univer-7th-semester/genetic-algorithms
Code Actions Releases 7

Вынес методы инициализации из хромосомы

Browse Source
This commit is contained in:
Артём Тищенко
2025-10-21 18:14:20 +03:00
parent afd7a700ca
commit 83be98e923
3 changed files with 84 additions and 73 deletions
Download Patch File Download Diff File Expand all files Collapse all files

134
lab4/gp/chromosome.py
View File

@@ -1,10 +1,10 @@
import random
from typing import Literal, Sequence
from typing import Callable, Sequence
from .operation import Operation
from .terminal import Terminal
type InitMethod = Literal["full", "grow"]
type InitFunc = Callable[["Chromosome"], "Chromosome.Node"]
class Chromosome:
@@ -12,76 +12,21 @@ class Chromosome:
self,
operations: Sequence[Operation],
terminals: Sequence[Terminal],
max_depth: int,
init_method: InitMethod,
terminal_probability: float = 0.5,
init_func: InitFunc,
):
self.operations = operations
self.terminals = terminals
self.root = (
self._init_full(max_depth)
if init_method == "full"
else self._init_grow(max_depth, terminal_probability)
)
self.depth = self._compute_depth(self.root)
self.root = init_func(self)
def _compute_depth(self, node: "Chromosome.Node") -> int:
def get_depth(self) -> int:
"""Вычисляет глубину дерева. Дерево из одного только корня имеет глубину 1."""
return (
max(self._compute_depth(child) for child in node.children) + 1
if node.children
else 1
)
def _random_terminal(self) -> Terminal:
return random.choice(self.terminals)
def _init_full(self, max_depth: int) -> "Chromosome.Node":
"""Полная инициализация.
В полном методе при генерации дерева, пока не достигнута максимальная глубина,
допускается выбор только функциональных символов, а на последнем уровне
(максимальной глубины) выбираются только терминальные символы.
"""
def build(level: int) -> Chromosome.Node:
# Если достигнута максимальная глубина — выбираем терминал
if level == max_depth:
return Chromosome.Node(self._random_terminal(), [])
# Иначе выбираем операцию и создаём потомков
op = random.choice(self.operations)
node = Chromosome.Node(op, [build(level + 1) for _ in range(op.arity)])
return node
return build(1)
def _init_grow(
self, max_depth: int, terminal_probability: float
) -> "Chromosome.Node":
"""Растущая инициализация.
В растущей инициализации генерируются нерегулярные деревья с различной глубиной
листьев вследствие случайного на каждом шаге выбора функционального
или терминального символа. Здесь при выборе терминального символа рост дерева
прекращается по текущей ветви и поэтому дерево имеет нерегулярную структуру.
"""
def build(level: int) -> Chromosome.Node:
# Если достигнута максимальная глубина, либо сыграла заданная вероятность
# — выбираем терминал
if level == max_depth or random.random() < terminal_probability:
return Chromosome.Node(self._random_terminal(), [])
# Иначе выбираем случайную операцию и создаём потомков
op = random.choice(self.operations)
children = [build(level + 1) for _ in range(op.arity)]
return Chromosome.Node(op, children)
return build(1)
return self.root.get_depth() if self.root is not None else 0
def eval(self, values: list[float]) -> float:
"""Вычисляет значение хромосомы для заданных значений терминалов."""
if self.root is None:
raise ValueError("Chromosome is not initialized")
for terminal, value in zip(self.terminals, values):
terminal._value = value
@@ -104,6 +49,9 @@ class Chromosome:
def str_tree(self) -> str:
"""Строковое представление древовидной структуры формулы."""
if self.root is None:
return ""
lines = [self.root.value.name]
for i, child in enumerate(self.root.children):
last = i == len(self.root.children) - 1
@@ -117,6 +65,14 @@ class Chromosome:
self.value = value
self.children = children
def get_depth(self) -> int:
"""Вычисляет глубину поддерева."""
return (
max(child.get_depth() for child in self.children) + 1
if self.children
else 1
)
def __str__(self) -> str:
"""Рекурсивный перевод древовидного вида формулы в строку в инфиксной форме."""
if isinstance(self.value, Terminal):
@@ -136,3 +92,53 @@ class Chromosome:
return self.value._value # type: ignore
return self.value._eval([child._eval() for child in self.children])
def _random_terminal(terminals: Sequence[Terminal]) -> Terminal:
return random.choice(terminals)
def init_full(chromosome: Chromosome, max_depth: int) -> Chromosome.Node:
"""Полная инициализация.
В полном методе при генерации дерева, пока не достигнута максимальная глубина,
допускается выбор только функциональных символов, а на последнем уровне
(максимальной глубины) выбираются только терминальные символы.
"""
def build(level: int) -> Chromosome.Node:
# Если достигнута максимальная глубина — выбираем терминал
if level == max_depth:
return Chromosome.Node(_random_terminal(chromosome.terminals), [])
# Иначе выбираем операцию и создаём потомков
op = random.choice(chromosome.operations)
node = Chromosome.Node(op, [build(level + 1) for _ in range(op.arity)])
return node
return build(1)
def init_grow(
chromosome: Chromosome, max_depth: int, terminal_probability: float = 0.5
) -> Chromosome.Node:
"""Растущая инициализация.
В растущей инициализации генерируются нерегулярные деревья с различной глубиной
листьев вследствие случайного на каждом шаге выбора функционального
или терминального символа. Здесь при выборе терминального символа рост дерева
прекращается по текущей ветви и поэтому дерево имеет нерегулярную структуру.
"""
def build(level: int) -> Chromosome.Node:
# Если достигнута максимальная глубина, либо сыграла заданная вероятность
# — выбираем терминал
if level == max_depth or random.random() < terminal_probability:
return Chromosome.Node(_random_terminal(chromosome.terminals), [])
# Иначе выбираем случайную операцию и создаём потомков
op = random.choice(chromosome.operations)
children = [build(level + 1) for _ in range(op.arity)]
return Chromosome.Node(op, children)
return build(1)

