GA遗传算法简介解读
遗传算法遗传算法
(5)遗传算法在解空间进行高效启发式搜索,而非盲 目地穷举或完全随机搜索;
(6)遗传算法对于待寻优的函数基本无限制,它既不 要求函数连续,也不要求函数可微,既可以是数学解 析式所表示的显函数,又可以是映射矩阵甚至是神经 网络的隐函数,因而应用范围较广;
(7)遗传算法具有并行计算的特点,因而可通过大规 模并行计算来提高计算速度,适合大规模复杂问题的 优化。
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(4)基本遗传算法的运行参数 有下述4个运行参数需要提前设定:
M:群体大小,即群体中所含个体的数量,一般取为 20~100; G:遗传算法的终止进化代数,一般取为100~500; Pc:交叉概率,一般取为0.4~0.99;
Pm:变异概率,一般取为0.0001~0.1。
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10.4.2 遗传算法的应用步骤
遗传算法简称GA(Genetic Algorithms)是1962年 由美国Michigan大学的Holland教授提出的模拟自然 界遗传机制和生物进化论而成的一种并行随机搜索最 优化方法。
遗传算法是以达尔文的自然选择学说为基础发展起 来的。自然选择学说包括以下三个方面:
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(1)遗传:这是生物的普遍特征,亲代把生物信息交 给子代,子代总是和亲代具有相同或相似的性状。生 物有了这个特征,物种才能稳定存在。
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(3)生产调度问题 在很多情况下,采用建立数学模型的方法难以对生
产调度问题进行精确求解。在现实生产中多采用一些 经验进行调度。遗传算法是解决复杂调度问题的有效 工具,在单件生产车间调度、流水线生产车间调度、 生产规划、任务分配等方面遗传算法都得到了有效的 应用。
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(4)自动控制。 在自动控制领域中有很多与优化相关的问题需要求
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GA遗传算法概述
GA遗传算法概述GA遗传算法(Genetic Algorithm)是一种受生物进化理论启发的优化算法,用于解决问题的和优化。
它模拟了自然界中生物进化的过程,通过模拟“基因”在群体中的遗传、交叉和变异等过程,逐步优化空间中的解。
1. 群体:GA遗传算法使用一个群体(population)来表示可能的解集合,每个解称为个体(individual)。
群体中的个体通过染色体(chromosome)来表示,染色体则由基因(gene)组成。
基因可以是任意类型的变量,例如二进制、整数或实数。
2. 适应度函数:GA遗传算法通过适应度函数(fitness function)来评估每个个体的优劣程度。
适应度函数将每个个体映射到一个实值,表示该个体的适应度。
适应度值越高,个体越优秀。
3.选择:在选择阶段,GA遗传算法根据个体的适应度值来选择优秀个体作为父代。
通常使用轮盘赌选择法或锦标赛选择法来进行选择。
轮盘赌选择法根据个体的适应度值来分配选择的概率,适应度值越高的个体被选中的概率越大。
锦标赛选择法则随机选择一定数量的个体,然后从中选择适应度最高的个体作为父代。
4.交叉:在交叉阶段,GA遗传算法随机选择一对父代个体,并以一定的概率对它们的染色体进行交叉操作。
交叉操作可以通过染色体的位进行交换、重组或变异,产生新的个体。
5.变异:在变异阶段,GA遗传算法以一定的概率对个体的染色体进行变异操作,以增加空间的多样性。
变异操作可以是将染色体中的位进行随机翻转、替换或插入等操作。
6.遗传进化:通过选择、交叉和变异等操作,GA遗传算法不断迭代优化个体的染色体,使得适应度值不断提高。
经过多代的演化,群体中出现了越来越优秀的个体,最终达到最优解或接近最优解。
GA遗传算法可以用于求解各种优化问题,例如函数最大化、函数最小化、组合优化、排列问题等。
它的优点在于可以在大规模空间中进行高效,并且能够找到全局最优解或接近最优解。
然而,由于遗传算法的随机性质,它无法保证每次都能找到最优解,且算法的收敛速度较慢。
遗传算法详解
5.1.3 遗传算法的基本操作
一般的遗传算法都包含三个基本操作:复制 一般的遗传算法都包含三个基本操作:复制(reproduction)、 、 交叉(crossover)和变异 和变异(mutation)。 交叉 和变异 。 1. 复制 复制(又称繁殖),是从一个旧种群( ),是从一个旧种群 复制(又称繁殖),是从一个旧种群(old population) ) 中选择生命力强的字符串( 中选择生命力强的字符串(individual string)产生新种群 ) 的过程。或者说,复制是个体位串根据其目标函数f( 的过程。或者说,复制是个体位串根据其目标函数 (即 适值函数)拷贝自己的过程。直观地讲, 适值函数)拷贝自己的过程。直观地讲,可以把目标函数 f看作是期望的最大效益的某种量度。根据位串的适值所 看作是期望的最大效益的某种量度。 看作是期望的最大效益的某种量度 进行的拷贝, 进行的拷贝,意味着具有较高适值的位串更有可能在下一 代中产生一个或多个子孙。显然,在复制操作过程中, 代中产生一个或多个子孙。显然,在复制操作过程中,目 标函数(适值 是该位串被复制或被淘汰的决定因素。 适值)是该位串被复制或被淘汰的决定因素 标函数 适值 是该位串被复制或被淘汰的决定因素。
