python遗传算法求解组合优化

时间: 2025-01-04 15:25:13 浏览: 7
### 遗传算法概述 遗传算法是一种模拟自然选择和遗传机制的元启发式搜索方法,适用于求解复杂优化问题。该算法基于种群进化概念,通过选择、交叉以及变异操作来探索可行解空间并逐渐逼近全局最优解[^1]。 ### Python实现遗传算法框架 为了构建一个能够处理组合优化问题的基础遗传算法模型,以下是简化版本的主要组成部分: #### 初始化参数设置 ```python import random from typing import List, Tuple class GeneticAlgorithmConfig: def __init__(self, population_size: int = 50, mutation_rate: float = 0.01, crossover_rate: float = 0.8, elitism_count: int = 2, generations: int = 100): """ Initializes the genetic algorithm configuration. :param population_size: Number of individuals in each generation. :param mutation_rate: Probability that an individual will undergo mutation. :param crossover_rate: Probability that two parents will exchange genes during reproduction. :param elitism_count: Number of top performers to carry over into next generation without modification. :param generations: Total number of iterations or 'generations' for evolution process. """ self.population_size = population_size self.mutation_rate = mutation_rate self.crossover_rate = crossover_rate self.elitism_count = elitism_count self.generations = generations ``` #### 定义个体类 ```python class Individual: def __init__(self, chromosome_length: int): """Initializes a new instance with randomly generated chromosomes.""" self.chromosome = [random.randint(0, 1) for _ in range(chromosome_length)] @property def fitness(self) -> float: """Calculates and returns this individual's fitness score based on its chromosome.""" raise NotImplementedError("Fitness function must be defined.") ``` #### 创建初始种群 ```python def create_initial_population(config: GeneticAlgorithmConfig, chromosome_length: int) -> List[Individual]: return [Individual(chromosome_length=chromosome_length) for _ in range(config.population_size)] ``` #### 实现选择算子 ```python def select_parents(population: List[Individual], config: GeneticAlgorithmConfig) -> Tuple[List[int]]: parent_indices = [] total_fitness = sum(individual.fitness for individual in population) probabilities = [(individual.fitness / total_fitness) for individual in population] while len(parent_indices) < (config.population_size - config.elitism_count): selected_index = weighted_random_choice(probabilities) if selected_index not in parent_indices: parent_indices.append(selected_index) elite_indices = sorted(range(len(population)), key=lambda i: population[i].fitness)[-config.elitism_count:] return tuple(elite_indices + parent_indices[:len(parent_indices)-config.elitism_count]) ``` 辅助函数`weighted_random_choice()`用于按权重随机选取索引: ```python def weighted_random_choice(weights: list[float]) -> int: cumulative_weights = [] current_sum = 0 for w in weights: current_sum += w cumulative_weights.append(current_sum) r = random.uniform(0, current_sum) selection = bisect.bisect_left(cumulative_weights, r) return selection ``` #### 设计交叉算子 ```python def perform_crossover(parents: List[Tuple[int]], offspring: List[Individual]): for idx in range(0, len(offspring), 2): # Iterate through pairs of children p1_idx, p2_idx = parents[idx % len(parents)], parents[(idx+1) % len(parents)] if random.random() <= config.crossover_rate: point = random.randint(1, len(offspring[p1_idx].chromosome)-2) child1_chrom = offspring[p1_idx].chromosome[:point] + offspring[p2_idx].chromosome[point:] child2_chrom = offspring[p2_idx].chromosome[:point] + offspring[p1_idx].chromosome[point:] offspring[p1_idx].chromosome[:] = child1_chrom[:] offspring[p2_idx].chromosome[:] = child2_chrom[:] ``` #### 应用变异算子 ```python def apply_mutation(offspring: List[Individual], config: GeneticAlgorithmConfig): for indv in offspring: for gene_pos in range(len(indv.chromosome)): if random.random() < config.mutation_rate: indv.chromosome[gene_pos] ^= 1 # Flip bit value at position `gene_pos`. ``` #### 进化流程控制逻辑 ```python def evolve(ga_config: GeneticAlgorithmConfig, problem_specific_setup=None): best_solution = None # Initialize first-generation population initial_pop = create_initial_population(ga_config, chromosome_length=problem_specific_setup['chromosome_length']) for gen_num in range(ga_config.generations): # Evaluate all solutions within current pop eval_results = evaluate_all(initial_pop, **problem_specific_setup) # Select mating pool from evaluated results using roulette wheel method chosen_pairs = select_parents(eval_results, ga_config) # Create empty array for storing newly created offsprings next_gen_offsprings = initialize_next_generation(eval_results[chosen_pair][0] for chosen_pair in chosen_pairs) # Perform crossovers between paired mates perform_crossover(chosen_pairs, next_gen_offsprings) # Apply mutations across entire set of potential survivors apply_mutation(next_gen_offsprings, ga_config) # Replace old population with updated one after applying elitist strategy update_population_with_elites_and_newbies(initial_pop, next_gen_offsprings, ga_config.elitism_count) # Track progress by keeping track of fittest member found so far record_best_found_so_far(best_solution, get_fittest_member_from_current_gen()) return best_solution ``` 上述代码片段展示了如何创建基本结构化的遗传算法模板,但请注意实际应用时还需要针对特定的应用场景调整细节,比如定义适应度评分标准(`evaluate_all`)、初始化新代群体(`initialize_next_generation`)等辅助功能的具体实现方式[^3]。
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