基于 DEAP 的粒子群优化实战:复杂方程求解

0. 前言

粒子群优化 (Particle Swarm Optimization, PSO) 是一种借鉴适者生存和群集行为概念的进化计算方法。在本节中,我们使用 PSO 来近似求解函数所需的最优参数,展示 PSO 在解决参数函数输入上的强大能力。

1. 粒子群优化

1.1 粒子群优化原理

粒子群优化 (Particle Swarm Optimization, PSO) 是从单个生物的自然分组中获得启发,例如鸟群或鱼群(通常称为群)。生物体在群内相互作用而无需中央监督,朝着共同目标努力。这种观察到的行为产生了一种计算方法,该方法可以通过使用一组由类似于群内生物的粒子表示的候选解决方案来解决或优化给定问题。粒子在搜索空间中移动,以寻找最佳解决方案,它们的移动由涉及其位置和速度(方向速度)的简单规则控制。

1.2 算法流程

PSO 算法是迭代的,并且在每次迭代中,将评估每个粒子的位置,并在必要时更新其到目前为止的最佳位置以及整个粒子组中的最佳位置。每个粒子的速度根据以下信息更新:

  • 粒子的当前速度和运动方向
  • 迄今为止找
### 实现粒子群优化算法 粒子群优化(Particle Swarm Optimization, PSO)是一种群体智能技术,其灵感来源于鸟群觅食行为。该方法通过迭代更新粒子的位置和速度,在解空间中搜索全局最优解[^4]。 #### DEAP库中的PSO实现要素 DEAP是一个强大的Python框架,专门设计用于快速原型开发和实验各种进化计算技术。要使用DEAP实现PSO,主要涉及以下几个方面: - **定义个体(Particle)**: 每个粒子代表一个问题的潜在解决方案。 - **初始化种群(Population Initialization)**: 创建初始随机分布的粒子集合。 - **评估适应度(Fitness Evaluation)**: 计算每个粒子对应方案的质量指标。 - **更新规则(Update Rules)**: 设定位置与速度更新公式,指导粒子向更优区域迁移。 - **终止条件(Termination Criteria)**: 设置最大迭代次数或其他停止标准。 #### 示例代码展示 下面给出一段简单的基于DEAP库的PSO实现示例代码,假设目标是最小化某个特定函数`objective_function()`: ```python import random from deap import base, creator, tools, algorithms # 定义适应度最小化问题 creator.create("FitnessMin", base.Fitness, weights=(-1.0,)) creator.create("Particle", list, fitness=creator.FitnessMin, speed=list, smin=None, smax=None, best=None) def generate(size, pmin, pmax, smin, smax): part = creator.Particle(random.uniform(pmin, pmax) for _ in range(size)) part.speed = [random.uniform(smin, smax) for _ in range(size)] part.smin = smin part.smax = smax return part def update_particle(part, best): ceff1 = 2.0 ccoef2 = 2.0 for i, speed in enumerate(part.speed): r1, r2 = random.random(), random.random() vel_cognitive = ccoef1 * r1 * (part.best[i] - part[i]) vel_social = ccoef2 * r2 * (best[i] - part[i]) part.speed[i] = speed + vel_cognitive + vel_social if abs(part.speed[i]) > max(abs(part.smin), abs(part.smax)): part.speed[i] /= abs(part.speed[i]) for i, pos in enumerate(part): part[i] += part.speed[i] toolbox = base.Toolbox() BOUND_LOW, BOUND_UP = [-5.0]*30, [5.0]*30 TOOLBOX.register("particle", generate, size=len(BOUND_LOW), pmin=BOUND_LOW[0], pmax=BOUND_UP[0], smin=-3, smax=3) toolbox.register("population", tools.initRepeat, list, toolbox.particle) toolbox.register("update", update_particle) toolbox.register("evaluate", objective_function) stats = tools.Statistics(lambda ind: ind.fitness.values) stats.register("avg", numpy.mean) stats.register("std", numpy.std) stats.register("min", numpy.min) stats.register("max", numpy.max) logbook = tools.Logbook() pop = toolbox.population(n=50) gen_best = None for g in range(MAX_GENERATIONS): for part in pop: part.fitness.values = toolbox.evaluate(part) if not part.best or part.best.fitness < part.fitness: part.best = creator.Particle(part) part.best.fitness.values = part.fitness.values if not gen_best or gen_best.fitness < part.fitness: gen_best = creator.Particle(part) gen_best.fitness.values = part.fitness.values for part in pop: toolbox.update(part, gen_best) record = stats.compile(pop) logbook.record(gen=g, evals=len(pop), **record) ``` 这段程序展示了如何构建基本的PSO模型并执行一轮完整的演化过程。需要注意的是实际应用时还需要根据具体场景调整参数设置以及自定义适合的任务评价函数[^1]。
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