MATLAB实验遗传算法与优化设计
MATLAB实验遗传算法与优化设计（可编辑）
MATLAB实验遗传算法与优化设计遗传算法与优化设计一实验目的1 了解遗传算法的基本原理和基本操作选择交叉变异2 学习使用Matlab中的遗传算法工具箱 gatool 来解决优化设计问题二实验原理及遗传算法工具箱介绍1 一个优化设计例子图1所示是用于传输微波信号的微带线电极的横截面结构示意图上下两根黑条分别代表上电极和下电极一般下电极接地上电极接输入信号电极之间是介质如空气陶瓷等微带电极的结构参数如图所示Wt分别是上电极的宽度和厚度D是上下电极间距当微波信号在微带线中传输时由于趋肤效应微带线中的电流集中在电极的表面会产生较大的欧姆损耗根据微带传输线理论高频工作状态下假定信号频率1GHz电极的欧姆损耗可以写成简单起见不考虑电极厚度造成电极宽度的增加图1 微带线横截面结构以及场分布示意图1其中为金属的表面电阻率为电阻率可见电极的结构参数影响着电极损耗通过合理设计这些参数可以使电极的欧姆损耗做到最小这就是所谓的最优化问题或者称为规划设计问题此处设计变量有3个WDt它们组成决策向量[W D t] T待优化函数称为目标函数上述优化设计问题可以抽象为数学描述2其中是决策向量x1xn为n个设计变量这是一个单目标的数学规划问题在一组针对决策变量的约束条件下使目标函数最小化有时也可能是最大化此时在目标函数前添个负号即可满足约束条件的解X 称为可行解所有满足条件的X组成问题的可行解空间2 遗传算法基本原理和基本操作遗传算法 Genetic Algorithm GA 是一种非常实用高效鲁棒性强的优化技术广泛应用于工程技术的各个领域如函数优化机器学习图像处理生产调度等遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化算法按照达尔文的进化论生物在进化过程中物竞天择对自然环境适应度高的物种被保留下来适应度差的物种而被淘汰物种通过遗传将这些好的性状复制给下一代同时也通过种间的交配交叉和变异不断产生新的物种以适应环境的变化从总体水平上看生物在进化过程中子代总要比其父代优良因此生物的进化过程其实就是一个不断产生优良物种的过程这和优化设计问题具有惊人的相似性从而使得生物的遗传和进化能够被用于实际的优化设计问题按照生物学知识遗传信息基因Gene 的载体是染色体Chromosome 染色体中一定数量的基因按照一定的规律排列即编码遗传基因在染色体中的排列位置称为基因座Locus在同一个基因座上所有可能的基因就称为等位基因Allele生物所持有的基因以及基因的构成形式称为生物的基因型Genotype而该生物在环境中所呈现的相应性状称为该生物的表现型Phenotype在遗传过程中染色体上的基因能够直接复制给子代从而使得子代具有亲代的特征此外两条染色体之间也通过交叉 Crossover 而重组即两个染色体在某个相同的位置处被截断其前后两串基因交叉组合而形成两个新的染色体在基因复制时也会产生微小的变异Mutation从而也产生了新的染色体因此交叉和变异是产生新物种的主要途径由于自然选择在子代群体新产生的物种或染色体当中只有那些对环境适应度高的才能生存下来即适应度越高的被选择的概率也越大然后又是通过遗传和变异再自然选择一代一代不断进化因此生物遗传和进化的基本过程就是选择即复制交叉和变异遗传算法就是通过模拟生物进化的这几个基本过程而实现的①编码编码是设计遗传算法首要解决的问题在生物进化中选择交叉变异这些基本过程都是基于遗传信息的编码方式进行的即基于染色体的基因型而非表现型因此要模拟生物进化过程遗传算法必须首先对问题的可行解X决策向量进行某种编码以便借鉴生物学中染色体和基因等概念在遗传算法中将每一个决策向量X用一个染色体V来表示3其中每一个vi代表一个基因染色体的长度m不一定等于设计变量的数目n取决于染色体上基因的编码方式一般有两种编码方式二进制编码和浮点数编码如果是二进制编码每一个设计变量xi的真实值用一串二进制符号0和1按照一定的编码规则来表示每个二进制符号就代表一个基因因此染色体长度要远大于设计变量的数目这种由二进制编码构成的排列形式V就是染色体也称个体的基因型而基因型经过解码后所对应的决策向量X即可行解就是个体的表现型如果是浮点数编码每个设计变量用其取值范围内的一个浮点数表示构成染色体的一个基因vi因此个体的编码长度m也就等于决策变量的个数n由于这种编码方式使用的是决策变量的真实值所以也称真值编码方法无论哪种编码方式所有可能的染色体个体V构成问题的搜索空间种群遗传算法对最优解的搜索就是在搜索空间中搜索适应度最高的染色体后面叙述适应度的计算因此通过编码将一个问题的可行解从其解空间转换到了遗传算法能够处理的搜索空间经过个体的编码后就可以进行遗传算法的基本操作选择交叉和变异②选择复制操作选择也就是复制是在群体中选择适应度高的个体产生新群体的过程生物的进化是以集团为主体的与此相应遗传算法的运算对象是有M个个体或染色体组成的集合称为种群M也称为种群规模遗传算法在模拟自然选择时以个体的适应度Fitness高低为选择依据即适应度高的个体被遗传到下一代种群的概率较高而适应度低的个体遗传到下一代的概率则相对较低个体适应度由适应度函数计算适应度函数总是和个体表现型 ie X 的目标函数值f X 关联一般是由目标函数经过一定的变换得到一种最简单的方法就是直接使用目标函数f X 作为适应度函数4选定了适应度函数之后个体适应度也随之确定则在选择操作时个体被选中的概率5其中Fi为个体的适应度这种选择方式称为比例选择也称轮盘赌选择除此之外还有多种选择方法如随机竞争选择均匀选择无回放随机选择等不一一介绍③交叉操作所谓交叉就是以一定的概率交叉概率从群体中选择两个个体染色体按照某种方式交换其部分基因从而形成两个新的个体在遗传算法中它是产生新个体同时也是获得新的优良个体的主要方法它决定了遗传算法的全局搜索能力对于不同的编码方式交叉操作的具体方法也不相同对于浮点数编码一般使用算术交叉对于二进制编码有单点交叉和多点交叉等方式不论何种方式在交叉操作时首先应定义交叉概率Pc这个概率表明种群中参与交叉的个体数目的期望值是M 是种群规模通常交叉概率应取较大的值以便产生较多的新个体增加全局搜索力度但是Pc过大时优良个体被破坏的可能性也越大如果Pc 太小则搜索进程变慢影响算法的运行效率一般建议的取值范围是04–099④变异操作遗传算法中的变异操作就是将染色体上某些基因座上的基因以一定的变异概率Pm用其他的等位基因替代从而形成新的个体对于浮点数编码变异操作就是将变异点处的基因用该基因取值范围内的一个随机数替换对于二进制编码则是将变异点处的基因由1变成00变成1变异操作也有多种方法如均匀变异非均匀变异高斯变异等变异操作的概率Pm要比交叉操作的概率Pc小得多变异只是产生新个体的辅助手段但它是遗传算法必不可少的一个环节因为变异操作决定了算法的局部搜索能力它弥补了交叉操作无法对搜索空间的细节进行局部搜索的不足因此交叉和变异操作相互配合共同完成对搜索空间的全局和局部搜索以上简要介绍了遗传算法的基本原理和操作归纳起来基本遗传算法一般可以表示为一个8元组6式中C 个体的编码方法E 个体适应度评价函数P0 初始种群M 种群规模选择操作交叉操作变异操作是进化终止代数进化终止条件其中有4个运行参数需要预先设定M T PcPm 种群规模M一般取为20100 终止代数T一般取100500交叉概率Pc一般取04099 变异概率Pm一般取0000101最后给出遗传算法的基本步骤①选择二进制编码或浮点数编码把问题的解表示成染色体②随机产生一群染色体个体也就是初始种群③计算每一个个体的适应度值按适者生存的原则从中选择出适应度较大的染色体进行复制再通过交叉变异过程产生更适应环境的新一代染色体群即子代④重复第3步经过这样的一代一代地进化最后就会收敛到最适应环境适应度最大的一个染色体即个体上它就是问题的最优解图2给出了基本遗传算法设计流程图其中t代表当前代数T是进化终止代数图2 基本遗传算法设计流程图3 Matlab遗传算法工具箱 gatoolMatlab的遗传算法工具箱有一个精心设计的图形用户界面可以帮助用户直观方便快速地利用遗传算法求解最优化问题在Matlab命令窗口输入命令gatool可以打开遗传算法工具箱的图形用户界面如图3所示GA工具箱的参数设置步骤如下图3 遗传算法工具1 首先使用遗传算法工具箱必须输入下列信息Fitness function 适应度函数这里指的是待优化的函数也即目标函数该工具箱总是试图寻找目标函数的最小值输入适应度函数的格式为fitnessfun其中符号产生函数fitnessfun的句柄fitnessfun代表用户编写的计算适应度函数目标函数的M文件名该M文件的编写方法如下假定我们要计算Rastrigin函数的最小值7M函数文件确定这个函数必须接受一个长度为2的行向量X也即决策向量向量的长度等于变量数目行向量X的每个元素分别和变量x1和x2对应另外M文件要返回一个标量Z其值等于该函数的值下面是计算Rastrigin函数的M文件代码function Z Ras_fun XZ 20X 1 2X 2 2-10 cos 2piX 1 cos 2piX 2M文件编写保存后再在gatool工具箱界面Fitness function栏输入 Ras_funNumber of variable 变量个数目标函数中的变量数目也即适应度函数输入向量的长度在上例中它的值是22 其次设置遗传算法参数即Options设置以下只介绍部分运行参数的设置其他未提及的参数采用默认设置即可①种群参数 PopulationPopulation size 种群规模每一代中的个体数目一般是20-100之间种群规模大算法搜索更彻底可以增加算法搜索全局最优而非局部最优的概率但是耗时也更长Initial range 初始范围其值是两行的矩阵代表初始种群中个体的搜索范围实际上是决策向量X中每个变量xi的初始搜索范围矩阵的列数等于变量个数Number of variable第一行是每个变量的下限第二行是每个变量的上限如果只输入2 1的矩阵则每个变量的初始搜索范围都一样注意初始范围仅限定初始种群中个体或决策向量的范围后续各代中的个体可以不在初始范围之内初始范围不能设置太小否则造成个体之间的差异过小即种群的多样性降低不利于算法搜索到最优解②复制参数 ReproductionCrossover fraction 交叉概率一般取04099默认08③算法终止准则 Stopping Criteria提供了5种算法终止条件Generations最大的进化代数一般取100500默认是100当遗传算法运行到该参数指定的世代计算终止Time limit指明算法终止执行前的最大时间单位是秒缺省是Inf 无穷大Fitness limit 适应度限当最优适应度值小于或等于此参数值时计算终止缺省是-InfStall generation 停滞代数如果每一代的最佳适应度值在该参数指定的代数没有改善则终止计算缺省是50代Stall time 停滞时间如果每一代的最佳适应度值在该参数指定的时间间隔内没有改善则终止计算缺省是20秒3 设置绘图参数即Plots设置绘图参数Plots工作时可以从遗传算法得到图形数据当选择各种绘图参数并执行遗传算法时一个图形窗口在分离轴上显示这些图形下面介绍其中2个参数Best fitness 选择该绘图参数时将绘制每一代的最佳适应度值和进化世代数之间的关系图如图4的上图所示图中蓝色点代表每一代适应度函数的平均值黑色点代表每一代的最佳值Distance 选择此参数时绘制每一代中个体间的平均距离它反映个体之间的差异程度所以可用来衡量种群的多样性图4的下图显示的即是每一代个体间的平均距离图44 执行算法参数设置好了之后点击工具箱界面上的按钮Star 执行求解器在算法运行的同时Current generation当前代数文本框中显示当前的进化代数通过单击Pause按钮可以使计算暂停之后再点击Resume可以恢复计算当计算完成时Status and results窗格中出现如图5所示的情形图5其中包含下列信息算法终止时适应度函数的最终值即目标函数的最优值Fitness