粒子群优化算法的实践

粒子群优化算法的实践

flyfish

粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)或者粒子群算法
红叉的地方是理想之地,这些粒子都想去,总结8个字是信息共享,个人决策。

在这里插入图片描述

上完图之后,上代码,再解释

纯纯的PSO实现

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation
np.set_printoptions(precision = 4)
# 目标函数
def f(x,y):
    return (x-3.14)**2 + (y-3.14)**2 + np.sin(3*x+3.14) + np.cos(4*y-3.14)
    
# 绘制三维函数
x, y = np.array(np.meshgrid(np.linspace(0,5,100), np.linspace(0,5,100)))
z = f(x, y)

# 求出全局最小值 
x_min = np.around(x.ravel()[z.argmin()],4)
y_min = np.around(y.ravel()[z.argmin()],4)
print("x_min:",x_min)
print("y_min:",y_min)
# 算法的超参数
c1 = c2 = 0.1 #个体记忆 #集体记忆
w = 0.8 #惯性权重  inertia weight constant.

# 创建 particles
n_particles = 20 #  20个粒子
np.random.seed(100)
X = np.random.rand(2, n_particles) * 5
V = np.random.randn(2, n_particles) * 0.1

print("X:",X)
print("V:",V)

# 初始化数据 
pbest = X #  p= personal = cognitive 
pbest_obj = f(X[0], X[1])
gbest = pbest[:, pbest_obj.argmin()]  #g= global = social
gbest_obj = pbest_obj.min()

# 迭代一次粒子群优化
def update():
    global V, X, pbest, pbest_obj, gbest, gbest_obj
    # 更新参数
    r1, r2 = np.random.rand(2)
    V = w * V + c1*r1*(pbest - X) + c2*r2*(gbest.reshape(-1,1)-X)
    X = X + V
    obj = f(X[0], X[1])
    pbest[:, (pbest_obj >= obj)] = X[:, (pbest_obj >= obj)]
    pbest_obj = np.array([pbest_obj, obj]).min(axis=0)
    gbest = pbest[:, pbest_obj.argmin()]
    gbest_obj = pbest_obj.min()

# 等高线图
fig, ax = plt.subplots(figsize=(8,6))
fig.set_tight_layout(True)
img = ax.imshow(z, extent=[0, 5, 0, 5], origin='lower', cmap='viridis', alpha=0.5)
fig.colorbar(img, ax=ax)
ax.plot([x_min], [y_min], marker='x', markersize=5, color="red")
contours = ax.contour(x, y, z, 10, colors='black', alpha=0.4)
ax.clabel(contours, inline=True, fontsize=8, fmt="%.0f")
pbest_plot = ax.scatter(pbest[0], pbest[1], marker='o', color='black', alpha=0.5)
p_plot = ax.scatter(X[0], X[1], marker='o', color='blue', alpha=0.5)
p_arrow = ax.quiver(X[0], X[1], V[0], V[1], color='blue', width=0.005, angles='xy', scale_units='xy', scale=1)
gbest_plot = plt.scatter([gbest[0]], [gbest[1]], marker='*', s=100, color='black', alpha=0.4)
ax.set_xlim([0,5])
ax.set_ylim([0,5])

# 粒子群算法的步骤:算法更新和图形显示
def animate(i):
    title = 'Iteration {:02d}'.format(i)
    # 更新参数
    update()
    # 绘图
    ax.set_title(title)
    pbest_plot.set_offsets(pbest.T)
    p_plot.set_offsets(X.T)
    p_arrow.set_offsets(X.T)
    p_arrow.set_UVC(V[0], V[1])
    gbest_plot.set_offsets(gbest.reshape(1,-1))
    return ax, pbest_plot, p_plot, p_arrow, gbest_plot

anim = FuncAnimation(fig, animate, frames=list(range(1,20)), interval=200, blit=False, repeat=True)
anim.save("PSO_1.gif", dpi=120, writer="imagemagick")

print("PSO found best solution at f({})={}".format(gbest, ((gbest_obj))))
print("Global optimal at f({})={}".format([x_min,y_min], (f(x_min,y_min))))

