基于蛙跳优化的神经网络数据预测matlab仿真

本文涉及的产品
实时计算 Flink 版,5000CU*H 3个月
检索分析服务 Elasticsearch 版,2核4GB开发者规格 1个月
智能开放搜索 OpenSearch行业算法版,1GB 20LCU 1个月
简介: 使用MATLAB2022a,应用蛙跳优化算法(SFLA)调整神经网络权重,提升预测精度,输出预测曲线。神经网络结合输入、隐藏和输出层进行预测,蛙跳算法模仿蛙群觅食行为优化权重和阈值。算法流程包括蛙群初始化、子群划分、局部搜索及适应度更新,直至满足停止条件。优化后的神经网络能提升预测性能。

1.程序功能描述
通过蛙跳优化算法,优化神经网络的权值参数,然后使用优化后的神经网络模型对数据进行预测,输出预测曲线。

2.测试软件版本以及运行结果展示
MATLAB2022a版本运行

1.jpeg
2.jpeg

3.核心程序
```% 数据归一化预处理
Vmin1 = min(X);
Vmax1 = max(X);
Vmin2 = min(Y);
Vmax2 = max(Y);
XN = X;
YN = Y;
% 对输入数据X进行归一化处理
for ii = 1:InputNum
XN(:,ii) = func_Norm(X(:,ii),Vmin1(ii),Vmax1(ii));
end
% 对输出数据Y进行归一化处理
for ii = 1:OutputNum
YN(:,ii) = func_Norm(Y(:,ii),Vmin2(ii),Vmax2(ii));
end

% 划分数据集为训练集和测试集
Xtrain = XN(1:N1,:);
Ytrain = YN(1:N1,:);
Xtest = XN(N1+1:end,:);
Ytest = YN(N1+1:end,:);

%神经网络结构
pr = [-1 1];
PR = repmat(pr,InputNum,1);
% 创建一个前馈神经网络,隐藏层有5个神经元,输出层有OutputNum个神经元
Network= newff(PR,[5 OutputNum],{'tansig' 'tansig'});

%训练
[Network,Ybest]= func_BSFLA(Network,Xtrain,Ytrain);

figure;
plot(Ybest, 'LineWidth', 2);
xlabel('Iteration');
ylabel('Best Cost');
grid on;

% 使用训练好的神经网络对训练集和测试集进行预测
Y_pre1 = sim(Network,Xtrain')';
Y_pre2 = sim(Network,Xtest')';

figure
subplot(221);
plot(Ytrain,'-bs',...
'LineWidth',1,...
'MarkerSize',6,...
'MarkerEdgeColor','k',...
'MarkerFaceColor',[0.9,0.0,0.0]);
hold on
plot(Y_pre1,'g','linewidth',2)
hold off
legend('训练值','预测值');

subplot(222);
plot(Ytest,'-bs',...
'LineWidth',1,...
'MarkerSize',6,...
'MarkerEdgeColor','k',...
'MarkerFaceColor',[0.9,0.0,0.0]);
hold on
plot(Y_pre2,'g','linewidth',2)
hold off
legend('训练值','预测值');

subplot(223);
t = -1:.1:1;
plot(t,t,'b','linewidth',2)
hold on
plot(Ytrain,Y_pre1,'bo',...
'LineWidth',1,...
'MarkerSize',6,...
'MarkerEdgeColor','k',...
'MarkerFaceColor',[0.9,0.0,0.0]);
hold off

subplot(224);
t = -1:.1:1;
plot(t,t,'b','linewidth',2)
hold on
plot(Ytest,Y_pre2,'bo',...
'LineWidth',1,...
'MarkerSize',6,...
'MarkerEdgeColor','k',...
'MarkerFaceColor',[0.9,0.0,0.0]);
hold off
24

```

4.本算法原理
基于蛙跳优化的神经网络数据预测是一种结合了蛙跳算法(Shuffled Frog Leaping Algorithm, SFLA)和神经网络(Neural Network, NN)的预测方法。该方法旨在通过蛙跳算法优化神经网络的权重和阈值,从而提高神经网络的预测性能。

   神经网络是一种模拟人脑神经元连接结构的计算模型,它由输入层、隐藏层和输出层组成。每一层都包含一定数量的神经元,这些神经元通过权重和阈值相互连接。神经网络通过前向传播算法计算输出,然后通过反向传播算法调整权重和阈值以减小预测误差。

   蛙跳算法是一种群体智能优化算法,它模拟了蛙群的觅食行为。算法将解空间比喻为一个池塘,每只蛙代表一个解。蛙群被分为多个子群,每个子群内的蛙通过跳跃来寻找更好的解,同时子群之间也进行信息交流。

蛙跳算法的基本步骤如下:

初始化蛙群,每只蛙代表一个解(即神经网络的一组权重和阈值)。
将蛙群分为多个子群。
对每个子群进行局部搜索:
按照适应度函数对子群内的蛙进行排序。
最差的蛙尝试跳跃到当前子群内最好蛙的位置附近。
如果跳跃后的位置比原来好,则更新该蛙的位置。
如果满足停止条件(如达到最大迭代次数或解的质量满足要求),则停止算法;否则,转到步骤3。
在基于蛙跳优化的神经网络中,蛙跳算法用于优化神经网络的权重和阈值。具体来说,每个蛙代表神经网络的一组权重和阈值,适应度函数通常是神经网络在训练集上的性能(如均方误差的倒数)。

    通过蛙跳算法的优化,神经网络能够在权重和阈值空间中更有效地搜索,从而找到更好的解,提高预测性能。
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