function value 0003909079476983379算法终止原因Optimization terminated imum number of generations exceeded 超出最大进化世代数最终点即目标函数的最优解[x1 x2] [-0004 -000193]两个变量的例子三实验内容1 Rastrigin函数的最小值问题函数表达式如 7 式函数图像如下图6所示它有多个局部极小值但是只有一个全局最小值Rastrigin函数的全局最小值的精确解是0出现在[x1 x2] [0 0]处图6 Rastrigin函数图像使用遗传算法工具箱近似求解Rastrigin函数的最小值首先编写计算适应度函数的M文件然后设置运行参数绘图参数Plots勾选Best fitness和Distance两项其它参数可以使用默认值执行求解器Run solver计算Rastrigin函数的最优值观察种群多样性对优化结果的影响决定遗传算法的一个重要性能是种群的多样性个体之间的距离越大则多样性越高反之则多样性越低多样性过高或过低遗传算法都可能运行不好通过实验调整Population 种群的Initial range 初始范围参数可得到种群适当的多样性取Initial range参数值[1 11]观察Rastrigin函数最小值的计算结果取Initial range参数值[1 100]观察Rastrigin函数最小值的计算结果取Initial range参数值[1 2]观察Rastrigin函数最小值的计算结果2 微带电极欧姆损耗的优化微带电极的欧姆损耗公式可由 1 式表示令设计变量[WDt] [x1 x2 x3] X变量的约束条件如下8根据 1 式和 8 式使用遗产算法工具箱优化设计电极的结构参数W 宽度 D 间距 t 厚度使得电极的欧姆损耗最小 1 式中用到的常数提示对约束条件 8 式的处理可以在编写计算适应度函数的M文件中实现方法是在M文件中引入对每个输入变量值范围的判断语句如果任一变量范围超出 8 式的限制则给该个体的适应度施加一个惩罚使得该个体被遗传到下一代的概率减小甚至为0一般可用下式对个体适应度进行调整9其中F x 是原适应度F x 是调整后的适应度P x 是罚函数为简单计本问题中我们可以给个体的适应度 com件的返回值Z 加上一个很大的数即可如正无穷Inf四思考题1 在遗传算法当中个体的变异对结果有何影响如果没有变异结果又将如何试以Rastrigin函数最小值的计算为例说明取变异概率为0即交叉概率Crossover fraction 102 遗传算法工具箱针对的是最小化函数值问题如果要利用该工具箱计算函数的最大值该如何实现。
matlab遗传算法高维自变量优化
matlab遗传算法高维自变量优化【最新版】目录一、引言二、遗传算法简介1.基本概念2.遗传算法的优缺点三、高维自变量优化问题1.问题描述2.遗传算法在高维自变量优化中的应用四、MATLAB 中遗传算法的实现1.代码结构2.算法参数设置3.算法实现步骤五、遗传算法在高维自变量优化问题的应用实例1.实例描述2.算法性能比较六、结论正文一、引言遗传算法（Genetic Algorithm, GA）是一种模拟自然界生物进化过程的随机搜索算法。
通过模拟自然选择、交叉和变异等遗传操作，遗传算法在搜索最优解方面具有较强的能力。
在解决高维自变量优化问题方面，遗传算法具有显著的优势。
本文将介绍遗传算法的基本原理及其在MATLAB 中的实现，并通过一个实例探讨遗传算法在高维自变量优化问题中的应用。
二、遗传算法简介（一）基本概念遗传算法主要包括以下三个基本概念：1.种群（Population）：种群是遗传算法的基本结构，包含了一组个体，每个个体表示一个解。
2.染色体（Chromosome）：染色体是遗传算法中的基本单位，包含了一个个体的解。
在高维自变量优化问题中，染色体对应于自变量的各个维度。
3.适应度函数（Fitness Function）：适应度函数用于评价个体的优劣，是遗传算法中进行选择、交叉和变异的依据。
（二）遗传算法的优缺点遗传算法的优点主要有：1.全局搜索能力：遗传算法能够处理复杂、非线性、高维的优化问题。
2.自适应：遗传算法能够自动调整搜索策略，适应问题的变化。
3.并行处理：遗传算法易于实现并行处理，提高计算效率。
遗传算法的缺点主要有：1.收敛速度慢：遗传算法的收敛速度通常较慢，需要较多迭代次数。
2.算法参数设置复杂：遗传算法的性能受到交叉概率、变异概率等参数的影响，参数设置需要经验积累。
三、高维自变量优化问题（一）问题描述高维自变量优化问题指的是在高维空间中寻找一个最优解，其中目标函数具有多个自变量。
现代设计优化算法MATLAB实现
现代设计优化算法MATLAB实现MATLAB作为现代科学计算与工程设计领域常用的软件工具，提供了丰富的设计优化算法的实现函数和工具箱，可以方便地进行设计优化问题的求解。
下面将介绍几种常用的现代设计优化算法的MATLAB实现。
1. 遗传算法（Genetic Algorithm, GA）遗传算法是模拟达尔文进化论中的基因进化原理，通过对个体的染色体进行遗传操作（如交叉、变异），以逐代优胜劣汰的方式最优解。
在MATLAB中，可以使用内置函数`ga`来实现遗传算法求解设计优化问题。
2. 粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization, PSO）粒子群优化算法是基于自然界中鸟群或鱼群等生物群体行为的一种群体智能优化算法。
算法通过模拟粒子在解空间中的移动和，以群体协作的方式寻找最优解。
在MATLAB中，可以使用内置函数`particleswarm`来实现粒子群优化算法求解设计优化问题。
3. 免疫算法（Immune Algorithm, IA）免疫算法是通过模拟免疫系统中的记忆、选择和适应机制来进行和优化的一种算法。
它将问题空间看做是一个免疫系统，通过构建克隆、变异和选择等操作，寻找最优解。
在MATLAB中，可以使用工具箱中的Immune Toolbox来实现免疫算法求解设计优化问题。
4. 蚁群优化算法（Ant Colony Optimization, ACO）蚁群优化算法是通过模拟蚂蚁在寻找食物过程中的信息素释放与感知行为来进行和优化的一种算法。
算法通过更新信息素浓度和蚂蚁的选择行为，以迭代方式寻找最优解。
在MATLAB中，可以使用工具箱中的ACO Toolbox来实现蚁群优化算法求解设计优化问题。
这些算法的实现方式各有不同，但都可以通过MATLAB中提供的函数和工具箱来方便地进行设计优化问题的求解。
在使用这些算法时，需要根据具体的问题和算法特点进行选择和参数调整，以获得较好的优化结果。
在matlab中使用遗传算法执行最优化
在matlab中使⽤遗传算法执⾏最优化 遗传算法是⼀种通⽤的最优化⽅法，具体原理可以看：。
下⾯记录在Matlab中如何使⽤遗传算法来做优化。
⽤法 调⽤⽅式如下：1 x = ga(fun,nvars)2 x = ga(fun,nvars,A,b)3 x = ga(fun,nvars,A,b,Aeq,beq)4 x = ga(fun,nvars,A,b,Aeq,beq,lb,ub)5 x = ga(fun,nvars,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon)6 x = ga(fun,nvars,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon,options)7 x = ga(fun,nvars,A,b,[],[],lb,ub,nonlcon,IntCon)8 x = ga(fun,nvars,A,b,[],[],lb,ub,nonlcon,IntCon,options)9 x = ga(problem)10 [x,fval] = ga(___)11 [x,fval,exitflag,output] = ga(___)12 [x,fval,exitflag,output,population,scores] = ga(___)参数解释 fun: 要执⾏最优化的函数，⽤于输⼊待优化变量$x$。
只能包含⼀个参数，可以是单个标量，也可以是向量。
输出⼀个标量。
nvars: 最优化函数传⼊向量的元素数量。
A, b: 线性不等式约束的系数。
即待优化变量$x$要满⾜$A\cdot x \le b$。
Aeq, beq: 线性等式约束的系数。
即待优化变量$x$要满⾜$Aeq\cdot x = beq$。
lb, ub: 传⼊向量的取值范围。
即待优化变量$x$要满⾜$lb\le x\le ub$。
nonlcon: 定义⾮线性不等式约束和等式约束的函数。
该函数只能包含⼀个参数⽤于接受待优化变量$x$，然后输出不等式约束值$C(x)$和等式约束值$Ceq(x)$。
MATLAB实验遗传算法与优化设计
实验六遗传算法与优化设计一、实验目的1. 了解遗传算法的基本原理和基本操作（选择、交叉、变异）；2. 学习使用Matlab中的遗传算法工具箱(gatool)来解决优化设计问题；二、实验原理及遗传算法工具箱介绍1. 一个优化设计例子图1所示是用于传输微波信号的微带线(电极)的横截面结构示意图，上下两根黑条分别代表上电极和下电极，一般下电极接地，上电极接输入信号，电极之间是介质(如空气，陶瓷等)。
微带电极的结构参数如图所示，W、t分别是上电极的宽度和厚度，D是上下电极间距。
当微波信号在微带线中传输时，由于趋肤效应，微带线中的电流集中在电极的表面，会产生较大的欧姆损耗。
根据微带传输线理论，高频工作状态下（假定信号频率1GHz），电极的欧姆损耗可以写成（简单起见，不考虑电极厚度造成电极宽度的增加）：图1 微带线横截面结构以及场分布示意图(1)其中为金属的表面电阻率，为电阻率。
可见电极的结构参数影响着电极损耗，通过合理设计这些参数可以使电极的欧姆损耗做到最小，这就是所谓的最优化问题或者称为规划设计问题。
此处设计变量有3个：W、D、t，它们组成决策向量[W, D ,t] T，待优化函数称为目标函数。
上述优化设计问题可以抽象为数学描述：(2)其中是决策向量，x1，…，xn为n个设计变量。
这是一个单目标的数学规划问题：在一组针对决策变量的约束条件下，使目标函数最小化（有时也可能是最大化，此时在目标函数前添个负号即可）。
满足约束条件的解X称为可行解，所有满足条件的X组成问题的可行解空间。
2. 遗传算法基本原理和基本操作遗传算法(Genetic Algorithm, GA)是一种非常实用、高效、鲁棒性强的优化技术，广泛应用于工程技术的各个领域(如函数优化、机器学习、图像处理、生产调度等)。
遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化算法。
按照达尔文的进化论，生物在进化过程中“物竞天择”，对自然环境适应度高的物种被保留下来，适应度差的物种而被淘汰。
matlab实用教程 实验十 遗传算法与优化问题