16
lab4/gp/population.py
View File

@@ -1,7 +1,7 @@
import random
from typing import Callable
from .chromosome import Chromosome, InitMethod
from .chromosome import Chromosome, InitFunc, init_full, init_grow
type Population = list[Chromosome]
@@ -9,7 +9,7 @@ type Population = list[Chromosome]
def ramped_initialization(
population_size: int,
depths: list[int],
make_chromosome: Callable[[int, InitMethod], Chromosome], # (max_depth, method)
make_chromosome: Callable[[InitFunc], Chromosome],
) -> Population:
"""Комбинация методов grow и full инициализации хромосом для инициализации начальной
популяции.
@@ -25,14 +25,18 @@ def ramped_initialization(
n_full = int(per_depth / 2)
n_grow = int(per_depth / 2)
population.extend(make_chromosome(depth, "full") for _ in range(n_full))
population.extend(make_chromosome(depth, "grow") for _ in range(n_grow))
population.extend(
make_chromosome(lambda c: init_full(c, depth)) for _ in range(n_full)
)
population.extend(
make_chromosome(lambda c: init_grow(c, depth)) for _ in range(n_grow)
)
# Из-за округления хромосом может оказаться меньше заданного количества,
# поэтому дозаполняем остаток популяции случайными хромосомами
while len(population) < population_size:
depth = random.choice(depths)
method = "full" if random.random() < 0.5 else "grow"
population.append(make_chromosome(depth, method))
init_func = init_full if random.random() < 0.5 else init_grow
population.append(make_chromosome(lambda c: init_func(c, depth)))
return population

7
lab4/main.py
View File

@@ -1,12 +1,13 @@
from gp import Chromosome, Terminal, ops
from gp.chromosome import init_grow
from gp.population import ramped_initialization
operations = ops.ALL
terminals = [Terminal(f"x{i}") for i in range(1, 9)]
chrom = Chromosome(operations, terminals, 8, "grow")
print("Depth:", chrom.depth)
chrom = Chromosome(operations, terminals, init_func=lambda c: init_grow(c, 8))
print("Depth:", chrom.get_depth())
print("Formula:", chrom)
print("Tree:\n", chrom.str_tree())
@@ -16,7 +17,7 @@ print("Value for ", values, ":", chrom.eval(values))
population = ramped_initialization(
100,
[3, 4, 5, 6, 7, 8],
lambda depth, method: Chromosome(operations, terminals, depth, method),
lambda init_func: Chromosome(operations, terminals, init_func),
)
print("Population size:", len(population))
print("Population:")