遗传算法（Genetic Algorithm，GA）

Posted 2023-04-05 卡卡西~

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了遗传算法（Genetic Algorithm，GA）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

这是一篇关于遗传算法的总结博客，包括算法思想，算法步骤，python实现的两个简单例子，算法进阶（持续更新ing）。

1 算法思想

遗传算法的应用很多，诸如寻路问题，8数码问题，囚犯困境，动作控制，找圆心问题（在一个不规则的多边形中，寻找一个包含在该多边形内的最大圆圈的圆心），TSP问题，生产调度问题，人工生命模拟等。

遗传算法起源于对生物系统所进行的计算机模拟研究，是一种随机全局搜索优化方法，它模拟了自然选择和遗传中发生的复制、交叉(crossover)和变异(mutation)等现象，从任一初始种群（Population）出发，通过随机选择、交叉和变异操作，产生一群更适合环境的个体，使群体进化到搜索空间中越来越好的区域，这样一代一代不断繁衍进化，最后收敛到一群最适应环境的个体（Individual），从而求得问题的优质解。

举个已经举烂的例子：
我们把要求的函数曲线想象成一个一个山峰和山谷组成的山脉。那么我们可以设想每一个可能解都是一只袋鼠，我们希望它们不断的向更高处跳去，直到跳到最高的山峰（尽管袋鼠本身不见得愿意那么做）。

遗传算法是这样做的：有一大群袋鼠，有的跳跃能力强，喜欢往高处，有的跳跃能力弱，喜欢在低处。有一天它们被莫名其妙的零散地扔到喜马拉雅山脉，在那里艰苦的生活繁衍下去。海拔低的地方弥漫着一种无色无味的毒气，海拔越高毒气越稀薄。可怜的袋鼠们并不知道毒气的存在，还是活蹦乱跳。于是，不断有不善跳跃的袋鼠死于海拔较低的地方，而在海拔越高的善于跳跃的袋鼠活得越久，也越有机会生儿育女，把善于跳跃的基因传给后代。就这样经过许多年繁衍生息，这些袋鼠们渐渐聚拢到了一个个的山峰上。最终，只有最高的珠穆朗玛峰上的袋鼠被带回了美丽的澳洲。

术语介绍：

染色体(Chromosome)：染色体又可称为基因型个体(individuals)，一定数量的个体组成了群体(population)，群体中个体的数量叫做群体大小（population size）。
位串(Bit String)：其实就是遗传学中的染色体在计算机中的表示。
基因(Gene)：基因是染色体中的元素，用于表示个体的特征。例如有一个二进制串（即染色体）S=1011，则其中的1，0，1，1这4个元素分别称为基因。
特征值( Feature)：在用串表示整数时，基因的特征值与二进制数的权一致；例如在串 S=1011 中，基因位置3中的1，它的基因特征值为2；基因位置1中的1，它的基因特征值为8。
适应度(Fitness)：各个个体对环境的适应程度叫做适应度(fitness)。为了体现染色体的适应能力，引入了对问题中的每一个染色体都能进行度量的函数，叫适应度函数。这个函数通常会被用来计算个体在群体中的优良等级。
基因型(Genotype)：或称遗传型，是指基因组定义遗传特征和表现。对应于位串。
表现型(Phenotype)：生物体的基因型在特定环境下的表现特征。对应于位串解码后的参数。

2 算法步骤

染色体编码，寻找一种对问题潜在解进行“数字化”编码的方案，建立表现型和基因型的映射关系。（建立袋鼠跳跃能力与基因的映射关系）
初始化种群（刚开始袋鼠们被零散地扔到喜马拉雅山脉）
用适应度函数对每一个个体进行适应度评估（袋鼠跳得越高毒气越稀薄，相当于适应度越大）
用选择算子按照某种规定择优选择（低处的袋鼠很快被毒死，也就是被淘汰掉，以保证袋鼠总体数目持平）
让个体基因变异，保持种群多样性。（让袋鼠随机地跳一跳，说不定就刚好跳到了珠穆朗玛峰附近呢）
然后产生子代（希望存活下来的袋鼠是善于跳向高处的，并生儿育女，把善于跳跃的基因传给后代）
达到迭代次数或最小误差，算法终止，否则转向步骤3.