输出

x_min: 2.7273
y_min: 3.1313
X: [[2.717  1.3918 2.1226 4.2239 0.0236 0.6078 3.3537 4.1293 0.6835 2.8755
  4.4566 1.046  0.9266 0.5419 1.0985 4.8931 4.0584 0.8597 4.0811 1.3704]
 [2.1585 4.7001 4.0882 1.6806 0.8771 1.8642 0.0284 1.2621 3.9783 0.0763
  2.9942 3.019  0.5257 1.9097 0.1824 4.4521 4.9046 0.2997 4.4527 2.8845]]
V: [[ 0.0731  0.1362 -0.0326  0.0056  0.0222 -0.1443 -0.0756  0.0816  0.075
  -0.0456  0.119  -0.1691 -0.1356 -0.1232 -0.0544 -0.0668  0.0007 -0.0613
   0.13   -0.1733]
 [-0.0983  0.0358 -0.1614  0.1471 -0.1188 -0.055  -0.094  -0.0828  0.0109
   0.0508 -0.0862  0.1249 -0.008  -0.089  -0.0882  0.0019  0.0238  0.0014
  -0.1636 -0.1044]]
PSO found best solution at f([2.7157 3.1329])=-1.7771745572809252
Global optimal at f([2.7273, 3.1313])=-1.7760464968972247

目标函数
f ( x , y ) = ( x − 3.14 ) 2 + ( y − 3.14 ) 2 + sin ⁡ ( 3 x + 1.41 ) + cos ⁡ ( 4 y − 3.14 ) f(x,y) = (x-3.14)^2 + (y-3.14)^2 + \sin(3x+1.41) + \cos(4y-3.14) f(x,y)=(x3.14)2+(y3.14)2+sin(3x+1.41)+cos(4y3.14)

那么,我们如何才能找到这个函数的极小点呢?当然,我们可以采取穷举式搜索:如果我们检查面上每个点的值,我们就可以找到最小点。或者在面上随机找到一些样本点,看看哪个样本点给出的值最低。。然而从形状上也可以注意到,如果找到一个值较小的点,则更容易在其附近找到更小值的点。

假设我们有粒子,我们将粒子 i i i在迭代中的位置表示为 X i ( t ) X^i(t) Xi(t)
在上面的示例中,我们将其作为坐标 X i ( t ) = ( x i ( t ) , y i ( t ) ) . X^i(t) = (x^i(t), y^i(t)). Xi(t)=(xi(t),yi(t)).
除了位置,我们还有每个粒子的速度,表示为 V i ( t ) = ( v x i ( t ) , v y i ( t ) ) V^i(t)=(v_x^i(t), v_y^i(t)) Vi(t)=(vxi(t),vyi(t))
在下一次迭代中,每个粒子的位置将更新为 X i ( t + 1 ) = X i ( t ) + V i ( t + 1 ) X^i(t+1) = X^i(t)+V^i(t+1) Xi(t+1)=Xi(t)+Vi(t+1)

将大写X,拆成两个小写坐标下x,y表示如下
x i ( t + 1 ) = x i ( t ) + v x i ( t + 1 ) y i ( t + 1 ) = y i ( t ) + v y i ( t + 1 ) \begin{aligned} x^i(t+1) &= x^i(t) + v_x^i(t+1) \\ y^i(t+1) &= y^i(t) + v_y^i(t+1) \end{aligned} xi(t+1)yi(t+1)=xi(t)+vxi(t+1)=yi(t)+vyi(t+1)

同时,速度也根据规则进行更新
V i ( t + 1 ) = w V i ( t ) + c 1 r 1 ( p b e s t i – X i ( t ) ) + c 2 r 2 ( g b e s t – X i ( t ) ) V^i(t+1) = w V^i(t) + c_1r_1(pbest^i – X^i(t)) + c_2r_2(gbest – X^i(t)) Vi(t+1)=wVi(t)+c1r1(pbestiXi(t))+c2r2(gbestXi(t))
同样的公式还有如下
方式1
v i j ( t + 1 ) = w ∗ v i j ( t ) + c p r 1 j ( t ) [ y i j ( t ) − x i j ( t ) ] + c g r 2 j ( t ) [ y ^ j ( t ) − x i j ( t ) ] v_{ij}(t + 1) = w * v_{ij}(t) + c_{p}r_{1j}(t)[y_{ij}(t) − x_{ij}(t)] + c_{g}r_{2j}(t)[\hat{y}_{j}(t) − x_{ij}(t)] vij(t+1)=wvij(t)+cpr1j(t)[yij(t)xij(t)]+cgr2j(t)[y^j(t)xij(t)]
方式2

在这里插入图片描述
r1和r2是介于0和1之间的随机数,w,r1,r2是PSO算法的参数

X X X在上述中拆成了小写的 x , y x,y x,y,在代码中就是 X [ 0 ] , X [ 1 ] X[0], X[1] X[0],X[1]
p b e s t i pbest^i pbesti的位置是给出粒子 i i i探索的最好 f ( X ) f(X) f(X)值,Cognitive(personal ) ,代码中的 p b e s t pbest pbest
g b e s t gbest gbest是由群体中的所有粒子探索的,Social(global),代码中的 g b e s t gbest gbest

