遗传算法的简单应用

遗传算法采用概率化的寻优方法,在大范围内对解进行优化,不限于局部。遗传算法擅长解决全局最优化问题。
基本过程可以是:
(1)随机产生第一代个体
(2)计算第一代个体的适应度
(3)循环(达到某个条件跳出)
1^0根据适应度从这一代中挑选下一代的父母
2^0杂交产生下一代
3^0新一代个体发生基因突变
4^0计算新一代个体的适应度

下面的这个例子用遗传算法产生指定的字符串“nino is beautiful”

#include<iostream>
#include<vector>
#include<string>
#include<time.h>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int population_size = 100;
const string genes = " zxcvbnmasdfghjklqwertyuiop"
"ZXCVBNMASDFGHJKLQWERTYUIOP1234567890";
const string target = "nino is beautiful";
//产生随机数
int random_num(int start, int end)
{
    int range = (end - start) + 1;
    int random_int = start + (rand() % range);
    return random_int;
}

//产生随机基因,在变异中使用
char mutated_genes()
{
    int len = genes.size();
int r = random_num(0, len - 1);
return genes[r];
}

//产生染色体(由基因组成)
string create_gnome()
{
    int len = target.size();
    string gnome = "";
    for (int i = 0; i < len; ++i) {
        gnome += mutated_genes();
    }
    return gnome;
}

//用一个类来代表一个个体
class Individual
{
public:
    string chromosome;
    int fitness;
    Individual(string chromosome);
    Individual mate(Individual parent2);
    int cal_fitness();
};
Individual::Individual(string _chromosome)
{
    this->chromosome = _chromosome;
    fitness = cal_fitness();
}

//模仿杂交,产生新个体
Individual Individual::mate(Individual parent2)
{
    string child_chromosome = ""; //代表孩子
    int len = chromosome.size();
    for (int i = 0; i < len; ++i) {
        float p = random_num(0, 100) / 100;
        //有0.45的概率插入第一个亲代(爸爸)的基因
        if (p < 0.45)
            child_chromosome += chromosome[i];
        //有0.45的概率插入第二个亲代(妈妈)的基因
        else if (p < 0.9)
            child_chromosome += parent2.chromosome[i];
        //剩下0.1的概率用来基因突变
        else
            child_chromosome += mutated_genes();
    }
    return Individual(child_chromosome);
}
//计算适应度(分数)
int Individual::cal_fitness()
{
    int len = target.size();
    int fitness = 0;
    for (int i = 0; i < len; ++i) {
        if (chromosome[i] != target[i])
            ++fitness;
    }
    return fitness;
}

//重载<运算符,用于sort函数
bool operator <(const Individual&ind1,const Individual&ind2)
{
    return ind1.fitness < ind2.fitness;
}

int main()
{
    srand((unsigned)time(0));
    int generation = 0;

    vector<Individual>population;
    bool found = false;

    //初始化第一代
    for (int i = 0; i < population_size; ++i) {
        string gnome = create_gnome();
        population.push_back(Individual(gnome));
    }

    while (!found) {
        //将适应度(分数)升序排列
        sort(population.begin(), population.end());
        if (population[0].fitness <= 0) {
            found = true;
            break;
        }
        vector<Individual> new_generaton;
        //保留前十个优秀的个体,让他们直接进入第二代
        int s = (10 * population_size) / 100;
        for (int i = 0; i < s; ++i)
            new_generaton.push_back(population[i]);
    //把第一代的前50%用来杂交(包括刚才的前10)
        s = (90 * population_size) / 100;
        for (int i = 0; i < s; ++i) {
            int len = population.size();
            int r = random_num(0, 50);
            Individual parent1 = population[r];
            r = random_num(0, 50);
            Individual parent2 = population[r];
            Individual offspring = parent1.mate(parent2);
            new_generaton.push_back(offspring);
        }
        population = new_generaton;
        ++generation;
        cout << "Generation: " << generation << "\t";
        cout << "String: " << population[0].chromosome << "\t";
        cout << "Fitness: " << population[0].fitness << "\n";
    }
    cout << "Generation: " << generation+1 << "\t";
    cout << "String: " << population[0].chromosome << "\t";
    cout << "Fitness: " << population[0].fitness << "\n";
    return 0;
}

应用2(寻找最短路径):
小曾同学要去某城市旅游,该城市有5个景点需要参观,分别为A,B,C,D,E,小曾从酒店出发,最后要回到酒店,每个景点必须要走且只走一遍,景点间的距离(0-酒店,1-A,2-B...)如下表,求最短路径。


在这里插入图片描述

应用遗传算法,随机创建100条路径可重复,然后让他们演化到稳定,得出最短路径(概率最大)