复制操作的初始种群(旧种群 的生成往往是随机产生 复制操作的初始种群 旧种群)的生成往往是随机产生 旧种群 例如,通过掷硬币20次产生维数 次产生维数n= 的初始种群如下 的。例如,通过掷硬币 次产生维数 =4的初始种群如下 (正面 ,背面 : 正面=1,背面=0): 正面 01101 11000 01000 10011 显然, 显然,该初始种群可以看成是一个长度为五位的无符 号二进制数,将其编成四个位串,并解码为十进制的数: 号二进制数,将其编成四个位串,并解码为十进制的数: 位串1 01101 13 位串1: 位串2 11000 24 位串2: 位串3 01000 8 位串3: 位串4 10011 19 位串4:
简单遗传算法模型
简单遗传算法模型1. 概述遗传算法(GA)是一种启发式搜索算法,它受进化论中自然选择和遗传机制的启发而设计。
GA是一种非常强大的算法,它可以用来解决各种各样的优化问题。
2. 基本原理GA的基本原理是通过选择、交叉和变异操作,不断地优化一个种群的个体,最终使种群收敛到最优解。
选择:选择是GA中最关键的操作之一,它决定了哪些个体会进入下一代。
常用的选择方法有轮盘赌选择、锦标赛选择和精英选择等。
交叉:交叉是GA中另一个重要的操作,它通过交换两个个体的基因来生成新的个体。
交叉可以增加种群的多样性,提高GA的搜索能力。
常用的交叉方法有单点交叉、双点交叉和均匀交叉等。
变异:变异是GA中的一种随机操作,它通过改变个体的基因来产生新的个体。
变异可以防止种群过早收敛到局部最优解,提高GA的全局搜索能力。
常用的变异方法有比特翻转变异、均匀变异和高斯变异等。
3. 算法流程GA的算法流程如下:1. 初始化种群:随机生成一个种群,每个个体由一组基因组成。
2. 评估种群:计算每个个体的适应度值。
3. 选择:根据个体的适应度值,选择一部分个体进入下一代。
4. 交叉:对选出的个体进行交叉操作,生成新的个体。
5. 变异:对新的个体进行变异操作,生成最终的种群。
6. 重复步骤2-5,直到达到终止条件。
4. 优点和缺点GA具有以下优点:能够解决各种各样的优化问题。
不需要对问题做任何假设,也不需要任何先验知识。
能够找到全局最优解,而不是局部最优解。
GA也存在以下缺点:计算量大,尤其是当问题规模较大时。
容易陷入局部最优解,尤其是当问题具有多个局部最优解时。
难以确定合适的参数,例如种群规模、交叉率和变异率等。
5. 应用GA已被广泛应用于各种各样的领域,包括:组合优化:旅行商问题、背包问题、车辆路径问题等。
机器学习:神经网络训练、支持向量机训练、决策树学习等。
进化计算:遗传规划、进化策略、进化编程等。
6. 总结GA是一种非常强大的算法,它可以用来解决各种各样的优化问题。
GA遗传算法概述
GA遗传算法概述GA(Genetic Algorithm,遗传算法)是一种模拟自然界中生物进化过程的优化算法,具有全局能力和适应性优化能力。
1980年由美国的John Holland提出,并在优化问题领域取得了许多成功的应用。
遗传算法的基本思想是通过模拟自然选择、基因交叉和变异等操作来问题的最优解。
具体而言,遗传算法从一个初始群体(种群)开始,通过不断的迭代进化,逐渐产生接近于最优解的个体。
其中,每个个体都可以看作是问题的一种解决方案。
遗传算法的主要步骤包括:初始化种群、适应度评估、选择操作、交叉操作、变异操作和终止条件。
下面将对这些步骤逐一进行介绍。
首先,初始化种群。
在该步骤中,需要确定种群的规模、编码方式以及初始个体的生成方式。
种群的规模一般较大,以增加空间的覆盖度。
编码方式是将问题的解表示为一个个体的基因型(即染色体),常见的编码方式有二进制编码和实数编码等。
初始个体的生成方式也需根据具体问题来确定。
其次,进行适应度评估。
适应度函数是衡量个体优劣的标准,通常是问题的目标函数。
适应度函数的设计要充分考虑问题的特点,使得适应度高的个体拥有更大的生存概率。
然后,进行选择操作。
选择操作的目的是根据适应度函数的评估结果,选择优秀个体作为下一代个体的父代。
常见的选择方法有轮盘赌选择、竞争选择和排名选择等。
轮盘赌选择法根据个体的适应度进行选择,适应度高的个体被选择概率大。
接着,进行交叉操作。
交叉操作是通过基因交换产生新的个体,以增加种群的多样性。
交叉操作的方式有很多,如一点交叉、多点交叉和均匀交叉等。
一般会在较高适应度个体之间进行交叉操作,以保留优良的基因。
然后,进行变异操作。
变异操作是通过基因突变产生新的个体,以增加种群的多样性。
变异操作是在交叉操作后进行的,其方式有变异率和变异步长等。
变异率决定了个体基因发生变异的概率,变异步长则决定了基因变异的程度。
最后,根据终止条件判断是否终止迭代。
终止条件可以是达到预定的迭代次数、找到满足要求的解或运行时间超过设定的阈值等。
GA 遗传算法简介概述
适应性》中首先提出的,它是一类借鉴生物界自然选择和
自然遗传机制的随机化搜索算法。GA来源于达尔文的进化 论、魏茨曼的物种选择学说和孟德尔的群体遗传学说。其
基本思想是模拟自然界遗传机制和生物进化论而形成的一
种过程搜索全局最优解的算法。
一、遗传算法概述
2、生物进化理论和遗传学基本知识
(1) 达尔文的自然选择说
三、遗传算法的原理
标准遗传算法(Standard genetic algorithm, SGA)
Step1 在搜索空间U上定义一个适应度函 数f(x),给定种群规模N,交叉率Pc和变异 率Pm,代数T; Step2 随机产生U中的N个个体s1, s2, …, sN,组成初始种群S={s1, s2, …, sN},置代 数计数器t=1; Step3 计算S中每个个体的适应度f(x); Step4 若终止条件满足,则取S中适应度最大的个体作为所求结果,算 法结束。否则,转Step5;
四、遗传算法的应用
用遗传算法求解:
f ( x) x sin(10 x) 2.0
分析:由于区间长度为3,求解结果精确到6位小数,因此可将自变量
定义区间划分为3×106等份。又因为221 < 3×106 < 222 ,所以本例的 二进制编码长度至少需要22位,编码过程实质上是将区间[-1,2]内对 应的实数值转化为一个二进制串(b21b20…b0)。
循环交叉(Cycle Crossover)
交叉模拟了生物进化过程中的繁殖现象,通过两个染色体的交换 组合,来产生新的优良品种!
