python實現(xiàn)粒子群算法
粒子群算法
粒子群算法源于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)(Complex Adaptive System,CAS)。CAS理論于1994年正式提出,CAS中的成員稱為主體。比如研究鳥群系統(tǒng),每個鳥在這個系統(tǒng)中就稱為主體。主體有適應(yīng)性,它能夠與環(huán)境及其他的主體進行交流,并且根據(jù)交流的過程“學(xué)習(xí)”或“積累經(jīng)驗”改變自身結(jié)構(gòu)與行為。整個系統(tǒng)的演變或進化包括:新層次的產(chǎn)生(小鳥的出生);分化和多樣性的出現(xiàn)(鳥群中的鳥分成許多小的群);新的主題的出現(xiàn)(鳥尋找食物過程中,不斷發(fā)現(xiàn)新的食物)。
PSO初始化為一群隨機粒子(隨機解)。然后通過迭代找到最優(yōu)解。在每一次的迭代中,粒子通過跟蹤兩個“極值”(pbest,gbest)來更新自己。
在找到這兩個最優(yōu)值后,粒子通過下面的公式來更新自己的速度和位置。


i 表示第 i 個粒子, d 表示粒子的第 d 個維度。r1, r2 表示兩個位于 [0, 1] 的隨機數(shù)(對于一個粒子的不同維度,r1, r2 的值不同)。pbest[i] 是指粒子取得最高(低)適應(yīng)度時的位置,gbest[i] 指的是整個系統(tǒng)取得最高(低)適應(yīng)度時的位置。
實踐
我們用 PSO 算法求解如下函數(shù)的最小值

可以在空間畫出圖像

下圖是使用 5 個粒子的收斂情況

可以看到,fitness 在第 12 輪就幾乎收斂到 -10.0。
下面是完整代碼
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
INF = 1e5
def plot_cost_func():
"""畫出適應(yīng)度函數(shù)"""
fig = plt.figure()
ax = Axes3D(fig)
X = np.arange(-4, 4, 0.25)
Y = np.arange(-4, 4, 0.25)
X, Y = np.meshgrid(X, Y)
Z = (X**2 + Y**2) - 10
ax.plot_surface(X, Y, Z, rstride=1, cstride=1, cmap='rainbow')
plt.show()
def fitness(x):
return x[0]**2 + x[1]**2 - 10
class PSOSolver(object):
def __init__(self, n_iter, weight=0.5, c1=2, c2=2, n_particle=5):
self.n_iter = n_iter
self.weight = weight
self.c1 = c1
self.c2 = c2
self.n_particle = n_particle
self.gbest = np.random.rand(2)
# gbest 對應(yīng)的函數(shù)值
self.gbest_fit = fitness(self.gbest)
# 將位置初始化到 [-5, 5]
self.location = 10 * np.random.rand(n_particle, 2) - 5
# 將速度初始化到 [-1, 1]
self.velocity = 2 * np.random.rand(n_particle, 2) - 1
self.pbest_fit = np.tile(INF, n_particle)
self.pbest = np.zeros((n_particle, 2))
# 記錄每一步的最優(yōu)值
self.best_fitness = []
def new_velocity(self, i):
r = np.random.rand(2, 2)
v = self.velocity[i]
x = self.location[i]
pbest = self.pbest[i]
return self.weight * v + self.c1 * r[0] * (pbest - x) + \
self.c2 * r[1] * (self.gbest - x)
def solve(self):
for it in range(self.n_iter):
for i in range(self.n_particle):
v = self.new_velocity(i)
x = self.location[i] + v
fit_i = fitness(x)
if fit_i < self.pbest_fit[i]:
self.pbest_fit[i] = fit_i
self.pbest[i] = x
if fit_i < self.gbest_fit:
self.gbest_fit = fit_i
self.gbest = x
self.velocity[i] = v
self.location[i] = x
self.best_fitness.append(self.gbest_fit)
if __name__ == '__main__':
plot_cost_func()
n_iter = 20
s = PSOSolver(n_iter)
s.solve()
print(s.gbest_fit)
plt.title("Fitness Curve")
plt.xlabel("iter")
plt.ylabel("fitness")
plt.plot(np.arange(n_iter), np.array(s.best_fitness))
plt.show()
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