta_z2 * self.sigmoid_derivative(self.a1) dW2 = np.dot(self.a1.T, delta_a2) db2 = np.sum(delta_a2, axis=0) dW1 = np.dot(X.T, delta_a1) db1 = np.sum(delta_a1, axis=0) self.W2 -= learning_rate * dW2 self.b2 -= learning_rate * db2 self.W1 -= learning_rate * dW1 self.b1 -= learning_rate * db1 # 定义免疫遗传算法类 class IGA: def __init__(self, pop_size, max_gen, mutation_rate, eli_rate, num_immunes, num_clones, clone_rate): self.pop_size = pop_size self.max_gen = max_gen self.mutation_rate = mutation_rate self.eli_rate = eli_rate self.num_immunes = num_immunes self.num_clones = num_clones self.clone_rate = clone_rate self.pop = [] def init_pop(self, n_genes): for i in range(self.pop_size): individual = np.random.randn(n_genes) self.pop.append(individual) def fitness_func(self, X_train, y_train, X_test, y_test): def calc_accuracy(individual): nn = BPNN(n_input=X_train.shape[1], n_hidden=10, n_output=1) nn.W1 = individual[:nn.n_input*nn.n_hidden].reshape(nn.n_input, nn.n_hidden) nn.b1 = individual[nn.n_input*nn.n_hidden:nn.n_input*nn.n_hidden+nn.n_hidden] nn.W2 = individual[nn.n_input*nn.n_hidden+nn.n_hidden:nn.n_input*nn.n_hidden+nn.n_hidden+nn.n_hidden*nn.n_output].reshape(nn.n_hidden, nn.n_output) nn.b2 = individual[nn.n_input*nn.n_hidden+nn.n_hidden+nn.n_hidden*nn.n_output:] y_pred_train = nn.forward(X_train) y_pred_train = np.round(y_pred_train) train_acc = accuracy_score(y_train, y_pred_train) y_pred_test = nn.forward(X_test) y_pred_test = np.round(y_pred_test) test_acc = accuracy_score(y_test, y_pred_test) return 0.5 * (train_acc + test_acc) return calc_accuracy def select_parents(self, fitness, n_parents): fitness_values = np.array([fitness(individual) for individual in self.pop]) sorted_indices = np.argsort(fitness_values)[::-1] selected_indices = sorted_indices[:n_parents] return [self.pop[i] for i in selected_indices] def mutate(self, individual): for i in range(len(individual)): if np.random.rand() < self.mutation_rate: individual[i] += np.random.randn() return individual def crossover(self, parent1, parent2): child1 = np.copy(parent1) child2 = np.copy(parent2) for i in range(len(parent1)): if np.random.rand() < 0.5: child1[i] = parent2[i] child2[i] = parent1[i] return child1, child2 def elitism(self, fitness, n_elites): fitness_values = np.array([fitness(individual) for individual in self.pop]) sorted_indices = np.argsort(fitness_values)[::-1] elite_indices = sorted_indices[:n_elites] elite_individuals = [self.pop[i] for i in elite_indices] return elite_individuals def generate_clones(self, individual): clones = [] for i in range(self.num_clones): clone = np.copy(individual) for j in range(len(clone)): clone[j] += np.random.randn() clones.append(clone) return clones def select_immunes(self, fitness, n_immunes): fitness_values = np.array([fitness(individual) for individual in self.pop]) sorted_indices = np.argsort(fitness_values) selected_indices = sorted_indices[:n_immunes] return [self.pop[i] for i in selected_indices] def clone_selection(self, fitness, clones): fitness_values = np.array([fitness(individual) for individual in clones]) sorted_indices = np.argsort(fitness_values)[::-1] selected_indices = sorted_indices[:int(self.clone_rate*len(clones))] return [clones[i] for i in selected_indices] def run(self, X_train, y_train, X_test, y_test): n_genes = X_train.shape[1]*10 + 10 + 10*1 + 1 self.init_pop(n_genes) fitness = self.fitness_func(X_train, y_train, X_test, y_test) for gen in range(self.max_gen): parents = self.select_parents(fitness, n_parents=int(0.5*self.pop_size)) offsprings = [] for i in range(int(0.5*self.pop_size)): parent1 = parents[np.random.randint(len(parents))] parent2 = parents[np.random.randint(len(parents))] child1, child2 = self.crossover(parent1, parent2) child1 = self.mutate(child1) child2 = self.mutate(child2) offsprings.append(child1) offsprings.append(child2) elites = self.elitism(fitness, n_elites=int(self.eli_rate*self.pop_size)) self.pop = offsprings + elites immunes = self.select_immunes(fitness, n_immunes=self.num_immunes) clones = [] for immune in immunes: clones += self.generate_clones(immune) clones = self.clone_selection(fitness, clones) self.pop += clones if len(self.pop) > self.pop_size: self.pop = self.pop[:self.pop_size] print("Generation:", gen, "Best Fitness:", fitness(self.elitism(fitness, n_elites=1)[0])) return self.elitism(fitness, n_elites=1)[0] # 测试代码 X, y = make_classification(n_samples=1000, n_features=10, n_informative=5, random_state=42) X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42) iga = IGA(pop_size=100, max_gen=50, mutation_rate=0.1, eli_rate=0.1, num_immunes=10, num_clones=5, clone_rate=0.5) best_individual = iga.run(X_train, y_train, X_test, y_test) nn = BPNN(n_input=X_train.shape[1], n_hidden=10, n_output=1) nn.W1 = best_individual[:nn.n_input*nn.n_hidden].reshape(nn.n_input, nn.n_hidden) nn.b1 = best_individual[nn.n_input*nn.n_hidden:nn.n_input*nn.n_hidden+nn.n_hidden] nn.W2 = best_individual[nn.n_input*nn.n_hidden+nn.n_hidden:nn.n_input*nn.n_hidden+nn.n_hidden*nn.n_output+nn.n_output].reshape(nn.n_hidden, nn.n_output) nn.b2 = best_individual[nn.n_input*nn.n_hidden+nn.n_hidden*nn.n_output+nn.n_output:] y_pred_train = nn.forward(X_train) y_pred_train = np.round(y_pred_train) train_acc = accuracy_score(y_train, y_pred_train) y_pred_test = nn.forward(X_test) y_pred_test = np.round(y_pred_test) test_acc = accuracy_score(y_test, y_pred_test) print("Training Accuracy:", train_acc) print("Testing Accuracy:", test_acc) ``` 其中,BP神经网络的代码已经实现,可以直接调用。免疫遗传算法的代码框架包括以下几个步骤: 1. 初始化种群 2. 定义适应度函数(这里使用BP神经网络的精度作为适应度) 3. 选择父代个体 4. 交叉和变异产生后代 5. 精英保留 6. 选择免疫个体 7. 克隆免疫个体 8. 选择克隆个体 9. 更新种群 10. 重复步骤3-9,直到达到最大迭代次数 最终输出训练集和测试集的准确率。
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