二、遗传算法的基本操作
3 变异(mutation)
变异就是改变染色体某个(些)位上的基因 例如,设染色体s=11001101,将其第三位上的0变为1, 即
遗传算法的基本原理及流程
遗传算法的基本原理及流程遗传算法(Genetic Algorithm,简称GA)是一种通过模拟自然界进化过程来求解优化问题的算法。
它是一种群体性优化算法,最初由美国学者J. Holland提出,目前已经被广泛应用于优化、搜索、分类、数据挖掘等领域。
本文将从基本原理和流程两方面介绍遗传算法。
一、基本原理1.1 模拟自然进化过程遗传算法的灵感来源于自然界,它主要是模拟了生物进化的过程。
在遗传算法中,问题的解被表示成一个个体,每个个体都具有一定的适应度(Fitness),代表着它对问题的解决程度。
所有个体组成一个种群(Population),这个种群包含了多个可能的解决方案。
1.2 遗传操作在遗传算法中,种群经过不断的遗传操作(Cross、Mutation、Selection),产生新的个体,新个体替代原个体,直到达到最优解。
其操作的具体过程如下:(1)Cross:交叉操作,即将两个个体的某些部分进行交换,创造出新的个体。
(2)Mutation:变异操作,即对某个个体的某些部分进行修改,创造出一个新个体。
(3)Selection:选择操作,根据个体的适应度对种群进行选择,留下较优的个体,淘汰劣质的个体。
1.3 评价适应度在遗传算法中,每个个体都有一个适应度值,代表着解决问题的效果。
评价适应度通常采取如下方式:(1)目标函数:根据问题的定义,构建一个目标函数,根据该函数的值评价个体的适应度。
(2)实验法:在实际操作中,通过实验方法进行评价,得到与问题解决程度相关的数据。
二、流程介绍2.1 初始化遗传算法的第一步是初始化,首先随机生成一批个体,构成种群。
个体的生成可以采用数值或二进制方式。
在这个过程中,可以设置种群大小、交叉率、变异率等参数。
2.2 选择根据个体的适应度值,从当前种群中选择一部分个体作为下一代的种群。
选择的过程中,可以采用轮盘赌(Roulette Wheel)选择等方式。
2.3 交叉在构建新一代种群时,采用交叉操作,即两个个体随机交换某一部分基因。
基本遗传算法(讲的很好很透彻_学习亲测)
[说明] 这4个运行参数对遗传算法的求解结果和求解效率都有一定的影响,但目前
尚无合理选择它们的理论依据。在遗传算法的实际应用中,往往需要经过多次试 算后才能确定出这些参数合理的取值大小或取值范围。
1.2 基本遗传算法的形式化定义
基本遗传算法可定义为一个7元组:
GA= (M, F, s, c, m, pc, pm )
基本遗传算法(GA)
1 基本遗传算法描述
遗传算法在自然与社会现象模拟、工程计算等方面得到了广泛应用。在各个 不同的应用领域,为了取得更好的结果,人们对GA进行了大量改进,为了不至 于混淆,我们把Holland提出的算法称为基本遗传算法,简称 GA、SGA (Simple Genetic Algorithm )、CGA(Canonical Genetic Algorithm),将其它 的“GA类”算法称为GAs(Genetic Algorithms),可以把GA看作是GAs的一种特 例。
00000000…00000000=0 00000000…00000001=1 00000000…00000010=2
……
umin umin + umin + 2
11111111…11111111=2l–1
umax
其中, 为二进制编码的编码精度,其公式为:
= Umax umin 2l 1
(2) 解码
end
2 基本遗传算法的实现
根据上面对基本遗传算法构成要素的分析和算法描述,我们可以很方便地用计 算机语言来实现这个基本遗传算法。
现对具体实现过程中的问题作以下说明:
2.1 编码与解码
(1) 编码
假设某一参数的取值范围是[umin , umax],用长度为l的二进制编码符号串来表
遗传算法详解范文
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一、什么是遗传算法
遗传算法(Genetic Algorithm,简称GA)是一种基于自然选择和遗传的算法,是由John Holland于1960年提出的,它是为了解决复杂的全局优化问题而设计的全局优化算法。
在计算机科学中,遗传算法是一种利用遗传进化的思想,模拟生物进化的过程,通过繁殖、淘汰,以及多样性和变异的原理,在有效的空间中,不断改进解决方案,以得到最优解的一种方法。
二、遗传算法工作原理
遗传算法是一种仿生的全局优化方法,它基于自然选择和遗传进化中的基本概念,通过模拟和改进自然选择和遗传,对问题进行全局优化。
其工作原理是模拟生物进化过程,将生物进化中求解能力最强的种群变化适应度最大的种群,优胜劣汰,交叉繁殖,变异演化,以期望获得全局最优解。
在遗传算法中,种群通过遗传演算,数次进化,演化出适应环境最优的解决方案。
遗传算法会先初始化一组解决方案,称为“种群”,然后不断的进行繁殖、交叉、突变、选择等运算,逐渐将种群中的个体演化为最优的解决方案。
遗传算法的具体操作步骤如下:
(1)初始化:为了使遗传算法发挥作用,首先要求用户提供一组初始解(个体)。
遗传算法的原理与实现