请注意, p b e s t i pbest^i pbesti X i ( t ) = ( x i ( t ) , y i ( t ) ) . X^i(t) = (x^i(t), y^i(t)). Xi(t)=(xi(t),yi(t)).是两个位置向量

X i ( t ) = ( x i ( t ) , y i ( t ) ) X^i(t) = (x^i(t), y^i(t)) Xi(t)=(xi(t),yi(t))

p b e s t i = ( x i ( t ) , y i ( t ) ) pbest^i=(x^i(t), y^i(t)) pbesti=(xi(t),yi(t)) 粒子 i i i最好的

差异 p b e s t i – X i ( t ) pbest^i – X^i(t) pbestiXi(t)是向量减法。

粒子群优化算法的实践 - 向量减法

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

使用scikit-opt库实现

pip install scikit-opt

该库封装了7种启发式算法(差分进化算法、遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法、蚁群算法、鱼群算法、免疫优化算法)
源码地址

https://github.com/guofei9987/scikit-opt/

在这里插入图片描述
输入

入参	默认值	意义
func	-	目标函数
n_dim	-	目标函数的维度
size_pop	50	种群规模
max_iter	200	最大迭代次数
lb	None	每个参数的最小值
ub	None	每个参数的最大值
w	0.8	惯性权重
c1	0.5	个体记忆
c2	0.5	集体记忆
constraint_ueq	空元组	不等式约束

输出

pso.record_value 每一代的粒子位置、粒子速度、对应的函数值。pso.record_mode = True 才开启记录
pso.gbest_y_hist 历史最优函数值
pso.best_y 最优函数值 (迭代中使用的是 pso.gbest_x, pso.gbest_y)
pso.best_x 最优函数值对应的输入值
import numpy as np
from sko.PSO import PSO

def demo_func(X):
    x, y = X
    return (x-3.14)**2 + (y-3.14)**2 + np.sin(3*x+3.14) + np.cos(4*y-3.14)

max_iter = 30
# lb	None	每个参数的最小值
# ub	None	每个参数的最大值
pso = PSO(func=demo_func, n_dim=2, pop=40, max_iter=max_iter, lb=[-1, -1], ub=[5, 5])

pso.record_mode = True
pso.run()
print('best_x is ', pso.gbest_x, 'best_y is', pso.gbest_y)

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation

record_value = pso.record_value
X_list, V_list = record_value['X'], record_value['V']

fig, ax = plt.subplots(1, 1)
ax.set_title('title', loc='center')
line = ax.plot([], [], 'b.')

X_grid, Y_grid = np.meshgrid(np.linspace(0,5,100), np.linspace(0,5,100))


Z_grid = demo_func((X_grid, Y_grid))
ax.contour(X_grid, Y_grid, Z_grid, 10)


ax.set_xlim([0,5])
ax.set_ylim([0,5])

plt.ion()
p = plt.show()


def update_scatter(frame):
    i, j = frame // 10, frame % 10
    ax.set_title('iter = ' + str(i))
    X_tmp = X_list[i] + V_list[i] * j / 10.0
    plt.setp(line, 'xdata', X_tmp[:, 0], 'ydata', X_tmp[:, 1])
    return line


ani = FuncAnimation(fig, update_scatter, blit=True, interval=25, frames=max_iter * 10)
plt.show()

ani.save('PSO_2.gif', writer='pillow')

结果

best_x is  [2.71374964 3.14188032] best_y is [-1.77777509]

增加约束条件实现

在图上画个红色的紧箍,表示理想之地在红色圈内,去那里吧
在这里插入图片描述

import numpy as np
from sko.PSO import PSO

def demo_func(X):
    x, y = X
    return (x-3.14)**2 + (y-3.14)**2 + np.sin(3*x+3.14) + np.cos(4*y-3.14)



#非线性约束 (x[0] - 1) ** 2 + (x[1] - 1) ** 2 - 1<=0
constraint_ueq = (
    lambda x: (x[0] - 1) ** 2 + (x[1] - 1) ** 2-1
    ,
)

max_iter = 30
# lb	None	每个参数的最小值
# ub	None	每个参数的最大值
pso = PSO(func=demo_func, n_dim=2, pop=40, max_iter=max_iter, lb=[-1, -1], ub=[5, 5],constraint_ueq=constraint_ueq)

pso.record_mode = True
pso.run()
print('best_x is ', pso.gbest_x, 'best_y is', pso.gbest_y)

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation

record_value = pso.record_value
X_list, V_list = record_value['X'], record_value['V']

fig, ax = plt.subplots(1, 1)
ax.set_title('title', loc='center')
line = ax.plot([], [], 'b.')