matlab实用教程实验十遗传算法与优化问题matlab实用教程实验十遗传算法与优化问题一、问题背景与实验目的二、相关函数（命令）及简介三、实验内容四、自己动手一、问题背景与实验目的遗传算法（Genetic Algorithm—GA），是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型，它是由美国Michigan大学的J.Holland教授于1975年首先提出的．遗传算法作为一种新的全局优化搜索算法，以其简单通用、鲁棒性强、适于并行处理及应用范围广等显著特点，奠定了它作为21世纪关键智能计算之一的地位．本实验将首先介绍一下遗传算法的基本理论，然后用其解决几个简单的函数最值问题，使读者能够学会利用遗传算法进行初步的优化计算．1．遗传算法的基本原理遗传算法的基本思想正是基于模仿生物界遗传学的遗传过程．它把问题的参数用基因代表，把问题的解用染色体代表（在计算机里用二进制码表示），从而得到一个由具有不同染色体的个体组成的群体．这个群体在问题特定的环境里生存竞争，适者有最好的机会生存和产生后代．后代随机化地继承了父代的最好特征，并也在生存环境的控制支配下继续这一过程．群体的染色体都将逐渐适应环境，不断进化，最后收敛到一族最适应环境的类似个体，即得到问题最优的解．值得注意的一点是，现在的遗传算法是受生物进化论学说的启发提出的，这种学说对我们用计算机解决复杂问题很有用，而它本身是否完全正确并不重要（目前生物界对此学说尚有争议）．（1）遗传算法中的生物遗传学概念由于遗传算法是由进化论和遗传学机理而产生的直接搜索优化方法；故而在这个算法中要用到各种进化和遗传学的概念．首先给出遗传学概念、遗传算法概念和相应的数学概念三者之间的对应关系．这些概念如下：序号遗传学概念遗传算法概念数学概念1个体要处理的基本对象、结构也就是可行解2群体个体的集合被选定的一组可行解3染色体个体的表现形式可行解的编码4基因染色体中的元素编码中的元素5基因位某一基因在染色体中的位置元素在编码中的位置6适应值个体对于环境的适应程度，或在环境压力下的生存能力可行解所对应的适应函数值7种群被选定的一组染色体或个体根据入选概率定出的一组可行解8选择从群体中选择优胜的个体，淘汰劣质个体的操作保留或复制适应值大的可行解，去掉小的可行解9交叉一组染色体上对应基因段的交换根据交叉原则产生的一组新解10交叉概率染色体对应基因段交换的概率（可能性大小）闭区间[0,1]上的一个值，一般为0.65~0.9011变异染色体水平上基因变化编码的某些元素被改变12变异概率染色体上基因变化的概率（可能性大小）开区间(0,1)内的一个值, 一般为0.001~0.0113进化、适者生存个体进行优胜劣汰的进化，一代又一代地优化目标函数取到最大值，最优的可行解（2）遗传算法的步骤遗传算法计算优化的操作过程就如同生物学上生物遗传进化的过程，主要有三个基本操作（或称为算子）：选择（Selection）、交叉（Crossover）、变异（Mutation）．遗传算法基本步骤主要是：先把问题的解表示成“染色体”，在算法中也就是以二进制编码的串，在执行遗传算法之前，给出一群“染色体”，也就是假设的可行解．然后，把这些假设的可行解置于问题的“环境”中，并按适者生存的原则，从中选择出较适应环境的“染色体”进行复制，再通过交叉、变异过程产生更适应环境的新一代“染色体”群．经过这样的一代一代地进化，最后就会收敛到最适应环境的一个“染色体”上，它就是问题的最优解．下面给出遗传算法的具体步骤，流程图参见图1：第一步：选择编码策略，把参数集合（可行解集合）转换染色体结构空间；第二步：定义适应函数，便于计算适应值；第三步：确定遗传策略，包括选择群体大小，选择、交叉、变异方法以及确定交叉概率、变异概率等遗传参数；第四步：随机产生初始化群体；第五步：计算群体中的个体或染色体解码后的适应值；第六步：按照遗传策略，运用选择、交叉和变异算子作用于群体，形成下一代群体；第七步：判断群体性能是否满足某一指标、或者是否已完成预定的迭代次数，不满足则返回第五步、或者修改遗传策略再返回第六步．图1 一个遗传算法的具体步骤遗传算法有很多种具体的不同实现过程，以上介绍的是标准遗传算法的主要步骤，此算法会一直运行直到找到满足条件的最优解为止．2．遗传算法的实际应用例1：设，求．注：这是一个非常简单的二次函数求极值的问题，相信大家都会做．在此我们要研究的不是问题本身，而是借此来说明如何通过遗传算法分析和解决问题．在此将细化地给出遗传算法的整个过程．（1）编码和产生初始群体首先第一步要确定编码的策略，也就是说如何把到2这个区间内的数用计算机语言表示出来．编码就是表现型到基因型的映射，编码时要注意以下三个原则：完备性：问题空间中所有点（潜在解）都能成为GA编码空间中的点（染色体位串）的表现型；健全性：GA编码空间中的染色体位串必须对应问题空间中的某一潜在解；非冗余性：染色体和潜在解必须一一对应．这里我们通过采用二进制的形式来解决编码问题，将某个变量值代表的个体表示为一个{0，1}二进制串．当然，串长取决于求解的精度．如果要设定求解精度到六位小数，由于区间长度为，则必须将闭区间分为等分．因为所以编码的二进制串至少需要22位．将一个二进制串（b21b20b19…b1b0）转化为区间内对应的实数值很简单，只需采取以下两步（Matlab程序参见附录4）：1）将一个二进制串（b21b20b19…b1b0）代表的二进制数化为10进制数：2）对应的区间内的实数：例如，一个二进制串a=<1000101110110101000111>表示实数0.637197．=(1000101110110101000111)2=2288967二进制串<0000000000000000000000>，<1111111111111111111111>，则分别表示区间的两个端点值-1和2．利用这种方法我们就完成了遗传算法的第一步——编码，这种二进制编码的方法完全符合上述的编码的三个原则．首先我们来随机的产生一个个体数为4个的初始群体如下：pop(1)={<1101011101001100011110>，%% a1<1000011001010001000010>，%% a2<0001100111010110000000>，%% a3<0110101001101110010101>} %% a4（Matlab程序参见附录2）化成十进制的数分别为：pop(1)={ 1.523032，0.574022 ，-0.697235 ，0.247238 }接下来我们就要解决每个染色体个体的适应值问题了．（2）定义适应函数和适应值由于给定的目标函数在内的值有正有负，所以必须通过建立适应函数与目标函数的映射关系，保证映射后的适应值非负，而且目标函数的优化方向应对应于适应值增大的方向，也为以后计算各个体的入选概率打下基础．对于本题中的最大化问题，定义适应函数，采用下述方法：式中既可以是特定的输入值，也可以是当前所有代或最近K代中的最小值，这里为了便于计算，将采用了一个特定的输入值．若取，则当时适应函数；当时适应函数．由上述所随机产生的初始群体，我们可以先计算出目标函数值分别如下（Matlab程序参见附录3）：f [pop(1)]={ 1.226437 , 1.318543 , -1.380607 , 0.933350 }然后通过适应函数计算出适应值分别如下（Matlab程序参见附录5、附录6）：取，g[pop(1)]= { 2.226437 , 2.318543 , 0 , 1.933350 }（3）确定选择标准这里我们用到了适应值的比例来作为选择的标准，得到的每个个体的适应值比例叫作入选概率．其计算公式如下：对于给定的规模为n的群体pop={}，个体的适应值为，则其入选概率为由上述给出的群体，我们可以计算出各个个体的入选概率．首先可得，然后分别用四个个体的适应值去除以，得：P(a1)=2.226437 / 6.478330 = 0.343675 %% a1P(a2)=2.318543 / 6.478330 = 0.357892 %% a2P(a3)= 0 / 6.478330 = 0 %% a3P(a4)=1.933350 / 6.478330 = 0.298433 %% a4（Matlab程序参见附录7）（4）产生种群计算完了入选概率后，就将入选概率大的个体选入种群，淘汰概率小的个体，并用入选概率最大的个体补入种群，得到与原群体大小同样的种群（Matlab程序参见附录8、附录11）．要说明的是：附录11的算法与这里不完全相同．为保证收敛性，附录11的算法作了修正，采用了最佳个体保存方法（elitist model），具体内容将在后面给出介绍．由初始群体的入选概率我们淘汰掉a3，再加入a2补足成与群体同样大小的种群得到newpop(1)如下：newpop(1)={<1101011101001100011110>，%% a1<1000011001010001000010>，%% a2<1000011001010001000010>，%% a2<0110101001101110010101>} %% a4（5）交叉交叉也就是将一组染色体上对应基因段的交换得到新的染色体，然后得到新的染色体组，组成新的群体（Matlab程序参见附录9）．我们把之前得到的newpop(1)的四个个体两两组成一对，重复的不配对，进行交叉．（可以在任一位进行交叉）<110101110 1001100011110>，<1101011101010001000010>交叉得：<100001100 1010001000010>，<1000011001001100011110><10000110010100 01000010>，<1000011001010010010101>交叉得：<01101010011011 10010101>，<0110101001101101000010>通过交叉得到了四个新个体，得到新的群体jchpop (1)如下：jchpop(1)={<1101011101010001000010>，<1000011001001100011110>，<1000011001010010010101>，<0110101001101101000010>}这里采用的是单点交叉的方法，当然还有多点交叉的方法，不过有些烦琐，这里就不着重介绍了．（6）变异变异也就是通过一个小概率改变染色体位串上的某个基因（Matlab程序参见附录10）．现把刚得到的jchpop(1)中第3个个体中的第9位改变，就产生了变异，得到了新的群体pop(2)如下：pop(2)= {<1101011101010001000010>，<1000011001001100011110>，<1000011011010010010101>，<0110101001101101000010> }然后重复上述的选择、交叉、变异直到满足终止条件为止．（7）终止条件遗传算法的终止条件有两类常见条件：（1）采用设定最大（遗传）代数的方法，一般可设定为50代，此时就可能得出最优解．此种方法简单易行，但可能不是很精确（Matlab程序参见附录1）；（2）根据个体的差异来判断，通过计算种群中基因多样性测度，即所有基因位相似程度来进行控制．3．遗传算法的收敛性前面我们已经就遗传算法中的编码、适应度函数、选择、交叉和变异等主要操作的基本内容及设计进行了详细的介绍．作为一种搜索算法，遗传算法通过对这些操作的适当设计和运行，可以实现兼顾全局搜索和局部搜索的所谓均衡搜索，具体实现见下图2所示．图2 均衡搜索的具体实现图示应该指出的是，遗传算法虽然可以实现均衡的搜索，并且在许多复杂问题的求解中往往能得到满意的结果，但是该算法的全局优化收敛性的理论分析尚待解决．目前普遍认为，标准遗传算法并不保证全局最优收敛．但是，在一定的约束条件下，遗传算法可以实现这一点．下面我们不加证明地罗列几个定理或定义，供读者参考（在这些定理的证明中，要用到许多概率论知识，特别是有关马尔可夫链的理论，读者可参阅有关文献）．定理1 如果变异概率为，交叉概率为，同时采用比例选择法（按个体适应度占群体适应度的比例进行复制），则标准遗传算法的变换矩阵P是基本的．定理2 标准遗传算法（参数如定理1）不能收敛至全局最优解．由定理2可以知道，具有变异概率，交叉概率为以及按比例选择的标准遗传算法是不能收敛至全局最最优解．我们在前面求解例1时所用的方法就是满足定理1的条件的方法．这无疑是一个令人沮丧的结论．然而，庆幸的是，只要对标准遗传算法作一些改进，就能够保证其收敛性．具体如下：我们对标准遗传算法作一定改进，即不按比例进行选择，而是保留当前所得的最优解（称作超个体）．该超个体不参与遗传．最佳个体保存方法（elitist model）的思想是把群体中适应度最高的个体不进行配对交叉而直接复制到下一代中．此种选择操作又称复制（copy）．De Jong对此方法作了如下定义：定义设到时刻t（第t代）时，群体中a*（t）为最佳个体．