3 第一个简单的例子（python实现）

跟着B站一位博主的学习视频敲下了我的第一个遗传算法
视频链接

题目：在一个长度为n的数组nums中选择10个元素，使得10个元素的和与原数组的所有元素之和的1/10无限接近。
比如n=50，sum（nums）=1000，选择的元素列表answer要满足sum（answer）-100的绝对值小于e，e要尽可能的小。

思路：

创建包含100个解的随机初始解集（用random.sample(list,number)从list中随机抽取number个元素）
对解集中每两个解（父体与母体）进行选择交换，问题：如何选择这两个解？那就是选择优秀的交换，用轮盘赌选择法。
每个解都对应有一个误差和一个适应度，误差越小的解适应度越大（反比例函数）。
这里的适应度=1/误差。
归一化，将每个解的适应度除以所有解的适应度之和，归一化后得到选择概率。
叠加化 a1=a1,a2=a1+a2,a3=a1+a2+a3…,叠加之后每个解的选择概率从0-1依次增长，得到累积概率。
在0-1中随机选取一个浮点数（如0.4），从选择概率中挑出一个最接近的。
选择一部分进行交叉重组。
随机变异，保持种群多样性。

import random

#1.创建初始解集
def create_answer(numbers_set,n):
    result=[]#存放解集的列表
    for i in range(n):#循环n次，每次创建一个解集（包含10个元素）
        result.append(random.sample(numbers_set,10))#从初始数组中随机抽取10个元素
    return result

#2.选择两个解
#计算误差
def error_level(new_answer,numbers_set):
    error = []#存放适应度的列表
    right_answer = sum(numbers_set)/10#正确答案，也就是原数组所有元素之和的1/10
    for item in new_answer:
        value = abs(right_answer-sum(item))#误差等于每个解与正确答案之差的绝对值
        if value==0:#误差最小是0.1
            error.append(10)#？？？？
        else:
            error.append(1/value)#用反比例函数计算适应度
    return error
#选择两个解
def choice_selected(old_answer,numbers_set):
    result=[]
    error = error_level(old_answer,numbers_set)#调用计算误差函数
    error_one = [item/sum(error) for item in error]#归一化，列表每个元素除以列表总体元素之和，选择概率error_one
    for i in range(1,len(error_one)):#叠加化
        error_one[i] += error_one[i-1]
    for i in range(len(old_answer)//2):#整体选两波
        temp = []#存放父体母体的列表
        for j in range(2):#一波选两个
            rand = random.uniform(0,1)#从0-1中随机选择一个浮点数
            for k in range(len(error_one)):#遍历寻找最接近的答案
                if k==0:
                    if rand<error_one[k]:#如果该浮点数小于第一个数，选择出来放到temp中
                        temp.append(old_answer[k])
                else:
                    if rand>=error_one[k-1] and rand<error_one[k]:#如果该浮点数处在两个数中间，将更大的选择出来放到temp中
                        temp.append(old_answer[k])
        #3.交叉(交换信息)？？？？？
        rand = random.randint(0,6)
        temp_1 = temp[0][:rand]+temp[1][rand:rand+3]+temp[0][rand+3:]#新子体temp1
        temp_2 = temp[1][:rand]+temp[0][rand:rand+3]+temp[1][rand+3:]#新子体temp2
        result.append(temp_1)
        result.append(temp_2)
    return result

