• 群体优化算法---蜂群优化算法应用于数据挖掘


    介绍

    蜂群优化算法(Bee Algorithm, BA)及其变种主要模拟蜜蜂的觅食行为,以解决复杂的优化问题。这类算法通过蜜蜂之间的信息交流和协作来探索解空间,寻找全局最优解。主要应用于参数优化,结构优化,机器学习,数据挖掘等各个领域。

    本文示例

    本文将应用于数据挖掘,来解决聚类问题

    代码

    bee_algorithm_clustering

    function bee_algorithm_clustering(data, num_clusters, num_bees, num_iterations, elite_bees, selected_bees, patch_size)
    
        % data: 输入的数据集 (rows: samples, columns: features)
        % num_clusters: 聚类数
        % num_bees: 总蜜蜂数量
        % num_iterations: 最大迭代次数
        % elite_bees: 精英蜜蜂数量
        % selected_bees: 选定蜜蜂数量
        % patch_size: 搜索邻域大小
    
        % 初始化蜜蜂群
        [num_samples, num_features] = size(data);
        bees = initialize_bees(num_bees, num_clusters, num_features);
        
        % 计算每只蜜蜂的适应度
        fitness = evaluate_bees(bees, data);
        
        for iter = 1:num_iterations
            % 排序蜜蜂根据适应度
            [fitness, idx] = sort(fitness);
            bees = bees(idx, :);
            
            % 搜索精英蜜蜂邻域
            for i = 1:elite_bees
                new_bees = local_search(bees(i, :), patch_size, num_clusters, num_features);
                new_fitness = evaluate_bees(new_bees, data);
                
                % 选择适应度更好的蜜蜂
                [best_new_fitness, best_idx] = min(new_fitness);
                if best_new_fitness < fitness(i)
                    bees(i, :) = new_bees(best_idx, :);
                    fitness(i) = best_new_fitness;
                end
            end
            
            % 搜索选定蜜蜂邻域
            for i = (elite_bees+1):selected_bees
                new_bees = local_search(bees(i, :), patch_size, num_clusters, num_features);
                new_fitness = evaluate_bees(new_bees, data);
                
                % 选择适应度更好的蜜蜂
                [best_new_fitness, best_idx] = min(new_fitness);
                if best_new_fitness < fitness(i)
                    bees(i, :) = new_bees(best_idx, :);
                    fitness(i) = best_new_fitness;
                end
            end
            
            % 更新其余蜜蜂位置
            for i = (selected_bees+1):num_bees
                bees(i, :) = initialize_bees(1, num_clusters, num_features);
                fitness(i) = evaluate_bees(bees(i, :), data);
            end
            
            % 输出当前最优适应度
            disp(['Iteration ', num2str(iter), ': Best Fitness = ', num2str(fitness(1))]);
        end
        
        % 输出最优聚类中心
        best_bee = reshape(bees(1, :), num_clusters, num_features);
        disp('Best Cluster Centers:');
        disp(best_bee);
        
        % 绘制聚类结果
        distances = pdist2(data, best_bee);
        [~, assignments] = min(distances, [], 2);
        figure;
        hold on;
        colors = lines(num_clusters);
        for k = 1:num_clusters
            scatter(data(assignments == k, 1), data(assignments == k, 2), 36, colors(k, :), 'filled');
            scatter(best_bee(k, 1), best_bee(k, 2), 100, colors(k, :), 'x', 'LineWidth', 2);
        end
        title('聚类结果');
        xlabel('Feature 1');
        ylabel('Feature 2');
        hold off;
    end
    
    function bees = initialize_bees(num_bees, num_clusters, num_features)
        % 随机初始化蜜蜂位置
        bees = rand(num_bees, num_clusters * num_features);
    end
    
    function fitness = evaluate_bees(bees, data)
        % 评估每只蜜蜂的适应度 (SSE)
        [num_bees, ~] = size(bees);
        [num_samples, ~] = size(data);
        num_clusters = size(bees, 2) / size(data, 2);
        fitness = zeros(num_bees, 1);
        
        for i = 1:num_bees
            centers = reshape(bees(i, :), num_clusters, size(data, 2));
            distances = pdist2(data, centers);
            [~, assignments] = min(distances, [], 2);
            fitness(i) = sum(sum((data - centers(assignments, :)).^2));
        end
    end
    
    function new_bees = local_search(bee, patch_size, num_clusters, num_features)
        % 局部搜索生成新蜜蜂
        new_bees = repmat(bee, patch_size, 1);
        perturbations = randn(patch_size, num_clusters * num_features) * 0.1;
        new_bees = new_bees + perturbations;
    end
    
    

    说明

    bee_algorithm_clustering 函数:该函数是蜂群优化算法的主函数,用于执行聚类任务。

    data:输入的数据集。
    num_clusters:要找到的聚类中心的数量。
    num_bees:蜜蜂总数。
    num_iterations:最大迭代次数。
    elite_bees:精英蜜蜂的数量。
    selected_bees:选定蜜蜂的数量。
    patch_size:搜索邻域的大小。

    初始化蜜蜂群:使用随机位置初始化蜜蜂
    评估适应度:使用均方误差(SSE)评估每只蜜蜂的适应度
    局部搜索:对精英蜜蜂和选定蜜蜂进行局部搜索,生成新的蜜蜂并评估其适应度
    更新蜜蜂位置:根据适应度更新蜜蜂的位置
    输出结果:输出最佳聚类中心

    使用以下代码生成数据集,然后保存名为run_bee_algorithm_clustering,运行

    % 生成数据集
    rng(1); % 设置随机种子以便重复实验
    num_samples_per_cluster = 50;
    cluster1 = bsxfun(@plus, randn(num_samples_per_cluster, 2), [2, 2]);
    cluster2 = bsxfun(@plus, randn(num_samples_per_cluster, 2), [-2, -2]);
    cluster3 = bsxfun(@plus, randn(num_samples_per_cluster, 2), [2, -2]);
    
    data = [cluster1; cluster2; cluster3];
    
    % 绘制数据集
    figure;
    scatter(data(:, 1), data(:, 2), 'filled');
    title('原始数据集');
    xlabel('Feature 1');
    ylabel('Feature 2');
    
    % 参数设置
    num_clusters = 3;
    num_bees = 50;
    num_iterations = 100;
    elite_bees = 5;
    selected_bees = 15;
    patch_size = 10;
    
    % 运行蜂群优化算法进行聚类
    bee_algorithm_clustering(data, num_clusters, num_bees, num_iterations, elite_bees, selected_bees, patch_size);
    
    

    说明

    生成数据集:生成一个包含三类数据点的二维数据集

    效果

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/u013531166/article/details/139382734