又设A（t＋1）为新一代群体，若A（t＋1）中不存在a*（t），则把a*(t)作为A（t＋1）中的第n+1个个体（其中，n为群体大小）（Matlab程序参见附录11）．采用此选择方法的优点是，进化过程中某一代的最优解可不被交叉和变异操作所破坏．但是，这也隐含了一种危机，即局部最优个体的遗传基因会急速增加而使进化有可能限于局部解．也就是说，该方法的全局搜索能力差，它更适合单峰性质的搜索空间搜索，而不是多峰性质的空间搜索．所以此方法一般都与其他选择方法结合使用．定理3 具有定理1所示参数，且在选择后保留当前最优值的遗传算法最终能收敛到全局最优解．当然，在选择算子作用后保留当前最优解是一项比较复杂的工作，因为该解在选择算子作用后可能丢失．但是定理3至少表明了这种改进的遗传算法能够收敛至全局最优解．有意思的是，实际上只要在选择前保留当前最优解，就可以保证收敛，定理4描述了这种情况．定理4 具有定理1参数的，且在选择前保留当前最优解的遗传算法可收敛于全局最优解．例2：设，求，编码长度为5，采用上述定理4所述的“在选择前保留当前最优解的遗传算法”进行二、相关函数（命令）及简介本实验的程序中用到如下一些基本的Matlab函数：ones, zeros, sum, size, length, subs, double 等，以及for, while 等基本程序结构语句，读者可参考前面专门关于Matlab的介绍，也可参考其他数学实验章节中的“相关函数（命令）及简介”内容，此略．三、实验内容上述例1的求解过程为：群体中包含六个染色体，每个染色体用22位0—1码，变异概率为0.01，变量区间为，取Fmin=，遗传代数为50代，则运用第一种终止条件（指定遗传代数）的Matlab程序为：[Count,Result,BestMember]=Genetic1(22,6,'-x*x+2*x+0.5',-1,2,-2,0.01,50)执行结果为：Count =50Result =1.0316 1.0316 1.0316 1.0316 1.0316 1.03161.4990 1.4990 1.4990 1.4990 1.4990 1.4990BestMember =1.03161.4990图2 例1的计算结果（注：上图为遗传进化过程中每一代的个体最大适应度；而下图为目前为止的个体最大适应度——单调递增）我们通过Matlab软件实现了遗传算法，得到了这题在第一种终止条件下的最优解：当取1.0316时，．当然这个解和实际情况还有一点出入（应该是取1时，），但对于一个计算机算法来说已经很不错了．我们也可以编制Matlab程序求在第二种终止条件下的最优解．此略，留作练习．实践表明，此时的遗传算法只要经过10代左右就可完成收敛，得到另一个“最优解”，与前面的最优解相差无几．四、自己动手1．用Matlab编制另一个主程序Genetic2.m，求例1的在第二种终止条件下的最优解．提示：一个可能的函数调用形式以及相应的结果为：[Count,Result,BestMember]=Genetic2(22,6,'-x*x+2*x+0.5',-1,2,-2,0.01,0.00001)Count =13Result =1.0392 1.0392 1.0392 1.0392 1.0392 1.03921.4985 1.4985 1.4985 1.4985 1.4985 1.4985BestMember =1.03921.4985可以看到：两组解都已经很接近实际结果，对于两种方法所产生的最优解差异很小．可见这两种终止算法都是可行的，而且可以知道对于例1的问题，遗传算法只要经过10代左右就可以完成收敛，达到一个最优解．2．按照例2的具体要求，用遗传算法求上述例2的最优解．3．附录9子程序Crossing.m中的第3行到第7行为注解语句．若去掉前面的%号，则程序的算法思想有什么变化？4．附录9子程序Crossing.m中的第8行至第13行的程序表明，当Dim(1)>=3时，将交换数组Population的最后两行，即交换最后面的两个个体．其目的是什么？5．仿照附录10子程序Mutation.m，修改附录9子程序Crossing.m，使得交叉过程也有一个概率值（一般取0.65~0.90）；同时适当修改主程序Genetic1.m或主程序Genetic2.m，以便代入交叉概率．6．设，求，要设定求解精度到15位小数．。
MATLAB中的遗传算法和优化方法
MATLAB中的遗传算法和优化方法概述：遗传算法是一种常见的优化方法，通过模拟生物进化过程来求解最优解。
在MATLAB中，遗传算法和其他优化方法一起被广泛应用于各个领域，如工程设计、数据分析、机器学习等。
本文将介绍MATLAB中遗传算法的原理和应用，并比较它与其他优化方法的优缺点。
第一部分：遗传算法的基本原理1.1 基因编码遗传算法的核心在于基因编码。
在MATLAB中，基因编码可以通过二进制、十进制或其他方式实现。
二进制编码是最常用的一种方式，通过0和1表示基因的不同状态。
1.2 适应度函数适应度函数用于衡量个体的适应性，即个体对问题的解决程度。
在MATLAB 中，适应度函数可以根据具体问题的要求进行定义和评估。
适应度函数越高，个体的生存能力越强，有更大的概率被选择和交叉。
1.3 选择、交叉和变异选择、交叉和变异是遗传算法的三个基本操作。
选择操作根据适应度函数选择优秀的个体，并根据其适应度进行概率加权选择。
交叉操作模拟生物的基因交换，通过重新组合个体的基因来产生新的个体。
变异操作则引入一定的随机性，以避免陷入局部最优解。
第二部分：MATLAB中的遗传算法2.1 遗传算法工具箱MATLAB提供了专门用于遗传算法的工具箱，包括遗传算法、多目标优化、进化策略等。
这些工具箱提供了一系列可直接调用的函数和示例，使得遗传算法的实现变得简单和高效。
2.2 遗传算法的应用案例在工程设计领域，遗传算法被广泛应用于优化传感器网络、控制系统、机器人路径规划等。
在数据分析领域，遗传算法可以用于参数估计、特征选择等问题。
在机器学习领域，遗传算法可以用于优化神经网络的权重、结构等。
这些应用案例都充分展示了遗传算法在各个领域的优势和应用价值。
第三部分：遗传算法与其他优化方法的比较3.1 遗传算法与蚁群算法遗传算法和蚁群算法都属于启发式算法，都能够帮助求解复杂的优化问题。
与遗传算法相比，蚁群算法模拟了蚂蚁寻找食物的行为，具有更强的自适应性和分布式特性。
设计研究生作业_基于遗传算法优化多元多目标函数的MATLAB实现
设计研究生作业_基于遗传算法优化多元多目标函数的MATLAB实现遗传算法是一种模拟生物进化过程的一种启发式优化方法，广泛应用于求解多元多目标函数优化问题。
它模拟了生物进化过程中的遗传、交叉和变异等操作，通过不断迭代进化，使得种群中的个体逐渐趋于最优解。
为了实现基于遗传算法的多元多目标函数优化，我们可以借助MATLAB编程语言进行设计实现。
下面将介绍基于遗传算法的MATLAB实现的主要步骤和关键技术。
首先，我们需要定义问题的目标函数。
在多元多目标函数优化中，问题往往包含多个目标函数，我们需要将它们转化为单目标函数。
这可以通过线性加权法、多目标约束法等多种方法进行。
在使用线性加权法时，我们可以将多个目标函数进行线性加权组合，并将组合后的目标函数作为遗传算法的适应度函数。
第二步是确定遗传算法的基本参数，包括种群规模、交叉概率、变异概率等。
种群规模决定了在每一代中参与进化的个体数量，交叉概率决定了选择进行交叉操作的个体比例，变异概率决定了进行变异操作的个体比例。
这些参数的选择需要经验和实验来确定，可以根据问题的特点和需求进行调节。
第三步是初始化种群。
种群中的个体可以采用随机生成的方法进行初始化。
每个个体由若干个决策变量组成，决策变量的取值范围根据问题的要求进行确定。
第四步是进行遗传算法的运算过程，包括选择、交叉和变异等操作。
选择操作是根据适应度函数对种群中的个体进行评估和选择，适应度函数值越大的个体越有可能被选择。
交叉操作是从选择的个体中随机选择两个个体，通过其中一种方式进行交叉操作，生成新的个体。
变异操作是对交叉得到的新个体进行随机的变异操作，以增加种群的多样性。
第五步是终止条件的判断。
可以根据预先设定的迭代次数、达到一些目标适应度值或达到收敛条件等判断遗传算法的终止。
最后一步是输出优化结果。
根据遗传算法的最优个体，可以得到优化的决策变量值和目标函数值。
通过对优化结果的分析和评估，我们可以判断遗传算法的优化性能和可行性。
Matlab优化算法实践指南
Matlab优化算法实践指南引言优化算法在解决实际问题中发挥着重要的作用。
Matlab作为一种专业的数值计算和科学编程环境，提供了丰富的优化算法工具。
本文将介绍一些常用的Matlab优化算法，并通过实例演示其实践应用。
一、遗传算法遗传算法是一种模拟自然进化过程的优化方法。
它通过对候选解的适应度评估、选择、交叉和变异等操作，不断迭代优化搜索空间，以找到最优解。
Matlab中的遗传算法工具箱提供了丰富的函数和参数设置，便于实现不同问题的遗传算法优化。
以旅行商问题为例，该问题旨在找到访问多个城市的最短路径。
我们可以定义适应度函数作为评估标准，然后使用遗传算法工具箱中的函数进行优化。
通过调整遗传算法的参数，如种群大小、迭代次数等，可以得到不同精度和效率的优化结果。
二、粒子群优化粒子群优化（PSO）是一种模拟鸟群或鱼群搜索行为的优化算法。
每个粒子代表一个解，通过迭代更新位置和速度，以找到全局最优解。
Matlab中的粒子群优化工具箱提供了相关函数和参数，可以方便地应用于实践问题。
以函数优化为例，我们可以定义目标函数，并通过粒子群优化工具箱中的函数进行优化。
调整粒子群优化的参数，如粒子数量、迭代次数等，可以影响优化结果的精度和速度。
三、模拟退火模拟退火算法模拟物质冷却过程的特性，通过接受劣质解的概率来避免局部最优解。
在搜索过程中，算法会根据当前解和温度参数接受或拒绝新解，以寻找全局最优解。
Matlab中的模拟退火工具箱提供了相关函数和参数，便于实现不同问题的模拟退火优化。
以图像分割为例，我们可以将图像转化为优化问题，通过定义目标函数和约束条件，利用模拟退火算法进行图像分割。
调整模拟退火的参数，如初始温度、冷却速度等，可以获得不同效果和速度的优化结果。
四、神经网络神经网络是一种模拟人脑神经元网络的计算模型，通过调整权重和阈值来学习和逼近非线性函数。
Matlab中的神经网络工具箱提供了多种神经网络结构和训练算法，可以应用于各种模式识别、控制和优化问题。
基于Matlab遗传算法工具箱的优化计算实现
基于Matlab遗传算法工具箱的优化计算实现一、概述随着科技的发展和社会的进步，优化问题在众多领域，如工程设计、经济管理、生物科学、交通运输等中扮演着越来越重要的角色。
优化计算的目标是在给定的约束条件下，寻找一组变量，使得某个或某些目标函数达到最优。
许多优化问题具有高度的复杂性，传统的数学方法往往难以有效求解。
寻求新的、高效的优化算法成为了科研人员的重要任务。
遗传算法（Genetic Algorithm, GA）是一种模拟自然选择和遗传学机制的搜索算法，通过模拟自然界的进化过程，寻找问题的最优解。
自20世纪70年代初由美国密歇根大学的John Holland教授提出以来，遗传算法因其全局搜索能力强、鲁棒性好、易于与其他算法结合等优点，被广泛应用于各种优化问题中。
1. 遗传算法简介遗传算法（Genetic Algorithm, GA）是一种模拟自然选择和遗传学机制的优化搜索算法。
该算法起源于对生物进化过程中遗传机制的研究，通过模拟自然选择和遗传过程中的交叉、突变等操作，在搜索空间内寻找最优解。
自20世纪70年代初由John Holland教授提出以来，遗传算法已在多个领域取得了广泛的应用，包括函数优化、机器学习、模式识别、自适应控制等。
遗传算法的基本思想是将问题的解表示为“染色体”，这些染色体在算法中通过选择、交叉和突变等操作进行演化。
