粒子群算法求解0-1背包问题的python实现

本文介绍了一种使用粒子群优化算法(PSO)解决背包问题的方法。通过随机初始化粒子位置和速度,根据物品的重量和价值计算适应度,不断更新个体最优和全局最优,最终找到背包能承载的最大价值。文章提供了详细的算法实现代码,包括参数设置、适应度计算、更新个体和全局最优、速度和位置更新等关键步骤。
具体算法原理评论区提问吧,或者有时间的话我再写原理部分
代码自己手写的,有详细注释
import numpy as np
import random
import math
import matplotlib.pyplot as plt
from time import *


def init_x(n, d):
    """
    :param n: 粒子总数量
    :param d: 粒子种基因个数(维度)
    :return: 随机生成的种群(二维list)
    """
    population = []
    for i in range(n):
        gene = []
        for j in range(d):
            a = np.random.randint(0, 2)
            gene.append(a)
        population.append(gene)
    return population


def init_v(n, d, V_max, V_min):
    """
    :param n: 粒子总数量
    :param d: 粒子种基因个数(维度)
    :return: 随机生成的种群(二维list)
    """
    v = []
    for i in range (n):
        vi = []
        for j in range (d):
            a = random.random() * (V_max - V_min) + V_min
            vi.append(a)
        v.append(vi)
    return v


def fitness(p, n, d, w, w_max, v, afa):
    """
    :param p: 粒子群
    :param n: 群体粒子个数
    :param d: 粒子维数
    :param w: 物品的重量列表
    :param w_max: 背包最大容量
    :param v: 物品的价值列表
    :param afa: 惩罚系数
    :return: pbest每一个粒子的适应度列表
    :return: fitweight每一个粒子的重量
    tips: 如果物品总重量大于背包最大容量时,引入惩罚系数
    """
    fitvalue = []
    fitweight = []
    for i in range (n)
粒子群算法应用于0-1背包问题和最小化问题需要对基本的PSO算法稍作修改,因为这些问题本质上是求解整数线性规划问题。这里我们将重点介绍如何针对0-1背包问题进行编码,并简化说明如何将其转化为粒子更新的过程。 **0-1背包问题**: 假设我们有一个物品集,每件物品有自己的价值`v[i]`和重量`w[i]`。我们需要选择一些物品放入容量为`W`的背包中,使得总价值最大,同时不超过背包容量。 编码策略:将每个物品的状态表示为一个二进制位,`x[i]=1`表示选中第i件物品,`x[i]=0`表示不选。每个粒子可以看作是一个可能的选择组合,长度等于物品的数量。 **粒子群算法处理0-1背包问题**: - 初始化粒子:每个粒子是一组随机的01,对应于物品的选择。 - 计算适应度:对于每个粒子的解,计算其对应的总价值,目标是最小化负价值(因为我们希望最大化价值)。 - 更新过程:基于粒子的速度和位置(即当前选择方案),更新粒子的位向量。例如,如果粒子的速度大于0,可能意味着增加某物品的选择概率。 - 更新全局最佳:每次迭代后检查是否有新的全局最优解。 **最小化问题**: 如果你的问题是寻找最小值而不是最大值,只需简单地取相反数作为适应度评估即可。 以下是简化版的Python代码片段(不包括完整的初始化、适应度计算和终止条件): ```python class Particle: def __init__(self, position, velocity, fitness): self.position = position self.velocity = velocity self.fitness = -fitness def update_velocity(position, best_position, current_velocity, inertia, c1, c2): # 更新速度部分... pass def update_position(particle, best_position, particle_size): # 更新位置部分... pass # 主函数 population, max_iter, problem_dim, item_values, item_weights, bag_capacity = setup() particles = [Particle(np.random.randint(0, 2, size=problem_dim), np.zeros(problem_dim), None) for _ in range(population)] gbest = particles[0] for _ in range(max_iter): for i, particle in enumerate(particles): update_velocity(particle.position, gbest.position, particle.velocity, ...) update_position(particle, gbest.position, problem_dim) if particle.fitness > gbest.fitness: gbest = particle return gbest ```
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