粒子群算法(PSO)详解以及使用

本文介绍了粒子群优化算法(PSO)的基本原理及其适用范围,包括如何利用PSO解决带约束条件的问题,以及详细的算法流程描述。通过示例说明了PSO在实际问题中的应用。

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1 PSO原理(particle swarm optimazition)

1.1 算法使用范围

根据名字: 粒子群优化,其实就界定了该算法是作为一个优化算法的,优化的目的是什么?使得某个loss 函数最小或者最大吧,这里可以容易使人联想到梯度下降求最小值(缺陷较为明显->有可能在局部达到最小或者最大,并且不适用于带约束条件的问题,优点就是:容易实现,算法思路简单。),于是我们现在考虑PSO,该算法能够适应于带约束条件的问题的求解。

1.2 算法使用方法

  • 1 假设你刚刚用神经网络训练出来一个函数(模型),这个函数的输出能够衡量输入样本的失败率,这下你希望获得–针对这个函数,使得这个函数最小的样本是什么呢?(假设函数的输入是一个一维向量,代表了一堆操作变量,输出就是这些操作变量给系统带来的损失)
  • 2 此时就可以考虑使用PSO算法,你已经知道了函数,然后你想求这个函数的最小值(如果函数的输入是有约束条件的,那就是带约束的pso算法咯,没有的话就更好实现),PSO算法care的其实只有2件事情,1是损失函数,2是约束条件(甚至你的函数的输入变量的定义域,这也是约束条件)

1.3 算法流程描述

主要参考https://en.wikipedia.org/wiki/Particle_swarm_optimization

很容易得出:算法本身仅仅依赖于函数和约束条件,和之前你使用的任何样本数据都无关。
算法如下:

for each particle i = 1, …, S do
Initialize the particle’s position with a uniformly distributed random vector: xi ~ U(blobup)
Initialize the particle’s best known position to its initial position: pi ← xi
if f(pi) < f(g) then
update the swarm’s best known position: g ← pi
Initialize the particle’s velocity: vi ~ U(-|bup-blo|, |bup-blo|)
while a termination criterion is not met do:
for each particle i = 1, …, S do
for each dimension d = 1, …, n do
Pick random numbers: rp, rg ~ U(0,1)
Update the particle’s velocity: vi,d ← ω vi,d + φp rp (pi,d-xi,d) + φg rg (gd-xi,d)
Update the particle’s position: xi ← xi + lr vi
if f(xi) < f(pi) then
Update the particle’s best known position: pi ← xi
if f(pi) < f(g) then
Update the swarm’s best known position: g ← pi

应用到具体实例中,各个参数的实际意义:
(待实现)

2 使用实例(待实现)

可以先参考:
https://github.com/tisimst/pyswarm

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