选择操作模仿了自然选择中“适者生存”的原则，根据适应度函数对染色体进行筛选交叉操作则模拟了生物进化中的基因重组过程，通过交换染色体中的部分基因，生成新的个体突变操作则是对染色体中的基因进行小概率的随机改变，以维持种群的多样性。
在遗传算法中，种群初始化是算法的起点，通过随机生成一组初始解作为初始种群。
根据适应度函数对种群中的个体进行评估，选择出适应度较高的个体进行交叉和突变操作，生成新的种群。
这个过程不断迭代进行，直到满足终止条件（如达到最大迭代次数或找到满足精度要求的最优解）为止。
MATLAB实验遗传算法和优化设计
MATLAB实验遗传算法和优化设计遗传算法是一种模拟自然界生物进化过程的优化算法，它通过模拟选择、交叉和变异等操作来寻找问题的最优解。
在MATLAB中，我们可以使用遗传算法工具箱来实现遗传算法，并应用于优化设计问题。
优化设计是指在给定约束条件下，寻找问题的最优设计方案，以最大化或最小化设计目标。
遗传算法在优化设计中具有很好的应用潜力，因为它能够处理复杂的非线性问题，并且可以在多个设计变量之间进行优化。
下面我们以一个简单的优化设计问题为例，来演示如何使用MATLAB中的遗传算法工具箱进行分析。
假设我们要设计一个具有最小扬程损失的水泵系统，其中有三个设计变量：叶片数、叶片角度和进口直径。
我们的设计目标是最小化扬程损失，并且有以下约束条件：叶片数在3至6之间、叶片角度在10至60度之间、进口直径在0.1至0.3之间。
首先，我们需要定义一个适应度函数，用于评估每个设计方案的质量。
对于水泵系统，适应度函数可以定义为扬程损失的倒数，即适应度=1/扬程损失。
这样，我们的目标就是最大化适应度。
然后，我们需要设置遗传算法的参数，如种群大小、迭代次数和变量范围等。
在MATLAB中，遗传算法工具箱提供了一个函数gaoptimset，用于设置遗传算法的参数。
接下来，我们使用遗传算法工具箱中的函数ga来运行遗传算法，以求解最优设计方案。
在调用ga函数时，我们需要传入适应度函数、设计变量的约束条件和参数设置等。
在遗传算法的迭代过程中，每一代最优解都会被记录下来，并通过绘制适应度曲线来观察算法的收敛情况。
在MATLAB中，我们可以使用plot函数来绘制适应度曲线。
最后，我们可以输出找到的最优解，以及对应的适应度值和设计参数。
在MATLAB中，我们可以使用disp函数来输出结果。
通过以上步骤，我们就可以使用MATLAB中的遗传算法工具箱来实现优化设计，并找到最优解。
总结起来，MATLAB提供了强大的遗传算法工具箱，可以用于优化设计问题的求解。
遗传算法优化的matlab案例
遗传算法优化的Matlab案例引言遗传算法是一种基于自然选择和遗传机制的优化算法，广泛应用于工程、计算机科学以及数学领域。
通过模拟自然界的进化过程，遗传算法能够在搜索空间中寻找到最优解。
在本文中，将介绍如何使用Matlab来实现遗传算法优化，并提供一个具体的案例，以加深对这一算法的理解。
遗传算法优化基本原理遗传算法优化基于自然进化的原理，包括以下四个基本操作：1.初始化：生成一个随机的种群，种群中的每个个体都代表了解空间中的一个候选解。
2.选择：根据适应度函数，选择一部分较优的个体作为下一代种群的父代。
3.交叉：通过交叉操作，将父代中的个体进行配对，并产生子代。
4.变异：对子代中的个体进行变异操作，引入随机性，避免陷入局部最优解。
通过反复进行选择、交叉和变异操作，经过多个代际的演化，种群中的个体将逐渐趋向于更优解。
最终得到的个体即为所要寻找的最优解。
实现遗传算法优化的Matlab代码以下是一个实现遗传算法优化的Matlab代码的示例：function [bestSolution, bestFitness] = geneticAlgorithmOptimization(population Size, numOfGenes, fitnessFunction, crossoverRate, mutationRate, numOfGeneratio ns)population = initializePopulation(populationSize, numOfGenes);for generation = 1:numOfGenerationsfitness = evaluateFitness(population, fitnessFunction);[bestFitness(generation), bestIndex] = max(fitness);bestSolution(generation, :) = population(bestIndex, :);population = selectParents(population, fitness);population = performCrossover(population, crossoverRate);population = performMutation(population, mutationRate);endendfunction population = initializePopulation(populationSize, numOfGenes)population = randi([0 1], populationSize, numOfGenes);endfunction fitness = evaluateFitness(population, fitnessFunction)fitness = arrayfun(@(x) fitnessFunction(population(x, :)), 1:size(populati on, 1));endfunction parents = selectParents(population, fitness)probabilities = fitness / sum(fitness);accumulatedProbabilities = cumsum(probabilities);randomNumbers = rand(size(population, 1), 1);[~, parentIndexes] = histc(randomNumbers, accumulatedProbabilities);parents = population(parentIndexes, :);endfunction offspring = performCrossover(parents, crossoverRate)numOfParents = size(parents, 1);numOfGenes = size(parents, 2);matingPool = rand(numOfParents, 1) < crossoverRate;matingPool(1:2:end) = false;matingPool(2:2:end) = true;parentPairs = reshape(parents, 2, numOfParents / 2)';offspring = zeros(size(parents));for i = 1:size(parentPairs, 1)if matingPool(i)crossoverPoint = randi(numOfGenes - 1);offspring(i, :) = [parentPairs(i, 1:crossoverPoint) parentPairs(i+ 1, crossoverPoint+1:end)];offspring(i+1, :) = [parentPairs(i+1, 1:crossoverPoint) parentPair s(i, crossoverPoint+1:end)];elseoffspring(i, :) = parentPairs(i, :);offspring(i+1, :) = parentPairs(i+1, :);endendendfunction population = performMutation(offspring, mutationRate)numOfGenes = size(offspring, 2);numOfMutations = round(numOfGenes * mutationRate);mutationIndexes = rand(size(offspring, 1), numOfMutations) < mutationRate;for i = 1:size(offspring, 1)mutationPoints = randperm(numOfGenes, numOfMutations);offspring(i, mutationPoints) = ~offspring(i, mutationPoints);endpopulation = offspring;end一个遗传算法优化的Matlab案例以一个简单的函数优化问题为例，假设我们要优化以下函数：function y = fitnessFunction(x)y = -x^2 + 4;end其中x为待优化的变量。
利用Matlab进行遗传算法的优化
利用Matlab进行遗传算法的优化1. 引言遗传算法是一种基于生物进化理论的优化算法，通过模拟遗传和进化的过程来寻找问题的最优解。
它在优化问题中具有广泛的应用，如工程设计、机器学习、数据挖掘等领域。
而Matlab作为一种强大的科学计算软件，提供了丰富的工具箱和函数，方便了遗传算法的实现和优化。
本文将介绍如何使用Matlab进行遗传算法的优化。
2. 遗传算法概述遗传算法模拟了生物进化的过程，通过选择、交叉和变异等操作来搜索最优解。
它具有以下几个特点：（1）群体思想：遗传算法通过维护一个候选解的群体，而不是一个解，从而增加了搜索空间的广度和深度。
（2）自适应性：遗传算法能够根据问题的不同自适应地调整参数和操作符的选择，从而更好地适应不同的优化问题。
（3）并行性：遗传算法中的操作都可以并行化执行，提高了算法的速度和效率。
3. Matlab遗传算法工具箱Matlab提供了一系列强大的遗传算法工具箱和函数，可以快速实现和优化遗传算法。
它包括了遗传算法和进化策略的相关函数，并提供了多种种群、选择、交叉和变异操作的实现方法。
同时，Matlab还提供了丰富的图形界面和可视化工具，方便用户进行参数调整和结果分析。
4. 遗传算法的实现步骤（1）问题建模：首先，需要将优化问题转化为适应度函数的最大化或最小化问题。
适应度函数的选择往往依赖于具体的优化问题，它是衡量候选解在问题中的适应程度的评价方法。
（2）初始化种群：生成一个初始的种群，种群中的个体是问题的候选解。
种群的大小和初始解的选择都会影响算法的搜索效果。
（3）选择操作：根据个体的适应度值，选择一部分个体作为新一代的父代。
常用的选择方法有轮盘赌选择、锦标赛选择等。
（4）交叉操作：通过交叉操作，将父代的基因信息混合在一起，生成新的孩子个体。
交叉操作可以增加新解的多样性。
（5）变异操作：变异操作通过随机改变个体的某些基因值来引入新的解。
变异操作可以增加解空间的探索能力。
matlab遗传算法求解曲面拟合和多参数优化
matlab遗传算法求解曲面拟合和多参数优化Matlab遗传算法求解曲面拟合和多参数优化引言：曲面拟合和多参数优化是机器学习和数据挖掘领域中重要的问题。
曲面拟合是通过给定的数据点集，找到一个最合适的曲面模型以拟合这些数据。
而多参数优化是寻找多个参数的最佳取值，使得目标函数达到最大或最小。
遗传算法是一种启发式搜索算法，可以用来求解这类问题。
本文将介绍使用Matlab中的遗传算法工具箱来进行曲面拟合和多参数优化，并提供详细的步骤。
第一部分：曲面拟合曲面拟合的目标是通过给定的数据点集找到一个最佳曲面模型，以拟合这些数据。
在Matlab中，可以使用遗传算法工具箱来求解该问题。
下面是一步一步的操作：步骤1：导入数据和设置参数首先，需要导入拟合曲面所需的数据点集。
数据通常以矩阵的形式给出，其中每一行表示一个数据点的坐标。