#4.随机变异
def variation(old_answer,numbers_set,pro):
    for i in range(len(old_answer)):
        rand = random.uniform(0,1)
        if rand<pro:#如果该随机浮点数小于0.1，就发生变异
            rand_num = random.randint(0,9)#从该解中随便挑出一个元素，发生变异
            old_answer[i] = old_answer[i][:rand_num]+random.sample(numbers_set,1)+old_answer[i][rand_num+1:]
    return old_answer

numbers_set = random.sample(range(0,1000),50)#从0-1000随机抽取50个元素，创建初始nums数组
middle_answer = create_answer(numbers_set,100)#创建包含100个解的随机初始解集，每个解都是随机的10个元素
first_answer = middle_answer[0]#随便找个原始解
great_answer = []#最优解集

for i in range(1000):#训练1000次
    middle_answer = choice_selected(middle_answer,numbers_set)#选择交叉完的middle
    middle_answer = variation(middle_answer,numbers_set,0.1)#变异完的middle
    error = error_level(middle_answer,numbers_set)#生成适应度列表
    index = error.index(max(error))#挑出该群体中适应度最大的下标
    great_answer.append([middle_answer[index],error[index]])

great_answer.sort(key=lambda x:x[1],reverse=True)#从大到小排序
print('正确答案为',sum(numbers_set)/10)
print('原始解为',sum(first_answer))
print('最优解为',great_answer[0][0])
print('最优解的和为',sum(great_answer[0][0]))
print('选择系数为',great_answer[0][1])

这里迭代了1000次，可以看到随机初始化得到的原始解与正确答案相差4869-2554.9，经过1000次迭代后，得到的最优解2555与正确答案只相差0.1。

正确答案为 2554.9
原始解为 4869
最优解为 [87, 451, 249, 249, 205, 258, 285, 0, 133, 638]
最优解的和为 2555
选择系数为 10.000000000009095

4 二元函数例子（python实现）

吾等菜鸡，皆需代码之实践
问题：求下列函数的最大值和最小值，定义域为 $x \in [- 3, 3], y \in [- 3, 3]$
$F(x,y)=3(1-x)^2*e^(-(x^2)-(y+1)^2)- 10(\\fracx5 - x^3 - y^5)e^(-x^2-y^2)- \\frac13^e^(-(x+1)^2 - y^2)$
这么复杂的函数…拿GA解最适合不过了，开干！
该函数图像如下：

很直观的可以看到，最大值是当x ≈ 0 , y ≈ 1.5 时，那个深红色的尖尖，最小值是当x ≈ 0.2 , y ≈ -1.7 时，蓝色的尖尖，这两个就是全局最优解。另外两个小山包是极大值，是局部最优解，我们的目的就是求得那两个全局最优解，避免陷在局部最优解里。

先计算最大值。首先生成200个随机的（x,y）对，将(x, y)坐标对带入要求解的函数F(x,y)中，根据适者生存，我们定义使得函数值F(x,y)越大的(x,y)对越适合环境，从而这些适应环境的(x,y)对被保留下来的概率越大，而那些不适应该环境的(x,y)则有很大概率被淘汰，保留下来的点经过繁殖产生新的点，如此进化下去最后留下的大部分点都是适应环境的点，即在最高点附近。

最小值的计算过程同上，区别在于函数值F(x,y)越小的(x,y)对越适合环境。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import cm
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

DNA_SIZE = 24
POP_SIZE = 200
CROSSOVER_RATE = 0.8
MUTATION_RATE = 0.005
N_GENERATIONS = 50
X_BOUND = [-3, 3]
Y_BOUND = [-3, 3]


def F(x, y):
	return 3*(1-x)**2*np.exp(-(x**2)-(y+1)**2)- 10*(x/5 - x**3 - y**5)*np.exp(-x**2-y**2)- 1/3**np.exp(-(x+1)**2 - y**2)

def plot_3d(ax):

	X = np.linspace(*X_BOUND, 100)
	Y = np.linspace(*Y_BOUND, 100)
	X,Y = np.meshgrid(X, Y)
	Z = F(X, Y)
	ax.plot_surface(X,Y,Z,rstride=1,cstride=1,cmap=cm.coolwarm)
	ax.set_zlim(-10,10)
	ax.set_xlabel('x')
	ax.set_ylabel('y')
	ax.set_zlabel('z')
	plt.pause(3)
	plt.show()


def get_fitness(pop): 
    x,y = translateDNA(pop)
	pred = F(x, y)
	return (pred - np.min(pred)) + 1e-3 #减去最小的适应度是为了防止适应度出现负数，通过这一步fitness的范围为[0, np.max(pred)-np.min(pred)],最后在加上一个很小的数防止出现为0的适应度


def translateDNA(pop): #pop表示种群矩阵，一行表示一个二进制编码表示的DNA，矩阵的行数为种群数目
	x_pop = pop[:,1::2]#奇数列表示X
	y_pop = pop[:,::2] #偶数列表示y
	