X_grid, Y_grid = np.meshgrid(np.linspace(0,5,100), np.linspace(0,5,100))


Z_grid = demo_func((X_grid, Y_grid))
ax.contour(X_grid, Y_grid, Z_grid, 10)


ax.set_xlim([0,5])
ax.set_ylim([0,5])

draw_circle=plt.Circle((1.8, 1.5), 0.5,fill=False,color='r')
ax.add_artist(draw_circle)

plt.ion()
p = plt.show()


def update_scatter(frame):
    i, j = frame // 10, frame % 10
    ax.set_title('iter = ' + str(i))
    X_tmp = X_list[i] + V_list[i] * j / 10.0
    plt.setp(line, 'xdata', X_tmp[:, 0], 'ydata', X_tmp[:, 1])
    return line


ani = FuncAnimation(fig, update_scatter, blit=True, interval=25, frames=max_iter * 10)
plt.show()

ani.save('PSO_2.gif', writer='pillow')

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:/a/223163.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系我们进行投诉反馈qq邮箱809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

【Spring Boot 源码学习】ApplicationContextInitializer 详解

Spring Boot 源码学习系列 ApplicationContextInitializer 详解 引言往期内容主要内容1. 初识 ApplicationContextInitializer2. 加载 ApplicationContextInitializer3. ApplicationContextInitializer 的初始化 总结 引言 书接前文《初识 SpringApplication》&#xff0c;我们…

Python爬虫之重放攻击详解

更多资料获取 &#x1f4da; 个人网站&#xff1a;ipengtao.com 重放攻击是一种网络攻击方式&#xff0c;攻击者通过截获合法用户的请求&#xff0c;并将其重新发送&#xff0c;以模拟合法用户的行为。在Python爬虫领域&#xff0c;了解重放攻击的原理和防范方法至关重要。本文…

DDSP-SVC-3.0完全指南:一步步教你用AI声音开启音乐之旅

本教程教你怎么使用工具训练数据集推理出你想要转换的声音音频&#xff0c;并且教你处理剪辑伴奏和训练后的音频合并一起&#xff0c;快来试试看把&#xff01; 1.使用的工具 要想训练ai声音&#xff0c;首先需要有各种工具&#xff0c;还需要我们提供你需要训练的声音&#…

简单桶排序

#include<stdio.h> int main() { int a[11], i, j, t; for (i 0;i < 10;i) a[i] 0;//初始化为零 for (int i 1;i < 5;i)//循环输入5个数&#xff1b; { scanf("%d", &t);//把每一数读取到变量t中 a[t];/…

淘宝api接口获取商品详情 评论数据

淘宝商品详情评论API接口是一种用于获取淘宝商品详情评论信息的接口。通过联讯数据该接口&#xff0c;开发者可以获取到商品详情页面的评论数据&#xff0c;包括评论内容、评论时间、评论者信息等。 使用淘宝商品详情评论API接口可以方便地获取淘宝平台上大量商品的评价数据&a…

64位Office API声明语句第113讲

跟我学VBA&#xff0c;我这里专注VBA, 授人以渔。我98年开始&#xff0c;从源码接触VBA已经20余年了&#xff0c;随着年龄的增长&#xff0c;越来越觉得有必要把这项技能传递给需要这项技术的职场人员。希望职场和数据打交道的朋友&#xff0c;都来学习VBA,利用VBA,起码可以提高…

1688跨境货源铺货API接口商品采集接口

在跨境电商运营中&#xff0c;不少卖家都会优先选择1688平台产品作为跨境店铺货源。 为帮助卖家提升运营效率&#xff0c;正式上线 1688一键跨境铺货及采购功能&#xff0c;帮助跨境卖家实现选品、铺货及采购一步到位&#xff01; 一键铺货&#xff0c;快速选品 公共参数 名称…

基于Java SSM框架实现汽车在线销售系统项目【项目源码+论文说明】计算机毕业设计

基于java的SSM框架实现汽车在线销售系统演示 摘要 21世纪的今天&#xff0c;随着社会的不断发展与进步&#xff0c;人们对于信息科学化的认识&#xff0c;已由低层次向高层次发展&#xff0c;由原来的感性认识向理性认识提高&#xff0c;管理工作的重要性已逐渐被人们所认识&a…

Redis滚动分页的使用

Feed流 关注推送也叫Feed流。通过无限下拉刷新获取新的信息。 Feed流产品常见有两种模式&#xff1a; Timeline: 不做内容筛选&#xff0c;简单的按照内容发布时间排序&#xff0c;常用于好友或关注。例如朋友圈 优点&#xff1a;信息全面&#xff0c;不会有缺失。并且实现也…