除此之外，还需要设置遗传算法的一些参数，包括种群大小、迭代次数、交叉概率和变异概率等。
具体的参数设置根据具体问题而定。
步骤2：编写目标函数目标函数是遗传算法的核心，它用来评估每个个体的适应度。
在曲面拟合问题中，可以使用最小二乘法来定义适应度函数。
具体来说，可以计算每个个体拟合曲面与真实数据之间的误差，然后将这些误差累加起来作为适应度值。
步骤3：初始化种群通过随机生成一定数量的个体（即曲面模型的参数），可以初始化种群。
个体的参数可以根据实际问题设定，例如，对于二次方程的拟合，可以设置个体为三个参数：a、b、c。
步骤4：选择操作选择操作是指根据个体的适应度值选择下一代的个体。
在遗传算法中，常用的选择操作有轮盘赌选择、锦标赛选择和最佳选择等。
通过选择操作，可以保留适应度较高的个体，从而增加下一代的优势基因。
步骤5：交叉操作交叉操作是指通过交换个体的染色体片段来产生新的个体。
这个过程模拟了生物进化中的杂交行为。
在曲面拟合中，可以选择某个个体的参数与另一个个体的参数进行交换，得到一个混合的个体。
步骤6：变异操作变异操作是通过对个体的染色体进行随机改变来引入新的基因。
Matlab技术在遗传算法优化中的应用指南
Matlab技术在遗传算法优化中的应用指南遗传算法是一种模拟生物进化的优化算法，它通过模拟进化的过程来寻找问题的最优解。
近年来，随着计算机技术的不断发展和Matlab软件的广泛应用，遗传算法在工程和科学领域的应用越来越广泛。
本文将介绍如何利用Matlab技术在遗传算法优化中取得更好的效果。
一、遗传算法概述遗传算法是一种模拟自然界进化过程的优化算法。
其基本思想是通过模拟生物遗传、突变和选择等过程，不断改进解的质量，逐步逼近最优解。
在遗传算法中，解被表示为染色体，染色体由若干个基因组成。
每个基因代表问题的一个自变量或参数。
遗传算法通过种群中个体间的交叉、突变和选择等操作，模拟出基因在自然界中的交换和变异，最终得到能够适应环境的个体。
二、Matlab中的遗传算法工具箱Matlab提供了全面的遗传算法工具箱，包含了丰富的函数和算法，使得用户能够方便地使用和实现遗传算法。
下面将介绍Matlab中一些常用的遗传算法函数和工具。
1. ga函数ga函数是Matlab中最基本的遗传算法函数，它实现了标准的遗传算法框架。
用户可以通过设置参数，如目标函数、变量范围、种群大小、迭代次数等来调用ga函数进行优化。
2. Genome类Genome类是Matlab中用于描述染色体的一个重要类。
通过设置基因和适应度函数等属性，可以方便地定义问题的解空间和优化目标。
3. 优化工具Matlab的优化工具箱中提供了多种遗传算法优化函数，如gamultiobj、paretosearch等。
这些函数用于多目标优化问题，能够得到问题的各种最优解。
三、遗传算法的应用遗传算法在各个领域的应用越来越广泛，包括机器学习、控制算法设计、电力系统优化等。
下面将举几个具体的例子来说明遗传算法在工程领域的应用。
1. 机器学习遗传算法可以用于优化神经网络的结构和权重。
通过调整网络的连接和节点数，以及不同的激活函数和损失函数，可以得到更好的机器学习模型。
2. 控制算法设计在控制系统设计中，遗传算法可以用于调整控制器的参数，使得系统的性能指标达到最优。
matlab实用教程 实验十 遗传算法和优化问题
matlab实用教程实验十遗传算法与优化问题matlab实用教程实验十遗传算法与优化问题一、问题背景与实验目的二、相关函数（命令）及简介三、实验内容四、自己动手一、问题背景与实验目的遗传算法（Genetic Algorithm—GA），是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型，它是由美国Michigan大学的J.Holland教授于1975年首先提出的．遗传算法作为一种新的全局优化搜索算法，以其简单通用、鲁棒性强、适于并行处理及应用范围广等显著特点，奠定了它作为21世纪关键智能计算之一的地位．本实验将首先介绍一下遗传算法的基本理论，然后用其解决几个简单的函数最值问题，使读者能够学会利用遗传算法进行初步的优化计算．1．遗传算法的基本原理遗传算法的基本思想正是基于模仿生物界遗传学的遗传过程．它把问题的参数用基因代表，把问题的解用染色体代表（在计算机里用二进制码表示），从而得到一个由具有不同染色体的个体组成的群体．这个群体在问题特定的环境里生存竞争，适者有最好的机会生存和产生后代．后代随机化地继承了父代的最好特征，并也在生存环境的控制支配下继续这一过程．群体的染色体都将逐渐适应环境，不断进化，最后收敛到一族最适应环境的类似个体，即得到问题最优的解．值得注意的一点是，现在的遗传算法是受生物进化论学说的启发提出的，这种学说对我们用计算机解决复杂问题很有用，而它本身是否完全正确并不重要（目前生物界对此学说尚有争议）．（1）遗传算法中的生物遗传学概念由于遗传算法是由进化论和遗传学机理而产生的直接搜索优化方法；故而在这个算法中要用到各种进化和遗传学的概念．首先给出遗传学概念、遗传算法概念和相应的数学概念三者之间的对应关系．这些概念如下：序号遗传学概念遗传算法概念数学概念1个体要处理的基本对象、结构也就是可行解2群体个体的集合被选定的一组可行解3染色体个体的表现形式可行解的编码4基因染色体中的元素编码中的元素5基因位某一基因在染色体中的位置元素在编码中的位置6适应值个体对于环境的适应程度，或在环境压力下的生存能力可行解所对应的适应函数值7种群被选定的一组染色体或个体根据入选概率定出的一组可行解8选择从群体中选择优胜的个体，淘汰劣质个体的操作保留或复制适应值大的可行解，去掉小的可行解9交叉一组染色体上对应基因段的交换根据交叉原则产生的一组新解10交叉概率染色体对应基因段交换的概率（可能性大小）闭区间[0,1]上的一个值，一般为0.65~0.9011变异染色体水平上基因变化编码的某些元素被改变12变异概率染色体上基因变化的概率（可能性大小）开区间(0,1)内的一个值, 一般为0.001~0.0113进化、适者生存个体进行优胜劣汰的进化，一代又一代地优化目标函数取到最大值，最优的可行解（2）遗传算法的步骤遗传算法计算优化的操作过程就如同生物学上生物遗传进化的过程，主要有三个基本操作（或称为算子）：选择（Selection）、交叉（Crossover）、变异（Mutation）．遗传算法基本步骤主要是：先把问题的解表示成“染色体”，在算法中也就是以二进制编码的串，在执行遗传算法之前，给出一群“染色体”，也就是假设的可行解．然后，把这些假设的可行解置于问题的“环境”中，并按适者生存的原则，从中选择出较适应环境的“染色体”进行复制，再通过交叉、变异过程产生更适应环境的新一代“染色体”群．经过这样的一代一代地进化，最后就会收敛到最适应环境的一个“染色体”上，它就是问题的最优解．下面给出遗传算法的具体步骤，流程图参见图1：第一步：选择编码策略，把参数集合（可行解集合）转换染色体结构空间；第二步：定义适应函数，便于计算适应值；第三步：确定遗传策略，包括选择群体大小，选择、交叉、变异方法以及确定交叉概率、变异概率等遗传参数；第四步：随机产生初始化群体；第五步：计算群体中的个体或染色体解码后的适应值；第六步：按照遗传策略，运用选择、交叉和变异算子作用于群体，形成下一代群体；第七步：判断群体性能是否满足某一指标、或者是否已完成预定的迭代次数，不满足则返回第五步、或者修改遗传策略再返回第六步．图1 一个遗传算法的具体步骤遗传算法有很多种具体的不同实现过程，以上介绍的是标准遗传算法的主要步骤，此算法会一直运行直到找到满足条件的最优解为止．2．遗传算法的实际应用例1：设，求．注：这是一个非常简单的二次函数求极值的问题，相信大家都会做．在此我们要研究的不是问题本身，而是借此来说明如何通过遗传算法分析和解决问题．在此将细化地给出遗传算法的整个过程．（1）编码和产生初始群体首先第一步要确定编码的策略，也就是说如何把到2这个区间内的数用计算机语言表示出来．编码就是表现型到基因型的映射，编码时要注意以下三个原则：完备性：问题空间中所有点（潜在解）都能成为GA编码空间中的点（染色体位串）的表现型；健全性：GA编码空间中的染色体位串必须对应问题空间中的某一潜在解；非冗余性：染色体和潜在解必须一一对应．这里我们通过采用二进制的形式来解决编码问题，将某个变量值代表的个体表示为一个{0，1}二进制串．当然，串长取决于求解的精度．如果要设定求解精度到六位小数，由于区间长度为，则必须将闭区间分为等分．因为所以编码的二进制串至少需要22位．将一个二进制串（b21b20b19…b1b0）转化为区间内对应的实数值很简单，只需采取以下两步（Matlab程序参见附录4）：1）将一个二进制串（b21b20b19…b1b0）代表的二进制数化为10进制数：2）对应的区间内的实数：例如，一个二进制串a=<1000101110110101000111>表示实数0.637197．=(1000101110110101000111)2=2288967二进制串<0000000000000000000000>，<1111111111111111111111>，则分别表示区间的两个端点值-1和2．利用这种方法我们就完成了遗传算法的第一步——编码，这种二进制编码的方法完全符合上述的编码的三个原则．首先我们来随机的产生一个个体数为4个的初始群体如下：pop(1)={<1101011101001100011110>，%% a1<1000011001010001000010>，%% a2<0001100111010110000000>，%% a3<0110101001101110010101>} %% a4（Matlab程序参见附录2）化成十进制的数分别为：pop(1)={ 1.523032，0.574022 ，-0.697235 ，0.247238 }接下来我们就要解决每个染色体个体的适应值问题了．（2）定义适应函数和适应值由于给定的目标函数在内的值有正有负，所以必须通过建立适应函数与目标函数的映射关系，保证映射后的适应值非负，而且目标函数的优化方向应对应于适应值增大的方向，也为以后计算各个体的入选概率打下基础．对于本题中的最大化问题，定义适应函数，采用下述方法：式中既可以是特定的输入值，也可以是当前所有代或最近K代中的最小值，这里为了便于计算，将采用了一个特定的输入值．若取，则当时适应函数；当时适应函数．由上述所随机产生的初始群体，我们可以先计算出目标函数值分别如下（Matlab程序参见附录3）：f [pop(1)]={ 1.226437 , 1.318543 , -1.380607 , 0.933350 }然后通过适应函数计算出适应值分别如下（Matlab程序参见附录5、附录6）：取，g[pop(1)]= { 2.226437 , 2.318543 , 0 , 1.933350 }（3）确定选择标准这里我们用到了适应值的比例来作为选择的标准，得到的每个个体的适应值比例叫作入选概率．其计算公式如下：对于给定的规模为n的群体pop={}，个体的适应值为，则其入选概率为由上述给出的群体，我们可以计算出各个个体的入选概率．首先可得，然后分别用四个个体的适应值去除以，得：P(a1)=2.226437 / 6.478330 = 0.343675 %% a1P(a2)=2.318543 / 6.478330 = 0.357892 %% a2P(a3)= 0 / 6.478330 = 0 %% a3P(a4)=1.933350 / 6.478330 = 0.298433 %% a4（Matlab程序参见附录7）（4）产生种群计算完了入选概率后，就将入选概率大的个体选入种群，淘汰概率小的个体，并用入选概率最大的个体补入种群，得到与原群体大小同样的种群（Matlab程序参见附录8、附录11）．要说明的是：附录11的算法与这里不完全相同．为保证收敛性，附录11的算法作了修正，采用了最佳个体保存方法（elitist model），具体内容将在后面给出介绍．