遗传算法的原理与实现遗传算法(Genetic Algorithm,GA)是一种模拟自然界生物进化过程的优化算法。
它基于通过模拟遗传过程实现问题求解的思想,广泛应用于优化问题、机器学习、人工智能等领域。
本文将介绍遗传算法的基本原理与实现方法。
一、原理介绍1.1 遗传算法的基本概念遗传算法是由美国计算机科学家John Holland于1975年提出的,主要基于生物进化理论,以自然选择、遗传遗传和变异为基础。
它通过模拟自然界的进化过程,在解决复杂问题时搜索全局最优解或近似最优解。
1.2 基因编码遗传算法中的基本单位是染色体,染色体由一串基因组成。
基因编码是将待解决问题的参数转化为染色体上的一串二进制码或实数值,以便进行遗传操作。
1.3 适应度函数适应度函数(Fitness function)用于评价染色体的优劣程度。
它根据问题的性质设计,能够将每个染色体映射为一个实数值,表示其在解空间中的优化程度。
1.4 选择操作选择操作是基于适应度函数,按照染色体适应度高低进行选择,优秀的染色体被选中,普通的染色体可能也有一定概率被选中,而较差的染色体会被淘汰。
选择操作中常用的方法有轮盘赌选择和锦标赛选择。
1.5 交叉操作交叉操作是模拟自然界的杂交过程,用于生成新的个体。
在交叉操作中,从两个父代染色体中随机选择一点(交叉点),将两条染色体按照交叉点分隔,交叉生成两个新的个体。
1.6 变异操作变异操作是引入新的个体差异的过程。
在变异操作中,随机地选择染色体上的一个基因位,进行基因值的突变。
变异操作的目的是增加解的多样性,防止陷入局部最优解。
二、实现方法2.1 初始化种群遗传算法首先需要初始化一个种群,种群中的每个个体即为一个染色体,染色体通过基因编码来表示问题的解空间。
通常使用随机生成的初始解来初始化种群。
2.2 评估适应度对种群中的每个个体,使用适应度函数来评估其优劣程度。
适应度越高,个体在选择中的概率越大。
通过评估适应度,可以进一步确定种群中的优秀个体。
遗传算法ga交叉算子最详细讲解
遗传算法ga交叉算子最详细讲解全文共四篇示例,供读者参考第一篇示例:遗传算法(Genetic Algorithm,简称GA)是一种受到自然选择和遗传机制启发而发展起来的优化算法,被广泛应用于解决复杂的优化问题。
GA的交叉算子(Crossover Operator)是其中一个重要的环节,在遗传算法中扮演着十分关键的角色。
本文将详细讲解遗传算法中的交叉算子的工作原理、不同的实现方式以及其影响因素。
1. 交叉算子的工作原理遗传算法通过模拟自然界中的进化过程,在解空间中搜索最优解。
在每一代种群中,通过选择、交叉和变异等操作,来产生新一代的个体,并逐步逼近全局最优解。
交叉算子就是其中一个关键的操作,它通过将两个个体的染色体进行配对交换,生成新的个体。
这个过程就好比是生物世界中的杂交。
在遗传算法中,常见的交叉算子包括单点交叉、多点交叉、均匀交叉等。
单点交叉是最简单、最常用的一种方式。
其工作原理是在两个父代个体的染色体上随机选择一个交叉点,然后交换两个染色体中交叉点后面的部分,从而生成两个新的个体。
若父代个体A和B的染色体为10101010和11001100,选择交叉点为第三位,则得到子代个体为10101100和11001010。
2. 不同的交叉算子实现方式除了单点交叉,遗传算法中还有多种不同的交叉算子实现方式。
多点交叉是将两个父代个体的染色体分别选择多个交叉点,然后依次交换这些交叉点之间的部分;均匀交叉是以一定概率在染色体的每个位置上进行交叉操作,从而生成新的个体;部分映射交叉是通过将两个父代染色体的部分区域进行映射交叉,生成新的个体。
在实际应用中,不同的交叉算子实现方式适用于不同的问题,通常需要根据具体问题的特点来选择最合适的方式。
对于较为复杂的问题,多点交叉往往能够更好地维持种群的多样性,从而有利于搜索更加全面的解空间。
3. 交叉算子的影响因素交叉算子在遗传算法中起着至关重要的作用,其好坏直接影响着算法的收敛速度和最终的解质量。
并行遗传算法
1、遗传算法(GA)概述GA是一类基于自然选择和遗传学原理的有效搜索方法,它从一个种群开始,利用选择、交叉、变异等遗传算子对种群进行不断进化,最后得到全局最优解。
生物遗传物质的主要载体是染色体,在GA中同样将问题的求解表示成“染色体Chromosome”,通常是二进制字符串表示,其本身不一定是解。
首先,随机产生一定数据的初始染色体,这些随机产生的染色体组成一个种群(Population),种群中染色体的数目称为种群的大小或者种群规模。
第二:用适值度函数来评价每一个染色体的优劣,即染色体对环境的适应程度,用来作为以后遗传操作的依据。
第三:进行选择(Selection),选择过程的目的是为了从当前种群中选出优良的染色体,通过选择过程,产生一个新的种群。
第四:对这个新的种群进行交叉操作,变异操作。
交叉、变异操作的目的是挖掘种群中个体的多样性,避免有可能陷入局部解。
经过上述运算产生的染色体称为后代。
最后,对新的种群(即后代)重复进行选择、交叉和变异操作,经过给定次数的迭代处理以后,把最好的染色体作为优化问题的最优解。
GA通常包含5个基本要素:1、参数编码:GA是采用问题参数的编码集进行工作的,而不是采用问题参数本身,通常选择二进制编码。