Multidimensional Scaling(MDS多维缩放)算法及其应用

在这篇博客中&#xff0c;我将与大家分享在流形分析领域的一个非常重要的方法&#xff0c;即多维缩放MDS。整体来说&#xff0c;该方法提供了一种将内蕴距离映射到显性欧氏空间的计算&#xff0c;为非刚性形状分析提供了一种解决方案。当初就是因为读了Bronstein的相关工作【1】…

Java利用UDP实现简单群聊

一、创建新项目 首先新建一个新的项目&#xff0c;并按如下操作 二、实现代码 界面ChatFrame类 package 群聊; import javax.swing.*; import java.awt.*; import java.awt.event.*; import java.net.InetAddress; public abstract class ChatFrame extends JFrame { p…

决策树 (人工智能期末复习)

几个重要概念 信息熵&#xff1a;随机事件未按照某个属性的不同取值划分时的熵减去按照某个属性的不同取值划分时的平均 熵。即前后两次熵的差值。 表示事物的混乱程度&#xff0c;熵越大表示混乱程度越大&#xff0c;越小表示混乱程度越小。 对于随机事件&#xff0c;如果它的…

推荐一款Excel快速加载SQL的插件,方便又好用

如果告诉你只需要双击一下&#xff0c;SQL数据库中存放在表里面的数据&#xff0c;就能加载到你的Excel中&#xff0c;你想不想要&#xff1f; 今天给大家推荐一款好用的Excel插件&#xff0c;安装简单&#xff0c;使用方便&#xff0c;是经常使用SQL数据库的不二。 这款插件…

ANYTEXT: MULTILINGUAL VISUAL TEXT GENERATION AND EDITING

ANYTEXT: MULTILINGUAL VISUAL TEXT GENERATION AND EDITING Yuxiang Tuo, Institute for Intelligent Computing, Alibaba Group, ICLR2024 (6668), Code, Paper 1. 前言 基于扩散模型的文本到图像最近取得了令人印象深刻的成就。尽管当前用于合成图像的技术是高度先进的&am…

大话数据结构-查找-有序表查找

注&#xff1a;本文同步发布于稀土掘金。 3 有序表查找 3.1 折半查找 折半查找&#xff08;Binary Search&#xff09;技术&#xff0c;又称为二分查找&#xff0c;它的前提是线性表中的记录必须是关键码有序&#xff08;通常从小到大有序&#xff09;&#xff0c;线性表必须…

助力信创自主可控,AntDB与浪潮、超聚变完成产品互认

日前&#xff0c;湖南亚信安慧科技有限公司与浪潮商用机器有限公司、超聚变数字技术有限公司展开产品兼容互认工作。 近年来&#xff0c;在数据处理需求快速增长以及信创政策加持的情况下&#xff0c;信创行业活力迸发。操作系统、数据库和服务器作为信创基础软硬件&#xff0…

idea编辑代码卡顿问题

现象&#xff1a; 日常开发代码的时候&#xff0c;偶尔会遇到开发某个项目的时候&#xff0c;一编辑代码就会idea就会卡住 定位&#xff1a; 1、不敲代码时&#xff0c;电脑性能一切正常 2、只要一修改代码&#xff0c;可以发现cpu老是飙到100 3、但是相同的一个项目&#x…

Ubuntu22.04通过Maas和Juju部署openstack charm

目录 官方文档材料准备软件硬件 模板机和虚拟网络安装MAAS官方文档MAAS节点配置安装MAAS浏览器登录MAAS进行配置 激活DHCP 官方文档 https://docs.openstack.org/project-deploy-guide/charm-deployment-guide/2023.1/ 这是一个通过Maas面板即可部署openstack的方式&#xff0…

python HTML文件标题解析问题的挑战

引言 在网络爬虫中&#xff0c;HTML文件标题解析扮演着至关重要的角色。正确地解析HTML文件标题可以帮助爬虫准确地获取所需信息&#xff0c;但是在实际操作中&#xff0c;我们常常会面临一些挑战和问题。本文将探讨在Scrapy中解析HTML文件标题时可能遇到的问题&#xff0c;并…

Spring Boot基础

文章目录 一、Spring Boot1. Spring的缺点2. Spring Boot 改变了什么3. Spring Boot项目搭建4. 热部署5. 依赖管理6. 代码生成器7. 日志8. 日期转换9. 接口文档10. 打包部署11. 自动装配 一、Spring Boot 1. Spring的缺点 在Spring Boot出现以前&#xff0c;使用Spring框架的…