【智能算法】DE差分进化算法求解无约束多元函数最值(Java代码实现)

本文涉及的产品
传统型负载均衡 CLB,每月750个小时 15LCU
应用型负载均衡 ALB,每月750个小时 15LCU
EMR Serverless StarRocks,5000CU*H 48000GB*H
简介: 【智能算法】DE差分进化算法求解无约束多元函数最值(Java代码实现)

@[toc]


前言

本文以求解二元函数最小值为例,如果需要求解多元函数,只需要修改以下变量即可:

  • varNum:变量维度数
  • ub和lb:变量的上下界
  • vMaxArr:每个维度的搜索速度限制

优化目标

目标:在变量区间范围最小化 Z = x^2 + y^2 - xy - 10x - 4y +60

求解结果

变量取值为:[7.9993905972136385, 5.999758300133049]
最优解为:8.000000282498

进化过程可视化

在这里插入图片描述

Java算法代码

import java.util.Arrays;
import java.util.Random;

/**
 * @Author:WSKH
 * @ClassName:DE_Solve
 * @ClassType:
 * @Description:
 * @Date:2022/6/8/18:26
 * @Email:1187560563@qq.com
 * @Blog:https://blog.csdn.net/weixin_51545953?type=blog
 */
public class DE_Solve {

    // 个体对象
    class Individual {
        // 当前个体的坐标(自变量数组)
        double[] curVars;
        // 当前自变量对应的目标函数值
        double curObjValue;
        // 适应度(解决最小化问题,所以适应度为目标函数值的倒数)
        double fit;
        // 全参构造
        public Individual(double[] curVars, double curObjValue, double fit) {
            this.curVars = curVars;
            this.curObjValue = curObjValue;
            this.fit = fit;
        }
    }

    // 算法参数
    // 变量个数
    int varNum = 2;
    // 最大迭代次数
    int maxGen = 500;
    // 个体群中个体的个数
    int individualNum = 200;
    // 常数因子(用来控制差分变化的放大率)
    double F = 0.4;
    // 贪婪系数(用来控制向当前最优解变异的程度,设置太大会容易陷入局部最优,设置太小,会导致收敛较慢)
    double greedyRate = 0.25;
    // 局部变异次数
    int variationCnt = 10;
    // 局部交叉概率
    double crossRate = 0.5;
    // 步长数组(各个维度的步长)
    double[] stepArr = new double[]{1.2, 1.2};
    // 变量的上下界
    double[] ub = new double[]{1000, 1000};
    double[] lb = new double[]{-1000, -1000};
    // 随机数对象
    Random random = new Random();
    // 个体群
    Individual[] individuals;
    // 最佳的个体
    Individual bestIndividual;
    // 记录迭代过程
    public double[][][] positionArr;
    // 当前记录的行数
    int r;

    // 求解主函数
    public void solve() {
        // 初始化个体群
        initIndividuals();
        // 开始迭代
        for (int i = 0; i < maxGen; i++) {
            variation();
            report();
            cross();
            report();
        }
        // 输出最好的结果
        System.out.println("变量取值为:" + Arrays.toString(bestIndividual.curVars));
        System.out.println("最优解为:" + bestIndividual.curObjValue);
    }

    // 变异
    void variation() {
        for (int r1 = 0; r1 < individuals.length; r1++) {
            for (int j = 0; j < variationCnt; j++) {
                // 随机选择两个其他个体
                int r2 = random.nextInt(individualNum);
                int r3 = random.nextInt(individualNum);
                while (r1 == r2 || r1 == r3 || r2 == r3) {
                    r2 = random.nextInt(individualNum);
                    r3 = random.nextInt(individualNum);
                }
                for (int m = 0; m < varNum; m++) {
                    double move = F * (individuals[r2].curVars[m] - individuals[r3].curVars[m]) + greedyRate * (bestIndividual.curVars[m] - individuals[r1].curVars[m]);
                    moveIndividual(individuals[r1], m, move);
                }
                updateIndividual(individuals[r1]);
                if (bestIndividual.fit < individuals[r1].fit) {
                    bestIndividual = copyIndividual(individuals[r1]);
                }
            }
        }
    }