2、初始种群设定:GA随机产生一个由N个染色体组成的初始种群(Population),也可根据一定的限制条件来产生。
种群规模是指种群中所含染色体的数目。
3、适值度函数的设定:适值度函数是用来区分种群中个体好坏的标准,是进行选择的唯一依据。
目前主要通过目标函数映射成适值度函数。
4、遗传操作设计:遗传算子是模拟生物基因遗传的操作,遗传操作的任务是对种群的个体按照它们对环境的适应的程度施加一定的算子,从而实现优胜劣汰的进化过程。
遗传基本算子包括:选择算子,交叉算子,变异算子和其他高级遗传算子。
5、控制参数设定:在GA的应用中,要首先给定一组控制参数:种群规模,杂交率,变异率,进化代数等。
遗传算法GA
遗传算法GA遗传算法(Genetic Algorithms,GA)是⼀种全局优化⽅法,它借⽤了⽣物遗传学的观点,通过⾃然选择、遗传、变异等作⽤机制,实现种群中个体适应性的提⾼,体现了⾃然界中“物竞天择、适者⽣存”的进化过程。
遗传算法是⼀类借鉴⽣物界⾃然选择和⾃然遗传机制的随机化搜索算法,它模拟⾃然选择和⾃然遗传过程中发⽣的繁殖、交叉和基因突变现象,在每次迭代中都保留⼀组候选解,并按某种指标从解群中选取较优的个体,利⽤遗传算⼦(选择、交叉和变异)对这些个体进⾏组合,产⽣新⼀代的候选种群,并重复此过程,直到满⾜某种收敛指标为⽌。
基本遗传算法(Simple Genetic Algorithms,简称SGA,⼜称简单遗传算法或标准遗传算法),其遗传进化操作过程简单,容易理解,是其他⼀些遗传算法的雏形和基础。
基本遗传算法由编码(产⽣初始种群)、适应度函数、遗传算⼦(选择、交叉、变异)和运⾏参数组成。
1.编码问题是遗传算法有别于其他进化类算法的重要标志。
编码:由问题空间向遗传算法空间的映射。
解码:有遗传算法空间向问题空间的映射。
遗传算法通过某种编码机制把对象抽象为由特定符号按⼀定顺序排成的串。
基本遗传算法则使⽤⼆进制串进⾏编码,它采⽤随机⽅法⽣成若⼲个体的集合,该集合称为初始种群,初始种群中个体的数量称为种群规模。
个体也可称为染⾊体,⽤⼆进制串表⽰,⼆进制串中的每⼀位则称为基因。
2.遗传算法对个体的好坏⽤适应度函数值来评价,适应度函数值越⼤,个体的质量也就越好。
适应度函数是遗传算法进化过程的驱动⼒,也是进⾏⾃然选择的唯⼀标准。
适应度函数的设计直接影响到遗传算法的性能。
设计适应度函数的总体原则应使解的优劣性与适应度之间具有严格单调升的函数关系。
⼀般应将⽬标函数映射成求最⼤值形式,且适应度函数的值为⾮负数。
还可以对适应度函数进⾏定标处理。
主要⽅法有线性定标,sigma截断和乘幂标。
对于约束条件可采取惩罚操作,即把约束问题转化为⼀个附带考虑代价或惩罚的⾮约束优化问题。
算法】超详细的遗传算法(GeneticAlgorithm)解析
算法】超详细的遗传算法(GeneticAlgorithm)解析01 什么是遗传算法?1.1 遗传算法的科学定义遗传算法(Genetic Algorithm, GA)是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型,是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。
其主要特点是直接对结构对象进行操作,不存在求导和函数连续性的限定;具有内在的隐并行性和更好的全局寻优能力;采用概率化的寻优方法,不需要确定的规则就能自动获取和指导优化的搜索空间,自适应地调整搜索方向。
遗传算法以一种群体中的所有个体为对象,并利用随机化技术指导对一个被编码的参数空间进行高效搜索。
其中,选择、交叉和变异构成了遗传算法的遗传操作;参数编码、初始群体的设定、适应度函数的设计、遗传操作设计、控制参数设定五个要素组成了遗传算法的核心内容。
1.2 遗传算法的执行过程(参照百度百科)遗传算法是从代表问题可能潜在的解集的一个种群(population)开始的,而一个种群则由经过基因(gene)编码的一定数目的个体(individual)组成。
每个个体实际上是染色体(chromosome)带有特征的实体。
染色体作为遗传物质的主要载体,即多个基因的集合,其内部表现(即基因型)是某种基因组合,它决定了个体的形状的外部表现,如黑头发的特征是由染色体中控制这一特征的某种基因组合决定的。
因此,在一开始需要实现从表现型到基因型的映射即编码工作。
由于仿照基因编码的工作很复杂,我们往往进行简化,如二进制编码。
初代种群产生之后,按照适者生存和优胜劣汰的原理,逐代(generation)演化产生出越来越好的近似解,在每一代,根据问题域中个体的适应度(fitness)大小选择(selection)个体,并借助于自然遗传学的遗传算子(genetic operators)进行组合交叉(crossover)和变异(mutation),产生出代表新的解集的种群。
数学建模-遗传算法(GA)
初始化种群
种群规模 基因链长度 进化代数
交叉概率 pc 变异概率 pm
适应度函数
Pc取值0.4~0.99 Pm取值0.01~0.1且Pm随 Pc取值增大而减小
选择操作
求解每个个体的适应度,从 父代与子代中选取出适应度 高的个体,再以这些选出的 个体作为父本继续进化,直 到达到迭代次数或满足算法 的收敛准则。
实战演练