#include<iostream>
#include<vector>
#include<string>
#include<time.h>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int population_size = 100;
const string genes = "ABCDE";
vector<vector<int>>distances{ {0,482,424,138,458},
{482,0,158,522,179},{424,158,0,438,303},{138,522,438,0,518},
{458,179,303,518,0}};
vector<int>distance_fromstart{ 258,264,319,367,164 };
//产生随机数
int random_num(int start, int end)
{
    int range = (end - start) + 1;
    int random_int = start + (rand() % range);
    return random_int;
}

//产生随机基因,在基因突变中使用
char mutated_genes()
{
    int len = genes.size();
    int r = random_num(0, len - 1);
    return genes[r];
}
//因为输入可以保证前面的字符串肯定没有重复,所以只要检查最后一个字符即可
bool isrepeatstr(string str)
{
    int len = str.size();
    for (int i = 0; i < len-1; ++i) {
        if (str[len - 1] == str[i])
            return true;
    }
    return false;
}
//第一代的随机产生染色体(由基因组成)
string create_gnome()
{
    int len = genes.size();
    string gnome = "";
    for (int i = 0; i < len; ++i) {
        gnome += mutated_genes();
        while (isrepeatstr(gnome) == true)
            gnome.back() = mutated_genes();
    }
    return gnome;
}

//用一个类来代表一个个体
class Individual
{
public:
    string chromosome;
    int fitness;
    Individual(string chromosome);
    Individual mate(Individual parent2);
    int cal_fitness();
};
Individual::Individual(string _chromosome)
{
    this->chromosome = _chromosome;
    fitness = cal_fitness();
}

//模仿杂交,产生新个体
Individual Individual::mate(Individual parent2)
{
    string child_chromosome = ""; //代表孩子
    int len = chromosome.size();
    for (int i = 0; i < len; ++i) {
        float p = random_num(0, 100) / 100;
        //有0.45的概率插入第一个亲代(爸爸)的基因
        if (p < 0.45)
            child_chromosome += chromosome[i];
        //有0.45的概率插入第二个亲代(妈妈)的基因
        else if (p < 0.9)
            child_chromosome += parent2.chromosome[i];
        //剩下0.1的概率用来基因突变
        else
            child_chromosome += mutated_genes();
    }
    return Individual(child_chromosome);
}
//计算适应度(分数)
int Individual::cal_fitness()
{
    int len = genes.size();
    for (int i = 0; i < len; ++i) {
        for (int j = i+1; j < len; ++j) {
            if (chromosome[i] == chromosome[j])
                return 10000;
        }
    }
    int fitness = 0;
    fitness += distance_fromstart[chromosome[0] - 'A'];
    for (int i = 1; i < len; ++i) {
        fitness += distances[(chromosome[i] - 'A')][(chromosome[i - 1] - 'A')];
    }
    fitness += distance_fromstart[chromosome[len - 1] - 'A'];
    return fitness;
}

//重载<运算符,用于sort函数
bool operator <(const Individual& ind1, const Individual& ind2)
{
    return ind1.fitness < ind2.fitness;
}

int main()
{
    srand((unsigned)time(0));
    int generation = 0;

    vector<Individual>population;
    bool found = false;
    //初始化第一代
    for (int i = 0; i < population_size; ++i) {
        string gnome = create_gnome();
        population.push_back(Individual(gnome));
    }

    while (!found) {
        //将适应度(分数)升序排列
        sort(population.begin(), population.end());
        if (generation>10000) {
            found = true;
            break;
        } 
        vector<Individual> new_generaton;
        //保留前十个优秀的个体,让他们直接进入第二代
        int s = (10 * population_size) / 100;
        for (int i = 0; i < s; ++i)
            new_generaton.push_back(population[i]);
        //把第一代的前50%用来杂交(包括刚才的前10)
        s = (90 * population_size) / 100;
        for (int i = 0; i < s; ++i) {
            int len = population.size();
            int r = random_num(0, 50);
            Individual parent1 = population[r];
            r = random_num(0, 50);
            Individual parent2 = population[r];
            Individual offspring = parent1.mate(parent2);
            new_generaton.push_back(offspring);
        }
        population = new_generaton;
        ++generation;
        cout << "Generation: " << generation << "\t";
        cout << "String: " << population[0].chromosome << "\t";
        cout << "Fitness: " << population[0].fitness << "\n";
    }
    return 0;
}

还有多元不定方程求正整数解问题,也可以用遗传算法解决。

Reference:GEEKSFORGEEKS

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 211,194评论 6 490
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 90,058评论 2 385
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 156,780评论 0 346
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 56,388评论 1 283
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 65,430评论 5 384
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 49,764评论 1 290
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 38,907评论 3 406
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 37,679评论 0 266
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 44,122评论 1 303
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 36,459评论 2 325
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 38,605评论 1 340
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 34,270评论 4 329
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 39,867评论 3 312
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 30,734评论 0 21
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,961评论 1 265
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 46,297评论 2 360
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 43,472评论 2 348

推荐阅读更多精彩内容