由初始群体的入选概率我们淘汰掉a3，再加入a2补足成与群体同样大小的种群得到newpop(1)如下：newpop(1)={<1101011101001100011110>，%% a1<1000011001010001000010>，%% a2<1000011001010001000010>，%% a2<0110101001101110010101>} %% a4（5）交叉交叉也就是将一组染色体上对应基因段的交换得到新的染色体，然后得到新的染色体组，组成新的群体（Matlab程序参见附录9）．我们把之前得到的newpop(1)的四个个体两两组成一对，重复的不配对，进行交叉．（可以在任一位进行交叉）<110101110 1001100011110>，<1101011101010001000010>交叉得：<100001100 1010001000010>，<1000011001001100011110><10000110010100 01000010>，<1000011001010010010101>交叉得：<01101010011011 10010101>，<0110101001101101000010>通过交叉得到了四个新个体，得到新的群体jchpop (1)如下：jchpop(1)={<1101011101010001000010>，<1000011001001100011110>，<1000011001010010010101>，<0110101001101101000010>}这里采用的是单点交叉的方法，当然还有多点交叉的方法，不过有些烦琐，这里就不着重介绍了．（6）变异变异也就是通过一个小概率改变染色体位串上的某个基因（Matlab程序参见附录10）．现把刚得到的jchpop(1)中第3个个体中的第9位改变，就产生了变异，得到了新的群体pop(2)如下：pop(2)= {<1101011101010001000010>，<1000011001001100011110>，<1000011011010010010101>，<0110101001101101000010> }然后重复上述的选择、交叉、变异直到满足终止条件为止．（7）终止条件遗传算法的终止条件有两类常见条件：（1）采用设定最大（遗传）代数的方法，一般可设定为50代，此时就可能得出最优解．此种方法简单易行，但可能不是很精确（Matlab程序参见附录1）；（2）根据个体的差异来判断，通过计算种群中基因多样性测度，即所有基因位相似程度来进行控制．3．遗传算法的收敛性前面我们已经就遗传算法中的编码、适应度函数、选择、交叉和变异等主要操作的基本内容及设计进行了详细的介绍．作为一种搜索算法，遗传算法通过对这些操作的适当设计和运行，可以实现兼顾全局搜索和局部搜索的所谓均衡搜索，具体实现见下图2所示．图2 均衡搜索的具体实现图示应该指出的是，遗传算法虽然可以实现均衡的搜索，并且在许多复杂问题的求解中往往能得到满意的结果，但是该算法的全局优化收敛性的理论分析尚待解决．目前普遍认为，标准遗传算法并不保证全局最优收敛．但是，在一定的约束条件下，遗传算法可以实现这一点．下面我们不加证明地罗列几个定理或定义，供读者参考（在这些定理的证明中，要用到许多概率论知识，特别是有关马尔可夫链的理论，读者可参阅有关文献）．定理1 如果变异概率为，交叉概率为，同时采用比例选择法（按个体适应度占群体适应度的比例进行复制），则标准遗传算法的变换矩阵P是基本的．定理2 标准遗传算法（参数如定理1）不能收敛至全局最优解．由定理2可以知道，具有变异概率，交叉概率为以及按比例选择的标准遗传算法是不能收敛至全局最最优解．我们在前面求解例1时所用的方法就是满足定理1的条件的方法．这无疑是一个令人沮丧的结论．然而，庆幸的是，只要对标准遗传算法作一些改进，就能够保证其收敛性．具体如下：我们对标准遗传算法作一定改进，即不按比例进行选择，而是保留当前所得的最优解（称作超个体）．该超个体不参与遗传．最佳个体保存方法（elitist model）的思想是把群体中适应度最高的个体不进行配对交叉而直接复制到下一代中．此种选择操作又称复制（copy）．De Jong对此方法作了如下定义：定义设到时刻t（第t代）时，群体中a*（t）为最佳个体．又设A（t＋1）为新一代群体，若A（t＋1）中不存在a*（t），则把a*(t)作为A（t＋1）中的第n+1个个体（其中，n为群体大小）（Matlab程序参见附录11）．采用此选择方法的优点是，进化过程中某一代的最优解可不被交叉和变异操作所破坏．但是，这也隐含了一种危机，即局部最优个体的遗传基因会急速增加而使进化有可能限于局部解．也就是说，该方法的全局搜索能力差，它更适合单峰性质的搜索空间搜索，而不是多峰性质的空间搜索．所以此方法一般都与其他选择方法结合使用．定理3 具有定理1所示参数，且在选择后保留当前最优值的遗传算法最终能收敛到全局最优解．当然，在选择算子作用后保留当前最优解是一项比较复杂的工作，因为该解在选择算子作用后可能丢失．但是定理3至少表明了这种改进的遗传算法能够收敛至全局最优解．有意思的是，实际上只要在选择前保留当前最优解，就可以保证收敛，定理4描述了这种情况．定理4 具有定理1参数的，且在选择前保留当前最优解的遗传算法可收敛于全局最优解．例2：设，求，编码长度为5，采用上述定理4所述的“在选择前保留当前最优解的遗传算法”进行二、相关函数（命令）及简介本实验的程序中用到如下一些基本的Matlab函数：ones, zeros, sum, size, length, subs, double 等，以及for, while 等基本程序结构语句，读者可参考前面专门关于Matlab的介绍，也可参考其他数学实验章节中的“相关函数（命令）及简介”内容，此略．三、实验内容上述例1的求解过程为：群体中包含六个染色体，每个染色体用22位0—1码，变异概率为0.01，变量区间为，取Fmin=，遗传代数为50代，则运用第一种终止条件（指定遗传代数）的Matlab程序为：[Count,Result,BestMember]=Genetic1(22,6,'-x*x+2*x+0.5',-1,2,-2,0.01,50)执行结果为：Count =50Result =1.0316 1.0316 1.0316 1.0316 1.0316 1.03161.4990 1.4990 1.4990 1.4990 1.4990 1.4990BestMember =1.03161.4990图2 例1的计算结果（注：上图为遗传进化过程中每一代的个体最大适应度；而下图为目前为止的个体最大适应度——单调递增）我们通过Matlab软件实现了遗传算法，得到了这题在第一种终止条件下的最优解：当取1.0316时，．当然这个解和实际情况还有一点出入（应该是取1时，），但对于一个计算机算法来说已经很不错了．我们也可以编制Matlab程序求在第二种终止条件下的最优解．此略，留作练习．实践表明，此时的遗传算法只要经过10代左右就可完成收敛，得到另一个“最优解”，与前面的最优解相差无几．四、自己动手1．用Matlab编制另一个主程序Genetic2.m，求例1的在第二种终止条件下的最优解．提示：一个可能的函数调用形式以及相应的结果为：[Count,Result,BestMember]=Genetic2(22,6,'-x*x+2*x+0.5',-1,2,-2,0.01,0.00001)Count =13Result =1.0392 1.0392 1.0392 1.0392 1.0392 1.03921.4985 1.4985 1.4985 1.4985 1.4985 1.4985BestMember =1.03921.4985...可以看到：两组解都已经很接近实际结果，对于两种方法所产生的最优解差异很小．可见这两种终止算法都是可行的，而且可以知道对于例1的问题，遗传算法只要经过10代左右就可以完成收敛，达到一个最优解．2．按照例2的具体要求，用遗传算法求上述例2的最优解．3．附录9子程序Crossing.m中的第3行到第7行为注解语句．若去掉前面的%号，则程序的算法思想有什么变化？4．附录9子程序Crossing.m中的第8行至第13行的程序表明，当Dim(1)>=3时，将交换数组Population的最后两行，即交换最后面的两个个体．其目的是什么？5．仿照附录10子程序Mutation.m，修改附录9子程序Crossing.m，使得交叉过程也有一个概率值（一般取0.65~0.90）；同时适当修改主程序Genetic1.m或主程序Genetic2.m，以便代入交叉概率．6．设，求，要设定求解精度到15位小数．...。
在MATLAB中使用遗传算法进行优化
在MATLAB中使用遗传算法进行优化1. 引言遗传算法是一种模仿自然界进化过程的优化方法，通过模拟基因的变异、交叉和选择等操作来优化问题的解。
在很多领域，特别是在复杂优化问题中，遗传算法被广泛应用。
而MATLAB作为一种强大的数值计算工具，提供了丰富的遗传算法工具箱，使得使用遗传算法进行优化变得更加便捷。
本文将介绍如何在MATLAB中使用遗传算法进行优化，包括优化问题定义、遗传算法参数设置、编写目标函数等方面的内容。
2. 优化问题定义在使用遗传算法进行优化之前，首先需要明确优化问题的定义。
优化问题通常可以形式化为一个目标函数的最大或最小化问题。
目标函数可以是连续的、多元的，也可以是离散的。
例如，我们希望寻找一个n维向量x=[x1, x2, ..., xn]，使得目标函数f(x)达到最小值。
在定义了优化问题之后，我们就可以开始在MATLAB中使用遗传算法进行求解了。
3. 遗传算法参数设置在使用遗传算法进行优化时，需要设置一些参数来指导算法的执行过程。
常用的参数包括种群大小、交叉概率、变异概率等。
种群大小决定了算法的搜索空间，通常设置为一个较大的值以增加搜索的广度和深度。
交叉概率决定了交叉操作的发生概率，较高的交叉概率可以增加种群的多样性，但也可能导致搜索过早收敛。
变异概率决定了变异操作的发生概率，适当的变异概率可以有效地避免算法陷入局部最优解。
在MATLAB中，可以通过设置遗传算法工具箱中的相应参数来进行参数设置。
例如，可以使用"gaoptimset"函数来设置种群大小、交叉概率和变异概率等参数。
同时，还可以设置其他的优化参数，例如迭代次数、停止条件等。
4. 编写目标函数在使用遗传算法进行优化时，需要编写目标函数来评估每个个体的适应度。
目标函数的定义取决于具体的优化问题。
一般来说，目标函数应当满足以下几个条件：具有确定的输入和输出；可计算；连续可微（对于连续优化问题）；单调性或有界性。
Matlab环境下的遗传算法程序设计及优化问题求解
本栏目责任编辑：谢媛媛开发研究与设计技术遗传算法（ＧＡ）是借鉴生物界自然选择和群体进化机制而形成的一种全局寻优算法，其本质上是一种基于概率的随机搜索算法。
与其它的优化算法相比较，遗传算法具有以下优点：（１）通用性；（２）并行性；（３）简单性和可操作性；（４）稳定性和全局性。
１遗传算法概述在遗传算法中，首先将空间问题中的决策变量通过一定的编码表示成遗传空间的一个个体，它是一个基因型串结构数据；然后将目标函数转换成适应度值，用来评价每个个体的优劣，并将其作为遗传操作的依据。
遗传操作包括三个算子：选择、重组和变异。
选择是从当前群体中选择适应值高的个体以生成交配池的过程，交配池是当前代与下一代之间的中间群体。
选择算子的作用是用来提高群体的平均适应度值。
重组算子的作用是将原有的优良基因遗传给下一代个体，并生成包含更复杂基因的新个体，它先从交配池中的个体随机配对，然后将两两配对的个体按一定方式相互交换部分基因。
变异算子是对个体的某一个或几位按某一较小的概率进行反转其二进制字符，模拟自然界的基因突变现象。