    // 交叉
    void cross() {
        for (int r1 = 0; r1 < individualNum; r1++) {
            if(random.nextDouble() <= crossRate){
                int r2 = random.nextInt(individualNum);
                while (r1 == r2){
                    r2 = random.nextInt(individualNum);
                }
                int m1 = random.nextInt(varNum);
                int m2 = random.nextInt(varNum);
                double temp = individuals[r1].curVars[m1];
                individuals[r1].curVars[m1] = individuals[r2].curVars[m2];
                individuals[r2].curVars[m2] = temp;
                updateIndividual(individuals[r1]);
                updateIndividual(individuals[r2]);
                if(individuals[r1].fit > bestIndividual.fit){
                    bestIndividual = copyIndividual(individuals[r1]);
                }
                if(individuals[r2].fit > bestIndividual.fit){
                    bestIndividual = copyIndividual(individuals[r2]);
                }
            }
        }
    }

    // 记录
    void report() {
        for (int i = 0; i < individuals.length; i++) {
            for (int j = 0; j < varNum; j++) {
                positionArr[r][i][j] = individuals[i].curVars[j];
            }
        }
        r++;
    }

    // 求两个个体之间的距离
    double getDistance(Individual f1, Individual f2) {
        double dis = 0d;
        for (int i = 0; i < varNum; i++) {
            dis += Math.pow(f1.curVars[i] - f2.curVars[i], 2);
        }
        return Math.sqrt(dis);
    }

    // 初始化个体群
    private void initIndividuals() {
        positionArr = new double[2*maxGen][individualNum][varNum];
        individuals = new Individual[individualNum];
        for (int i = 0; i < individualNum; i++) {
            individuals[i] = getRandomIndividual();
            if (i == 0 || bestIndividual.fit < individuals[i].fit) {
                bestIndividual = copyIndividual(individuals[i]);
            }
        }
    }

    // 控制个体在第m个维度上移动n个距离
    public void moveIndividual(Individual individual, int m, double n) {
        // 移动
        individual.curVars[m] += n;
        // 超出定义域的判断
        if (individual.curVars[m] < lb[m]) {
            individual.curVars[m] = lb[m];
        }
        if (individual.curVars[m] > ub[m]) {
            individual.curVars[m] = ub[m];
        }
    }

    // 更新个体信息
    void updateIndividual(Individual individual) {
        double objValue = getObjValue(individual.curVars);
        individual.curObjValue = objValue;
        individual.fit = 1 / objValue;
    }

    // 获取一个随机生成的个体
    Individual getRandomIndividual() {
        double[] vars = new double[varNum];
        for (int j = 0; j < vars.length; j++) {
            vars[j] = lb[j] + random.nextDouble() * (ub[j] - lb[j]);
        }
        double objValue = getObjValue(vars);
        return new Individual(vars.clone(), objValue, 1 / objValue);
    }

    /**
     * @param vars 自变量数组
     * @return 返回目标函数值
     */
    public double getObjValue(double[] vars) {
        //目标:在变量区间范围最小化 Z = x^2 + y^2 - xy - 10x - 4y +60
        return Math.pow(vars[0], 2) + Math.pow(vars[1], 2) - vars[0] * vars[1] - 10 * vars[0] - 4 * vars[1] + 60;
    }

    // 复制个体
    Individual copyIndividual(Individual old) {
        return new Individual(old.curVars.clone(), old.curObjValue, old.fit);
    }

}

可视化代码

import javafx.animation.KeyFrame;
import javafx.animation.Timeline;
import javafx.application.Application;
import javafx.geometry.Pos;
import javafx.scene.Scene;
import javafx.scene.canvas.Canvas;
import javafx.scene.canvas.GraphicsContext;
import javafx.scene.control.Button;
import javafx.scene.input.MouseEvent;
import javafx.scene.layout.BorderPane;
import javafx.scene.layout.HBox;
import javafx.scene.paint.Color;
import javafx.stage.Stage;
import javafx.util.Duration;

/**
 * @Author:WSKH
 * @ClassName:PlotUtil
 * @ClassType:
 * @Description:
 * @Date:2022/6/6/18:31
 * @Email:1187560563@qq.com
 * @Blog:https://blog.csdn.net/weixin_51545953?type=blog
 */
public class PlotUtil extends Application {

    //当前的时间轴
    private Timeline nowTimeline;
    //绘图位置坐标
    private double[][][] positionArr;

    public static void main(String[] args) {
        launch(args);
    }

    @Override
    public void start(Stage primaryStage) throws Exception {

        // 调用算法获取绘图数据
        DE_Solve solver = new DE_Solve();
        solver.solve();
        positionArr = solver.positionArr;

        // 画图
        try {
            BorderPane root = new BorderPane();
            root.setStyle("-fx-padding: 20;");
            Scene scene = new Scene(root, 1600, 900);
            double canvasWid = 800;
            double canvasHei = 800;
            //根据画布大小缩放坐标值
            this.fixPosition(canvasWid - 100, canvasHei - 100);