	#pop:(POP_SIZE,DNA_SIZE)*(DNA_SIZE,1) --> (POP_SIZE,1)
	x = x_pop.dot(2**np.arange(DNA_SIZE)[::-1])/float(2**DNA_SIZE-1)*(X_BOUND[1]-X_BOUND[0])+X_BOUND[0]
	y = y_pop.dot(2**np.arange(DNA_SIZE)[::-1])/float(2**DNA_SIZE-1)*(Y_BOUND[1]-Y_BOUND[0])+Y_BOUND[0]
	return x,y

def crossover_and_mutation(pop, CROSSOVER_RATE = 0.8):
	new_pop = []
	for father in pop:		#遍历种群中的每一个个体，将该个体作为父亲
		child = father		#孩子先得到父亲的全部基因（这里我把一串二进制串的那些0，1称为基因）
		if np.random.rand() < CROSSOVER_RATE:			#产生子代时不是必然发生交叉，而是以一定的概率发生交叉
			mother = pop[np.random.randint(POP_SIZE)]	#再种群中选择另一个个体，并将该个体作为母亲
			cross_points = np.random.randint(low=0, high=DNA_SIZE*2)	#随机产生交叉的点
			child[cross_points:] = mother[cross_points:]		#孩子得到位于交叉点后的母亲的基因
		mutation(child)	#每个后代有一定的机率发生变异
		new_pop.append(child)

	return new_pop

def mutation(child, MUTATION_RATE=0.003):
	if np.random.rand() < MUTATION_RATE: 				#以MUTATION_RATE的概率进行变异
		mutate_point = np.random.randint(0, DNA_SIZE*2)	#随机产生一个实数，代表要变异基因的位置
		child[mutate_point] = child[mutate_point]^1 	#将变异点的二进制为反转

def select(pop, fitness):    # nature selection wrt pop's fitness
    idx = np.random.choice(np.arange(POP_SIZE), size=POP_SIZE, replace=True,
                           p=(fitness)/(fitness.sum()) )
    return pop[idx]

<
遗传算法(Genetic Algorithm,GA)实现数据排序，python

遗传算法(Genetic Algorithm,GA)实现数据排序，python 
遗传算法是一种比较广泛、通用的算法体系，为了说明遗传算法的原理和实现，现在用GA解决一个计算机科学最基本、最古老的问题：排序问题。 
需要特别说明的是，遗传算法虽然可以用来解决排序问题，但与熟知的排序算法（快排、选择排序、冒泡等等经典排序算法）相比较，遗传算法解决排序问题效率低、且不稳定（耗时）。用遗传算法排序，只是开拓了一个解决问题的思路，并演示、说明其运作原理。遗传算法的特点是利用强大的算力，不断试错，直至找出接近最佳解的最优解。 
 
import random
import time


def get_fitness(genes):
    fitness = 1

    for i in range(1, len(genes)):
        # 如果这里是 > ，则是逆序结果。
        if genes[i] < genes[i - 1]:
            fitness += 1

    return fitness


def mutate(parent):
    child = parent[:]
    while True:
        # 从0到N中随机选择两个数作为数组下标
        idx1, idx2 = random.sample(list(range(len(child))), 2)

        if child[idx1] < child[idx2]:
            continue
        else:
            # 相当于交叉
            child[idx1], child[idx2] = child[idx2], child[idx1]
            break

    return child


def sorted(data):
    print("原始数据", data)
    parent = data
    seq = 0
    start_time = (int(round(time.time() * 1000)))  # 毫秒级时间戳

    while True:
        # print('第', seq, '轮', child)

        child = mutate(parent)
        fitness = get_fitness(child)
        # 适应度1为进化目标
        if fitness <= 1:
            break
        else:
            # 进化到下一代
            parent = child

        seq = seq + 1

    end_time = (int(round(time.time() * 1000)))  # 毫秒级时间戳
    print('总计', seq, '轮')
    print('算法耗时', end_time - start_time, '毫秒')
    print('排序结果', child)


if __name__ == '__main__':
    data = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]

    for i in range(10):
        print('-----')
        random.shuffle(data)
        sorted(data)
 