遗传算法的基本程序实现流程如下：（１）先确定待优化的参数大致范围，然后对搜索空间进行编码；（２）随机产生包含各个个体的初始种群；（３）将种群中各个个体解码成对应的参数值，用解码后的参数求代价函数和适应度函数，运用适应度函数评估检测各个个体适应度；（４）对收敛条件进行判断，如果已经找到最佳个体，则停止，否则继续进行遗传操作；（５）进行选择操作，让适应度大的个体在种群中占有较大的比例，一些适应度较小的个体将会被淘汰；（６）随机交叉，两个个体按一定的交叉概率进行交叉操作，并产生两个新的子个体；（７）按照一定的变异概率变异，使个体的某个或某些位的性质发生改变；（８）重复步骤（３）至（７），直至参数收敛达到预定的指标。
使用遗传算法需要确定的运行参数有：编码串长度、交叉和变异概率、种群规模。
编码串长度由问题的所要求的精度来决定。
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实验六 遗传算法与优化设计一、实验目的1. 了解遗传算法的基本原理和基本操作（选择、交叉、变异）；2. 学习使用Matlab 中的遗传算法工具箱(gatool)来解决优化设计问题；二、实验原理及遗传算法工具箱介绍1. 一个优化设计例子图1所示是用于传输微波信号的微带线(电极)的横截面结构示意图，上下两根黑条分别代表上电极和下电极，一般下电极接地，上电极接输入信号，电极之间是介质(如空气，陶瓷等)。
微带电极的结构参数如图所示，W 、t 分别是上电极的宽度和厚度，D 是上下电极间距。
当微波信号在微带线中传输时，由于趋肤效应，微带线中的电流集中在电极的表面，会产生较大的欧姆损耗。
根据微带传输线理论，高频工作状态下（假定信号频率1GHz ），电极的欧姆损耗可以写成（简单起见，不考虑电极厚度造成电极宽度的增加）：图1 微带线横截面结构以及场分布示意图 {}28.6821ln 5020.942ln 20.942S W R W D D D t D W D D W W t D W W D e D D παπππ=+++-+++⎛⎫⎡⎤⎛⎫ ⎪ ⎪⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦⎡⎤⎛⎫⎝⎭ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦ (1) 其中πρμ0=S R 为金属的表面电阻率，为电阻率。
可见电极的结构参数影响着电极损耗，通过合理设计这些参数可以使电极的欧姆损耗做到最小，这就是所谓的最优化问题或者称为规划设计问题。
此处设计变量有3个：W 、D 、t ，它们组成决策向量[W, D ,t ] T ，待优化函数(,,)W D t α称为目标函数。
上述优化设计问题可以抽象为数学描述：()()min ..0,1,2,...,jf X s tg X j p ⎧⎪⎨⎪≤=⎩ (2) 其中()Tn x x x X ,...,,21=是决策向量，x 1，…，x n 为n 个设计变量。
这是一个单目标的数学规划问题：在一组针对决策变量的约束条件()0,1,...,j g X j p ≤=下，使目标函数最小化（有时也可能是最大化，此时在目标函数()X f 前添个负号即可）。
满足约束条件的解X 称为可行解，所有满足条件的X 组成问题的可行解空间。
2. 遗传算法基本原理和基本操作遗传算法(Genetic Algorithm, GA)是一种非常实用、高效、鲁棒性强的优化技术，广泛应用于工程技术的各个领域(如函数优化、机器学习、图像处理、生产调度等)。
遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化算法。
按照达尔文的进化论，生物在进化过程中“物竞天择”，对自然环境适应度高的物种被保留下来，适应度差的物种而被淘汰。
物种通过遗传将这些好的性状复制给下一代，同时也通过种间的交配(交叉)和变异不断产生新的物种以适应环境的变化。
从总体水平上看，生物在进化过程中子代总要比其父代优良，因此生物的进化过程其实就是一个不断产生优良物种的过程，这和优化设计问题具有惊人的相似性，从而使得生物的遗传和进化能够被用于实际的优化设计问题。
按照生物学知识，遗传信息基因(Gene)的载体是染色体(Chromosome)，染色体中一定数量的基因按照一定的规律排列（即编码），遗传基因在染色体中的排列位置称为基因座（Locus ），在同一个基因座上所有可能的基因就称为等位基因（Allele ），生物所持有的基因以及基因的构成形式称为生物的基因型（Genotype ），而该生物在环境中所呈现的相应性状称为该生物的表现型（Phenotype ）。
在遗传过程中，染色体上的基因能够直接复制给子代从而使得子代具有亲代的特征，此外，两条染色体之间也通过交叉(Crossover)而重组，即两个染色体在某个相同的位置处被截断，其前后两串基因交叉组合而形成两个新的染色体。
在基因复制时也会产生微小的变异（Mutation ），从而也产生了新的染色体。
因此交叉和变异是产生新物种的主要途径。
由于自然选择，在子代群体新产生的物种（或染色体）当中，只有那些对环境适应度高的才能生存下来，即适应度越高的被选择的概率也越大，然后又是通过遗传和变异再自然选择，一代一代不断进化。
因此生物遗传和进化的基本过程就是：选择(即复制)、交叉和变异。
遗传算法就是通过模拟生物进化的这几个基本过程而实现的。
① 编码编码是设计遗传算法首要解决的问题。
在生物进化中，选择、交叉、变异这些基本过程都是基于遗传信息的编码方式进行的，即基于染色体的基因型而非表现型，因此要模拟生物进化过程，遗传算法必须首先对问题的可行解X （决策向量）进行某种编码，以便借鉴生物学中染色体和基因等概念。
在遗传算法中，将每一个决策向量X 用一个染色体V 来表示：()[]112()(),...,,,...,T Tn m X x x V v v v =⇒= 表现型 基因型 (3)其中每一个v i 代表一个基因，染色体的长度m 不一定等于设计变量的数目n ，取决于染色体上基因的编码方式。
一般有两种编码方式：二进制编码和浮点数编码。
如果是二进制编码，每一个设计变量x i 的真实值用一串二进制符号0和1按照一定的编码规则来表示，每个二进制符号就代表一个基因，因此染色体长度要远大于设计变量的数目。
这种由二进制编码构成的排列形式V 就是染色体（也称个体）的基因型，而基因型经过解码后所对应的决策向量X （即可行解）就是个体的表现型。
如果是浮点数编码，每个设计变量i x 用其取值范围[]i iU U max min ,内的一个浮点数表示，构成染色体的一个基因v i ，因此个体的编码长度m 也就等于决策变量的个数n ，由于这种编码方式使用的是决策变量的真实值，所以也称真值编码方法。
无论哪种编码方式，所有可能的染色体（个体）V 构成问题的搜索空间（种群），遗传算法对最优解的搜索就是在搜索空间中搜索适应度最高的染色体(后面叙述适应度的计算)，因此通过编码将一个问题的可行解从其解空间转换到了遗传算法能够处理的搜索空间。
经过个体的编码后，就可以进行遗传算法的基本操作：选择、交叉和变异。
② 选择(复制)操作选择也就是复制，是在群体中选择适应度高的个体产生新群体的过程。
生物的进化是以集团为主体的，与此相应，遗传算法的运算对象是有M 个个体或染色体组成的集合，称为种群，M 也称为种群规模。
遗传算法在模拟自然选择时，以个体的适应度（Fitness ）高低为选择依据，即适应度高的个体被遗传到下一代种群的概率较高，而适应度低的个体遗传到下一代的概率则相对较低。
个体适应度由适应度函数()()X f Fit 计算，适应度函数总是和个体表现型(i.e. X )的目标函数值f(X)关联，一般是由目标函数经过一定的变换得到。
一种最简单的方法就是直接使用目标函数f(X)作为适应度函数：()()()()f X Fit f X f X =-⎧⎨⎩目标函数最小化问题目标函数最大化问题(4) 选定了适应度函数之后，个体适应度也随之确定，则在选择操作时，个体被选中的概率()M i FF p M i iii ,...,2,1 1==∑= (5) 其中F i 为个体的适应度。
这种选择方式称为比例选择，也称轮盘赌选择。
除此之外还有多种选择方法，如随机竞争选择、均匀选择、无回放随机选择等，不一一介绍。
③ 交叉操作所谓交叉就是以一定的概率(交叉概率)从群体中选择两个个体(染色体)按照某种方式交换其部分基因，从而形成两个新的个体。
在遗传算法中它是产生新个体同时也是获得新的优良个体的主要方法，它决定了遗传算法的全局搜索能力。
对于不同的编码方式，交叉操作的具体方法也不相同，对于浮点数编码，一般使用算术交叉；对于二进制编码有单点交叉和多点交叉等方式。
不论何种方式，在交叉操作时首先应定义交叉概率P c ，这个概率表明种群中参与交叉的个体数目的期望值是M P C ，M 是种群规模。
通常交叉概率应取较大的值，以便产生较多的新个体，增加全局搜索力度。
但是P c 过大时优良个体被破坏的可能性也越大，如果P c 太小则搜索进程变慢，影响算法的运行效率。
一般建议的取值范围是0.4–0.99。
④ 变异操作遗传算法中的变异操作就是将染色体上某些基因座上的基因以一定的变异概率P m 用其他的等位基因替代，从而形成新的个体。
对于浮点数编码，变异操作就是将变异点处的基因用该基因取值范围内的一个随机数替换。
对于二进制编码则是将变异点处的基因由“1”变成“0”，“0”变成“1”。
变异操作也有多种方法，如均匀变异、非均匀变异、高斯变异等。
变异操作的概率P m 要比交叉操作的概率P c 小得多，变异只是产生新个体的辅助手段。
但它是遗传算法必不可少的一个环节，因为变异操作决定了算法的局部搜索能力，它弥补了交叉操作无法对搜索空间的细节进行局部搜索的不足，因此交叉和变异操作相互配合共同完成对搜索空间的全局和局部搜索。
以上简要介绍了遗传算法的基本原理和操作，归纳起来，基本遗传算法一般可以表示为一个8元组：()T ψΓΦ=,,,,,,,0M P E C SGA (6)式中，C 个体的编码方法；E 个体适应度评价函数；P 0 初始种群；M 种群规模； 选择操作； 交叉操作； 变异操作； 是进化终止代数(进化终止条件)。
其中有4个运行参数需要预先设定：M, T, Pc ，P m种群规模M 一般取为20~100； 终止代数T 一般取100~500；交叉概率P c 一般取0.4~0.99； 变异概率P m 一般取0.0001~0.1最后给出遗传算法的基本步骤：① 选择二进制编码或浮点数编码把问题的解表示成“染色体”。
② 随机产生一群“染色体”(个体)，也就是初始种群。
③ 计算每一个个体的适应度值，按适者生存的原则，从中选择出适应度较大的“染色体”进行复制，再通过交叉、变异过程产生更适应环境的新一代“染色体”群，即子代。
④ 重复第3步。
经过这样的一代一代地进化，最后就会收敛到最适应环境（适应度最大）的一个“染色体”(即个体)上，它就是问题的最优解。
图2给出了基本遗传算法设计流程图，其中t 代表当前代数，T 是进化终止代数。
图2 基本遗传算法设计流程图3. Matlab 遗传算法工具箱(gatool)Matlab 的遗传算法工具箱有一个精心设计的图形用户界面，可以帮助用户直观、方便、快速地利用遗传算法求解最优化问题。
在Matlab 命令窗口输入命令：gatool可以打开遗传算法工具箱的图形用户界面，如图3所示。
GA 工具箱的参数设置步骤如下：图3. 遗传算法工具(1) 首先，使用遗传算法工具箱必须输入下列信息：① Fitness function(适应度函数)这里指的是待优化的函数，也即目标函数。
该工具箱总是试图寻找目标函数的最小值。
输入适应度函数的格式为@fitnessfun ，其中符号@产生函数fitnessfun 的句柄，fitnessfun 代表用户编写的计算适应度函数(目标函数)的M 文件名，该M 文件的编写方法如下：假定我们要计算Rastrigin 函数的最小值22121212(,)2010(cos2cos2)f x x x x x x ππ=++-+ (7)M 函数文件确定这个函数必须接受一个长度为2的行向量X ，也即决策向量，向量的长度等于变量数目，行向量X 的每个元素分别和变量x 1和x 2对应。