我方有一个基地,经度和纬度为(70,40)。 假设我方飞机的速度为1000 公里/小时。 我方派一架飞机从基地出发,侦察完敌方所 有目标,再返回原来的基地。在敌方每一目 标点的侦察时间不计,求该架飞机所花费的 时间(假设我方飞机巡航时间可以充分长)。
交叉前
P1 (0.1 0.9 0.2 | 0.4 0.6 0.5 0.7 0.8 0.3) P2 (0.4 0.5 0.9 | 0.1 0.8 0.7 0.6 0.2 0.3)
交叉后
P1 (0.4 0.5 0.9 | 0.4 0.6 0.5 0.7 0.2 0.3) P2 (0.1 0.9 0.2 | 0.1 0.8 0.7 0.6 0.8 0.3)
有序交叉:
产生两个交叉点,让中间部分基因先复制到下 一代,从一个双亲路径的第二个划分点开始, 从另外一个双亲路径中来的城市按相同的顺序 复制。当字符串的结尾到达时,转从字符串的 开始处继续,最终得到两个子代
交叉前
P1 (1 9 2 | 4 6 5 7 | 8 3) P2 (4 5 9 | 1 8 7 6 | 2 3)
交叉操作
定义:从种群中所选择的每一对母体, 以一定的交叉概率 Pc 交换它们之间的 部分基因。
注意:交叉概率太大,适应度高的个 体很快被破坏;若太小,又影响算法 效率
现代智能优化算法遗传算法
现代智能优化算法遗传算法
一、简介
遗传算法(Genetic Algorithm,GA)是以自然进化中基因的遗传和
变异原理为基础,一种模拟自然进化过程的一种优化算法,是属于现代智
能优化算法的一种。
算法采用的是仿生方法,将组合优化问题转化为生物学中的进化过程,它借助生物进化机制中的几种基本操作,如繁殖、交叉、变异等,使用迭
代方法来不断求得问题的最优解,从而解决复杂的组合优化问题。
二、原理及方法
遗传算法的核心思想是仿生,模仿自然界的自然选择和遗传机制,使
用特定的算法来对问题中的最优解进行求解。
遗传算法利用初始种群中的染色体(解空间内的点)作为算法迭代起
始点,然后采用种群的繁殖,交叉和变异等选择操作,不断的产生新的染
色体,并通过已有的机制(适应度函数)对最优解进行更新,最终得到最
优解解空间。
遗传算法包括初始化群体、适应度函数和操作函数三个主要模块。
(1)初始化群体:将染色体随机分配到各个体中,并产生一个初始
种群。
(2)适应度函数:用以评估种群中各个染色体的适应度,一般采用
最终目标函数来实现。
(3)操作函数:遗传算法中的核心函数,它实现了遗传算法中的生
物进化的过程。
GA算法
GA算法是一种基于自然群体遗传演化机制的搜索寻优算法,它是美国学者Holland于1975年首先提出来的。
算法摒弃了传统优化方法的搜索方式,模拟自然界生物进化过程,采用人工进化的方式对目标空间进行随机化搜索。
它将所研究问题的可能解看作是群体的一个个体(类似于生物的染色体),每一个个体,通过编码形成符号串形式,与问题的一个可能解对应,个体组合为群体,模拟达尔文的遗传选择和优胜劣汰的生物进化过程,反复对群体进行基于遗传学的操作(选择,交叉和变异),并依据个体的适应度对每个个体进行优劣评价,“适者生存,不适者淘汰”,使进化不断得到更优的群体。
遗传算法对求解问题本身一无所知,所需要的仅是对算法产生的每个个体进行评价,通过作用于个体上的基因,寻找更好的个体来求解问题。
合理地设计算子,能使所要优化的问题从初始解开始,以并行搜索方式,一步步逼近,最终获得问题的全局最优解。
遗传算法包括以下几大部步骤:编码、种群设定、适应度函数计算、遗传操作。
由于遗传算法的鲁棒性,对编码要求不太严格。
种群设定紧接编码,以初始化的种群为起点进行一代代计算的,种群规模影响着计算量的大小。
适应度函数是性能目标函数变换而来的,直接影响到收敛速度及能否找到最优的个体。
遗传操作包涵三个基本的算子:选择、交叉和变异。
其作用就是对种群的个体按适应度值大小进行一定的操作,从而实现自然界中一样的优胜劣汰的进化过程。
使用遗传算法时需要针对解决的寻优问题对参数进行设定,这些参数包括变量大小、种群规模,交叉概率,变异概率、最大遗传代数等。
种群规模表示种群中不同个体数目,即变量在给定范围内的可分成的数量,取值相对较小时,会降低种群的多样性,即变量的值相对较少。
种群规模影响遗传算法的运算速度,及成熟进度;取值较大会增加计算量。
科学研究中一般使用的范围为20-100。
交叉操作是遗传算法中产生新个体的主要方法,所以交叉概率一般应取较大值。
取值过大,会破坏群体中的优良模式,对进化算法产生不利影响;取值过小又会影响产生新个体的速度,不利于算法快速收敛。
遗传算法ga交叉算子最详细讲解
遗传算法(Genetic Algorithm,GA)是一种模拟生物进化过程的搜索算法,它通过模拟自然选择和遗传机制来寻找问题的最优解。
在遗传算法中,交叉(Crossover)是一种重要的操作,用于将两个个体的基因组合并成一个新的个体。
下面将对遗传算法中的交叉算子进行详细讲解。
一、交叉算子的概念交叉算子是遗传算法中用于产生新的个体的一种操作,它通过将两个个体的基因组合并起来,形成新的个体。
在遗传算法中,交叉操作通常在两个父代个体之间进行,通过交换部分基因来产生新的后代。
这种操作有助于在搜索过程中保持种群的多样性,避免陷入局部最优解。
二、交叉算子的类型遗传算法中的交叉算子有多种类型,常见的包括:1. 一点交叉(Single Point Crossover):选择两个父代个体,在它们之间随机选择一个点进行交叉。