            //画布和画笔
            HBox canvasHbox = new HBox();
            Canvas canvas = new Canvas();
            canvas.setWidth(canvasWid);
            canvas.setHeight(canvasHei);
            canvasHbox.setPrefWidth(canvasWid);
            canvasHbox.getChildren().add(canvas);
            canvasHbox.setAlignment(Pos.CENTER);
            canvasHbox.setStyle("-fx-spacing: 20;" +
                    "-fx-background-color: #87e775;");
            root.setTop(canvasHbox);
            GraphicsContext paintBrush = canvas.getGraphicsContext2D();

            //启动
            HBox hBox2 = new HBox();
            Button beginButton = new Button("播放迭代过程");
            hBox2.getChildren().add(beginButton);
            root.setBottom(hBox2);
            hBox2.setAlignment(Pos.CENTER);
            //启动仿真以及暂停仿真
            beginButton.addEventHandler(MouseEvent.MOUSE_CLICKED, event -> {
                nowTimeline.play();
            });

            //创建扫描线连接动画
            nowTimeline = new Timeline();
            createAnimation(paintBrush);

            primaryStage.setScene(scene);
            primaryStage.show();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 修正cityPositionArr的坐标,让画出来的点在画布内
     *
     * @param width
     * @param height
     */
    private void fixPosition(double width, double height) {
        double minX = Double.MAX_VALUE;
        double maxX = -Double.MAX_VALUE;
        double minY = Double.MAX_VALUE;
        double maxY = -Double.MAX_VALUE;

        for (int i = 0; i < this.positionArr.length; i++) {
            for (int j = 0; j < this.positionArr[0].length; j++) {
                minX = Math.min(minX, this.positionArr[i][j][0]);
                maxX = Math.max(maxX, this.positionArr[i][j][0]);
                minY = Math.min(minY, this.positionArr[i][j][1]);
                maxY = Math.max(maxY, this.positionArr[i][j][1]);
            }
        }

        double multiple = Math.max((maxX - minX) / width, (maxY - minY) / height);

        //转化为正数数
        for (int i = 0; i < this.positionArr.length; i++) {
            for (int j = 0; j < this.positionArr[0].length; j++) {
                if (minX < 0) {
                    this.positionArr[i][j][0] = this.positionArr[i][j][0] - minX;
                }
                if (minY < 0) {
                    this.positionArr[i][j][1] = this.positionArr[i][j][1] - minY;
                }
            }
        }

        for (int i = 0; i < this.positionArr.length; i++) {
            for (int j = 0; j < this.positionArr[0].length; j++) {
                this.positionArr[i][j][0] = this.positionArr[i][j][0] / multiple;
                this.positionArr[i][j][1] = this.positionArr[i][j][1] / multiple;
            }
        }

    }

    /**
     * 用画笔在画布上画出所有的孔
     * 画第i代的所有粒子
     */
    private void drawAllCircle(GraphicsContext paintBrush, int i) {
        paintBrush.clearRect(0, 0, 2000, 2000);
        paintBrush.setFill(Color.RED);
        for (int j = 0; j < this.positionArr[i].length; j++) {
            drawCircle(paintBrush, i, j);
        }
    }

    /**
     * 用画笔在画布上画出一个孔
     * 画第i代的第j个粒子
     */
    private void drawCircle(GraphicsContext paintBrush, int i, int j) {
        double x = this.positionArr[i][j][0];
        double y = this.positionArr[i][j][1];
        double radius = 2;
        // 圆的直径
        double diameter = radius * 2;
        paintBrush.fillOval(x, y, diameter, diameter);
    }

    /**
     * 创建动画
     */
    private void createAnimation(GraphicsContext paintBrush) {
        for (int i = 0; i < this.positionArr[0].length; i++) {
            int finalI = i;
            KeyFrame keyFrame = new KeyFrame(Duration.seconds(i * 0.05), event -> drawAllCircle(paintBrush, finalI));
            nowTimeline.getKeyFrames().add(keyFrame);
        }
    }

