• 数学建模学习(90):Jaya优化算法对多元函数寻优


    一、算法介绍

    算法步骤:

    1. 首先初始化种群个体数量,确定每个个体长度以及终止判据
    2. 找到当前种群下的最优个体 best 和最差个体 worst
    3. 遍历所有个体,根据公式(1)更新个体参数
      在这里插入图片描述

    其中,i,j,k分别代表迭代代数,个体的某变量,种群中某个体。该公式是Jaya算法的核心

    1. 判断更新后的个体是否优于更新前的个体,若是,则更新个体,否则保留原个体到下一代
    2. 判断当前最优个体是否满足终止判据,若是则结束程序,否则遍历步骤2-4

    二、 案例实现(一)

    2.1 目标函数

    第一步:导入模块

    import numpy as np
    
    # Jaya
    from pyMetaheuristic.algorithm import victory
    from pyMetaheuristic.utils import graphs
    
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    第二步:目标函数设置

    def easom(variables_values = [0, 0]):
        x1, x2     = variables_values
        func_value = -np.cos(x1) * np.cos(x2) * np.exp(-(x1 - np.pi) ** 2 - (x2 - np.pi) ** 2)
        return func_value
    
    plot_parameters = {
        'min_values': (-5, -5),
        'max_values': (5, 5),
        'step': (0.1, 0.1),
        'solution': [],
        'proj_view': '3D',
        'view': 'notebook'
    }
    graphs.plot_single_function(target_function = easom, **plot_parameters)
    
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    如下:
    在这里插入图片描述

    2.2 算法实现

    第三步:设置算法参数

    # jaya - Parameters
    parameters = {
        # 该参数50左右
        'size': 50,
        'min_values': (-5, -5),
        'max_values': (5, 5),
        # 迭代次数
        'iterations': 500,
        'verbose': True
    }
    
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    第四步:执行算法

    jy = victory(target_function = easom, **parameters)
    
    • 1

    第五步:获取算法最优解

    variables = jy[:-1]
    minimum   = jy[ -1]
    print('变量值为: ', np.around(variables, 4) , ' 最小值为: ', round(minimum, 4) )
    
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    • 3

    如下:

    变量值为:  [3.1258 3.1804]  最小值为:  -0.9974
    
    • 1

    第六步:可视化最优值
    在这里插入图片描述

    三、案例(二)

    我们换一个目标函数,以五维球形函数的最优化计算为例子.

    def easom(variables_values):
        x    = variables_values
        func_value = y=sum(x**2 for x in variables_values)
        return func_value
       
    
    
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    后续参数类似。。不再重复演示。

    四、额外补充

    4.1 封装代码

    如果你希望改进该算法模块,可以研究修改以下代码:

    
    # Required Libraries
    import numpy  as np
    import random
    import os
    
    ############################################################################
    
    # Function
    def target_function():
        return
    
    ############################################################################
    
    # Function: Initialize Variables
    def initial_position(size = 5, min_values = [-5,-5], max_values = [5,5], target_function = target_function):
        position = np.zeros((size, len(min_values)+1))
        for i in range(0, size):
            for j in range(0, len(min_values)):
                 position[i,j] = random.uniform(min_values[j], max_values[j])
            position[i,-1] = target_function(position[i,0:position.shape[1]-1])
        return position
    
    # Function: Updtade Position by Fitness
    def update_bw_positions(position, best_position, worst_position):
        for i in range(0, position.shape[0]):
            if (position[i,-1] < best_position[-1]):
                best_position = np.copy(position[i, :])
            if (position[i,-1] > worst_position[-1]):
                worst_position = np.copy(position[i, :])
        return best_position, worst_position
    
    # Function: Search
    def update_position(position, best_position, worst_position, min_values = [-5,-5], max_values = [5,5], target_function = target_function):
        candidate = np.copy(position[0, :])
        for i in range(0, position.shape[0]):
            for j in range(0, len(min_values)):
                a  = int.from_bytes(os.urandom(8), byteorder = "big") / ((1 << 64) - 1)
                b  = int.from_bytes(os.urandom(8), byteorder = "big") / ((1 << 64) - 1)
                candidate[j] = np.clip(position[i, j] + a * (best_position[j] - abs(position[i, j])) - b * ( worst_position[j] - abs(position[i, j])), min_values[j], max_values[j] )
            candidate[-1] = target_function(candidate[:-1])
            if (candidate[-1] < position[i,-1]):
                position[i,:] = np.copy(candidate)
        return position
    
    ############################################################################
    
    # Jaya Function
    def victory(size = 5, min_values = [-5,-5], max_values = [5,5], iterations = 50, target_function = target_function, verbose = True):    
        count              = 0
        position           = initial_position(size, min_values, max_values, target_function)
        best_position      = np.copy(position[0, :])
        best_position[-1]  = float('+inf')
        worst_position     = np.copy(position[0, :])
        worst_position[-1] = 0
        while (count <= iterations): 
            if (verbose == True):
                print('Iteration = ', count,  ' f(x) = ', best_position[-1])
            position                      = update_position(position, best_position, worst_position, min_values, max_values, target_function)
            best_position, worst_position = update_bw_positions(position, best_position, worst_position)
            count                         = count + 1     
        return best_position 
    
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    4.2 算法论文

    http://www.growingscience.com/ijiec/Vol7/IJIEC_2015_32.pdf

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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/weixin_46211269/article/details/126287712