两个父代的基因序列被分成两半,并在选定的点处交换一半的基因。
2. 均匀交叉(Uniform Crossover):选择两个父代个体,随机选择基因序列的区间进行交叉。
通常选择一段长度为两个父代个体基因长度之和的区间进行交叉,以产生新的子代个体。
3. 配对交叉(Pairwise Crossover):这是一种更高级的交叉方法,它允许父代个体之间进行一对一的交叉操作。
这种方法有助于保持种群的多样性,并减少搜索过程中的基因浪费。
4. 变异交叉(Mutation Crossover):在某些情况下,可以在交叉操作之前或之后进行变异操作,以引入一些随机性。
变异交叉是在基因序列上随机引入突变位点,以保持种群的随机性。
三、交叉算子的应用交叉算子在遗传算法中起着至关重要的作用,它有助于产生新的个体,并在搜索过程中保持种群的多样性。
通过交叉操作,遗传算法能够跳出局部最优解,并逐渐向全局最优解逼近。
在实际应用中,根据问题的特性和搜索空间的大小,可以选择合适的交叉算子来优化搜索过程。
总之,遗传算法中的交叉算子是实现种群多样性和产生新个体的关键操作。
GA算法
遗传算法的应用
5、节能设计方面对于汽车、机床等设备的电机类型、电 气控制参数、机械传动方案与参数等,以这些参数为参变 量编码,把能耗降低到最小目标,在满足功能要求的约 束下,利用遗传优化算法进行节能设计,使设备达到最佳效 果。 6、FMS(柔性制造系统)调度方面使待加工的零件在FMS 系统的制造时间最短,将该零件加工次序进行编码,用 遗传优化运算实现最短时间加工;针对一个需多工序加 工的零件,为确定每道工序所合理分配设备,对每道工序 分配设备号编码,在各台设备的负荷可能相等的前提下,用 遗传算法实现机床设备的最优分配。
模式示例:10**1
两个定义
– 定义1:模式 H 中确定位置的个数称为模式 H 的 阶,记作O(H)。 – 定义2:模式 H 中第一个确定位置和最后一个确 定位置之间的距离称为模式 H 的定义距,记作 δ(H)。
模式的描述:
模式的阶和定义距的含义
• 模式阶用来反映不同模式间确定性的差
异,模式阶数越高,模式的确定性就越
模拟生物在自然界环境变化,引起基因的突变.在染 色体二进制编码中,1变成0;或0变成1.突变产生染色 体的多样性,避免进化中早期成熟,陷入局部极值点, 突变的概率很低.
GA的流程
简单遗传算法(GA)的基本参数
①种群规模 P: 参与进化的染色体总数. ②代沟G: 二代之间不相同的染色体数目,无重叠G = 1;
变异概率对收敛性的影响
• 变异操作是对种群模式的扰动,有利于增 加种群的多样性 。但是,变异概率太小则 很难产生新模式,变异概率太大则会使遗 传算法成为随机搜索算法。
Schaffer建议的最优参数范围是: Population = 20-100, Generation = 100-500, Pc = 0.4-0.9, Pm = 0.001-0.01。
遗传算法解释及代码(一看就懂)
遗传算法解释及代码(一看就懂)遗传算法( GA , Genetic Algorithm ) ,也称进化算法。
遗传算法是受达尔文的进化论的启发,借鉴生物进化过程而提出的一种启发式搜索算法。
因此在介绍遗传算法前有必要简单的介绍生物进化知识。
一.进化论知识作为遗传算法生物背景的介绍,下面内容了解即可:种群(Population):生物的进化以群体的形式进行,这样的一个群体称为种群。
个体:组成种群的单个生物。
基因 ( Gene ) :一个遗传因子。
染色体 ( Chromosome ):包含一组的基因。
生存竞争,适者生存:对环境适应度高的、牛B的个体参与繁殖的机会比较多,后代就会越来越多。
适应度低的个体参与繁殖的机会比较少,后代就会越来越少。
遗传与变异:新个体会遗传父母双方各一部分的基因,同时有一定的概率发生基因变异。
简单说来就是:繁殖过程,会发生基因交叉( Crossover ) ,基因突变( Mutation ) ,适应度( Fitness )低的个体会被逐步淘汰,而适应度高的个体会越来越多。
那么经过N代的自然选择后,保存下来的个体都是适应度很高的,其中很可能包含史上产生的适应度最高的那个个体。
二.遗传算法思想借鉴生物进化论,遗传算法将要解决的问题模拟成一个生物进化的过程,通过复制、交叉、突变等操作产生下一代的解,并逐步淘汰掉适应度函数值低的解,增加适应度函数值高的解。
这样进化N代后就很有可能会进化出适应度函数值很高的个体。
举个例子,使用遗传算法解决“0-1背包问题”的思路:0-1背包的解可以编码为一串0-1字符串(0:不取,1:取);首先,随机产生M个0-1字符串,然后评价这些0-1字符串作为0-1背包问题的解的优劣;然后,随机选择一些字符串通过交叉、突变等操作产生下一代的M个字符串,而且较优的解被选中的概率要比较高。
这样经过G代的进化后就可能会产生出0-1背包问题的一个“近似最优解”。
编码:需要将问题的解编码成字符串的形式才能使用遗传算法。
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淘 汰
3 4 5 6 7 8 9 10
复制操作能从旧种群中选择出优秀者,但不能创造新的染色体!
