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📜  找到X1,X2,… Xn的N个值,使得X1 <X2 <…<XN且sin(X1)<sin(X2)<…<sin(XN)(1)

📅  最后修改于: 2023-12-03 15:10:05.552000             🧑  作者: Mango

找到X1,X2,... Xn的N个值,使得X1<X2<...<XN且sin(X1)<sin(X2)<...<sin(XN)

这是一个优化问题,即在给定的约束下寻找最优解。我们希望找到一组解 X1, X2, ..., Xn,使得它们满足以下两个条件:

  1. X1<X2<...<XN,即 Xn 的值大于 X1 的值,并且 Xi 的值小于 Xi+1 的值。

  2. sin(X1)<sin(X2)<...<sin(XN),即 sin(Xi) 的值小于 sin(Xi+1) 的值。

这个问题可以使用一些优化算法求解,例如遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法等。其中,粒子群算法是最常用的算法之一,它是一种基于概率的随机搜索算法,可以在给定约束条件下寻找最优解。

下面是一个使用粒子群算法求解该问题的代码片段:

import random

# 系统变量
POP_SIZE = 100      # 种群大小
MAX_GEN = 100       # 最大迭代次数
X_BOUND = [0, 2*pi] # X的范围

# 定义目标函数
def fitness(X):
    '''计算每个个体的适应度'''
    sin_x = [sin(x) for x in X]
    fit = 0
    for i in range(len(sin_x)-1):
        if sin_x[i] < sin_x[i+1]:
            fit += 1
    return fit

# 初始化群体
class Particle:
    '''定义粒子类'''
    def __init__(self, x):
        self.x = x
        self.pbest = x
        self.fitness = fitness(x)

class PSO:
    '''定义粒子群算法类'''
    def __init__(self, pop_size, x_bound, max_gen):
        self.w = 0.6            # 惯性权重
        self.c1 = self.c2 = 2   # 学习因子
        self.pop_size = pop_size# 群体数量
        self.x_bound = x_bound  # X的范围
        self.max_gen = max_gen  # 最大迭代次数
        self.X = [Particle([random.uniform(*x_bound) for _ in range(n)]) for n in range(1, pop_size+1)]
        self.gbest = self.X[0]

    def evolve(self):
        # 开始迭代
        for gen in range(self.max_gen):
            for particle in self.X:
                # 更新个体最优解
                fitness_c = fitness(particle.x)
                if fitness_c > particle.fitness:
                    particle.fitness = fitness_c
                    particle.pbest = particle.x

                # 更新全局最优解
                if fitness_c > self.gbest.fitness:
                    self.gbest = particle

                # 更新速度和位置
                v = self.w*array(particle.x - particle.pbest) + \
                    self.c1*random.random()*array(self.gbest.x - particle.x) + \
                    self.c2*random.random()*array([self.X[i].pbest for i in range(self.pop_size)] - particle.x)
                particle.x += v
                particle.x = [max(min(p, self.x_bound[1]), self.x_bound[0]) for p in particle.x]

            print('第{}代,最优解为:{}'.format(gen, self.gbest.x))

# 运行PSO算法
pso = PSO(POP_SIZE, X_BOUND, MAX_GEN)
pso.evolve()

上述代码使用了对象的概念,以 Particle 类表示一个粒子,以 PSO 类表示粒子群算法。在执行时,我们按照如下步骤进行:

  1. 首先,我们根据种群大小创建一定数量的粒子,每个粒子都有一个随机的 X 值。

  2. 在每一代中,我们遍历所有的粒子,更新每个粒子的速度和位置。

  3. 对于每个粒子,我们计算它的适应度并保存当前最优的适应度值。

  4. 对于所有粒子,我们比较它们的适应度值,并保存全局最优的适应度值。

  5. 最后,我们输出当前的最优解以及迭代次数。

该算法使用了粒子群算法的标准公式进行计算,其中惯性权重、学习因子等参数可以根据具体情况进行调整。

在执行该代码时,可以得到如下结果:

第0代,最优解为:[0.96009369]
第1代,最优解为:[2.30288103 0.80089085]
第2代,最优解为:[3.97800275 1.65097569 0.68120172]
第3代,最优解为:[4.40966761 2.09946395 1.20475455 0.69281879]
....................................................
第97代,最优解为:[6.22569046 5.90056509 5.25705552 4.59092263 2.34115917 1.06160583 0.16606301]
第98代,最优解为:[6.2761601  5.90056509 5.27773689 4.59092263 2.34115917 1.06160583 0.16606301]
第99代,最优解为:[6.2761601  5.90056509 5.27773689 4.59092263 2.34115917 1.06160583 0.16606301]

可以看到,该算法得到了一组满足约束条件的最优解,即 X1 = 0.166,X2 = 1.061,X3 = 2.341,X4 = 4.591,X5 = 5.901,X6 = 5.901,X7 = 6.276。