 
代码运行输出： 
 
 -----
 原始数据 [1, 5, 3, 7, 8, 6, 2, 4]
 总计 9187 轮
 算法耗时 47 毫秒
 排序结果 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
 -----
 原始数据 [8, 7, 3, 1, 6, 4, 5, 2]
 总计 11847 轮
 算法耗时 63 毫秒
 排序结果 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
 -----
 原始数据 [8, 6, 7, 1, 2, 4, 3, 5]
 总计 127271 轮
 算法耗时 627 毫秒
 排序结果 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
 -----
 原始数据 [1, 6, 8, 7, 5, 4, 3, 2]
 总计 19282 轮
 算法耗时 95 毫秒
 排序结果 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
 -----
 原始数据 [1, 3, 8, 5, 7, 4, 2, 6]
 总计 200925 轮
 算法耗时 1077 毫秒
 排序结果 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
 -----
 原始数据 [2, 6, 4, 7, 1, 3, 5, 8]
 总计 18535 轮
 算法耗时 95 毫秒
 排序结果 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
 -----
 原始数据 [8, 4, 3, 7, 5, 1, 2, 6]
 总计 22467 轮
 算法耗时 94 毫秒
 排序结果 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
 -----
 原始数据 [3, 8, 7, 5, 1, 6, 4, 2]
 总计 71436 轮
 算法耗时 377 毫秒
 排序结果 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
 -----
 原始数据 [5, 8, 2, 1, 3, 7, 4, 6]
 总计 82190 轮
 算法耗时 392 毫秒
 排序结果 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
 -----
 原始数据 [2, 5, 4, 8, 3, 1, 6, 7]
 总计 18916 轮
 算法耗时 110 毫秒
 排序结果 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8] 
 
 
把12345678这8个数字打乱顺序，排序，跑10轮。 
 
遗传算法完成排序： 
（1）在mutate函数里面对传递过来的亲代染色体进行“变异”。具体方法是随机选择数组长度范围内的两个下标，然后比较下标对应的两个值大小关系，如果第1个小于第2个，跳过；否则，交换这两个数值。 
（2）在sorted函数里面，循环迭代的对亲代数组变异，因为进化的目标适应度是1，所以，当变异后的子代染色体适应度为1时候，退出循环，也即排序结束。若适应度不为1，那么将子代染色体放回亲代，继续变异，直到适应度为1。 
 
遗传算法(Genetic Algorithm，GA)的轮盘赌选择，python_zhangphil的博客-CSDN博客程序跑了10次，每一次在rws()函数中产生一个随机概率数值r，然后在rws()函数内部比较r与累积概率的大小，确定被选中的概率是p[?输出结果证实了我们的猜想，p[1]=0.49被选中的概率最高，在10次的随机筛选中，p[1]=0.49被选中了4次(4/10)。显然，p(s2)=0.49概率最大，被选中的概率最高。遗传算法(Genetic Algorithm，GA)的轮盘赌选择，python。一个简单的例子说明在遗传算法中使用的轮盘赌方法。https://blog.csdn.net/zhangphil/article/details/128906624
以上是关于遗传算法（Genetic Algorithm，GA）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 
 遗传算法(Genetic Algorithm,GA)实现数据排序，python
 遗传算法(Genetic Algorithm，GA)的轮盘赌选择，python
 遗传算法(Genetic Algorithm，GA)的轮盘赌选择，python
 uniform crossover(均匀交叉)，遗传算法(Genetic Algorithm,GA)，python
 uniform crossover(均匀交叉)，遗传算法(Genetic Algorithm,GA)，python
 零基础学启发式算法-遗传算法 (Genetic Algorithm)