}
相关实践学习
SLB负载均衡实践
本场景通过使用阿里云负载均衡 SLB 以及对负载均衡 SLB 后端服务器 ECS 的权重进行修改,快速解决服务器响应速度慢的问题
负载均衡入门与产品使用指南
负载均衡(Server Load Balancer)是对多台云服务器进行流量分发的负载均衡服务,可以通过流量分发扩展应用系统对外的服务能力,通过消除单点故障提升应用系统的可用性。 本课程主要介绍负载均衡的相关技术以及阿里云负载均衡产品的使用方法。
目录
相关文章
|
11天前
|
XML 安全 Java
Java反射机制:解锁代码的无限可能
Java 反射(Reflection)是Java 的特征之一,它允许程序在运行时动态地访问和操作类的信息,包括类的属性、方法和构造函数。 反射机制能够使程序具备更大的灵活性和扩展性
19 5
Java反射机制:解锁代码的无限可能
|
7天前
|
jenkins Java 测试技术
如何使用 Jenkins 自动发布 Java 代码,通过一个电商公司后端服务的实际案例详细说明
本文介绍了如何使用 Jenkins 自动发布 Java 代码,通过一个电商公司后端服务的实际案例,详细说明了从 Jenkins 安装配置到自动构建、测试和部署的全流程。文中还提供了一个 Jenkinsfile 示例,并分享了实践经验,强调了版本控制、自动化测试等关键点的重要性。
33 3
|
12天前
|
存储 安全 Java
系统安全架构的深度解析与实践:Java代码实现
【11月更文挑战第1天】系统安全架构是保护信息系统免受各种威胁和攻击的关键。作为系统架构师,设计一套完善的系统安全架构不仅需要对各种安全威胁有深入理解,还需要熟练掌握各种安全技术和工具。
41 10
|
8天前
|
分布式计算 Java MaxCompute
ODPS MR节点跑graph连通分量计算代码报错java heap space如何解决
任务启动命令:jar -resources odps-graph-connect-family-2.0-SNAPSHOT.jar -classpath ./odps-graph-connect-family-2.0-SNAPSHOT.jar ConnectFamily 若是设置参数该如何设置
|
6天前
|
Java
Java代码解释++i和i++的五个主要区别
本文介绍了前缀递增(++i)和后缀递增(i++)的区别。两者在独立语句中无差异,但在赋值表达式中,i++ 返回原值,++i 返回新值;在复杂表达式中计算顺序不同;在循环中虽结果相同但使用方式有别。最后通过 `Counter` 类模拟了两者的内部实现原理。
Java代码解释++i和i++的五个主要区别
|
9天前
|
SQL 监控 Java
Java连接池技术的最新发展,包括高性能与低延迟、智能化管理与监控、扩展性与兼容性等方面
本文探讨了Java连接池技术的最新发展,包括高性能与低延迟、智能化管理与监控、扩展性与兼容性等方面。同时,结合最佳实践,介绍了如何选择合适的连接池库、合理配置参数、使用监控工具及优化数据库操作,以实现高效稳定的数据库访问。示例代码展示了如何使用HikariCP连接池。
7 2
|
14天前
|
搜索推荐 Java 数据库连接
Java|在 IDEA 里自动生成 MyBatis 模板代码
基于 MyBatis 开发的项目,新增数据库表以后,总是需要编写对应的 Entity、Mapper 和 Service 等等 Class 的代码,这些都是重复的工作,我们可以想一些办法来自动生成这些代码。
25 6
|
14天前
|
Java
通过Java代码解释成员变量(实例变量)和局部变量的区别
本文通过一个Java示例,详细解释了成员变量(实例变量)和局部变量的区别。成员变量属于类的一部分,每个对象有独立的副本;局部变量则在方法或代码块内部声明,作用范围仅限于此。示例代码展示了如何在类中声明和使用这两种变量。
|
15天前
|
存储 Java API
优雅地使用Java Map,通过掌握其高级特性和技巧,让代码更简洁。
【10月更文挑战第19天】本文介绍了如何优雅地使用Java Map,通过掌握其高级特性和技巧,让代码更简洁。内容包括Map的初始化、使用Stream API处理Map、利用merge方法、使用ComputeIfAbsent和ComputeIfPresent,以及Map的默认方法。这些技巧不仅提高了代码的可读性和维护性,还提升了开发效率。
36 3
|
15天前
|
存储 Java 开发者
Java中的Map接口提供了一种优雅的方式来管理数据结构,使代码更加清晰、高效
【10月更文挑战第19天】在软件开发中,随着项目复杂度的增加,数据结构的组织和管理变得至关重要。Java中的Map接口提供了一种优雅的方式来管理数据结构,使代码更加清晰、高效。本文通过在线购物平台的案例,展示了Map在商品管理、用户管理和订单管理中的具体应用,帮助开发者告别混乱,提升代码质量。
24 1