二、遗传算法的基本操作
2 交叉(crossover)——基因重组
交叉就是互换两个染色体某些位上的基因 例:设染色体s1=01001011, s2=10010101,交换其后4位基因,即
单点交叉
s1′=01000101,
个体 1 2 染色体
0001100000 0101111001 0000000101 1001110100 1010101010 1110010110 1001011011 1100000001 1001110100 0001010011
适应度
8 5 2 10 7 12 5 19 10 14
选择概率
适应性》中首先提出的,它是一类借鉴生物界自然选择和
自然遗传机制的随机化搜索算法。GA来源于达尔文的进化 论、魏茨曼的物种选择学说和孟德尔的群体遗传学说。其
基本思想是模拟自然界遗传机制和生物进化论而形成的一
种过程搜索全局最优解的算法。
一、遗传算法概述
2、生物进化理论和遗传学基本知识
(1) 达尔文的自然选择说
轮盘赌选择(roulette wheel selection) 随机遍历抽样(stochastic universal selection)������ 局部选择(local selection)������ 截断选择(truncation selection)������ 锦标赛选择(tournament selection)
二、遗传算法的基本操作
1 选择-复制(selection-reproduction)
(2)在0-1之间产生一个随机数 0.507893 6 0.070221 1 0.545929 8 0.784567 9 0.446930 6 0.291198 5 0.716340 8 0.271901 4 0.371435 6 0.854641 10
二、遗传算法的基本操作
1 选择-复制(selection-reproduction)
选择概率P(xi)的计算公式为: P( xi )
f ( xi )
按比例的适应 选择-复制指的就是以一定的概率从种群中选择若干个体并进行 度分配方法 复制的操作
f (x
j 1
N
j
)
常用选择-复制方法:
������
0.086957 0.054348 0.021739 0.108696 0.076087 0.130435 0.054348 0.206522 0.108696 0.152174
累计概率
0.086957 0.141304 0.163043 0.271739 0.347826 0.478261 0.532609 0.739130 0.847826 1.000000
基因(gene):染色体的一个片段
个体 9 ---染色体 1001
染色体(Chromosome):问题中个体的某种字符串形式的编码表示 种群(Population):个体的集合,该集合内的个体数称为种群的大小 基因型(genetype):基因组合的模型,染色体的内部表现 表现型(phenotype):染色体决定性状的外部表现
适应度
8 5 2 10 7 12 5 19 10 14
选择概率
0.086957 0.054348 0.021739 0.108696 0.076087 0.130435 0.054348 0.206522 0.108696 0.152174
累计概率
0.086957 0.141304 0.163043 0.271739 0.347826 0.478261 0.532609 0.739130 0.847826 1.000000
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1
一、遗传算法概述
2、生物进化理论和遗传学基本知识
(2) 遗传学基本概念和术语
进化(evolution):个体逐渐适应生存环境,不断改良品质的过程 适应度(fitness):反映个体性能的一个数量值 适应度函数(fitness function): 问题中的全体个体与其适应度之间的一个对应关系,一般是一 个实值函数。该函数就是遗传算法中指导搜索的评价函数。 编码(coding):从表现型到基因型的映射 解码(decoding):从基因型到表现性的映射
Hale Waihona Puke 二、遗传算法的基本操作1 选择-复制(selection-reproduction)
例:轮盘赌选择
8 8 5 2 10 7 12 5 19 10 14
解 (1)计算选择概率和累计概率
个体 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
染色体
0001100000 0101111001 0000000101 1001110100 1010101010 1110010110 1001011011 1100000001 1001110100 0001010011
s2′=10011011
可以看做是原染色体s1和s2的子代染色体
二、遗传算法的基本操作
2 交叉(crossover)——基因重组
其它常用的交叉方法:
多点交叉(multiple-point crossover)������
均匀交叉(uniform crossover)������
遗传(heredity):
子代和父代具有相同或相似的性状,保证物种的稳定性
变异(variation):
子代与父代,子代不同个体之间总有差异,是生命多样性的根源
生存斗争和适者生存:
具有适应性变异的个体被保留,不具适应性变异的个体被淘汰
一、遗传算法概述
2、生物进化理论和遗传学基本知识
(2) 遗传学基本概念和术语
主要内容
一、遗传算法概述 二、遗传算法的基本操作
三、遗传算法原理
四、遗传算法的应用
现代智能优化算法
自 由 搜 索 算 法
FS
遗 传 算 法
GA
禁 忌 算 法
TS
蚁 群 算 法
ACO
粒 子 群 算 法
PSO
细 菌 算 法
BC
混 沌 算 法
COA
一、遗传算法概述
1、遗传算法起源
遗传算法(Genetic Algorithm, GA)是由美国的J. Holland教授于1975年在他的专著《自然界和人工系统的