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标题: 群体优化算法---蜂群优化算法应用于数据挖掘 [打印本页]

作者: 不到断气不罢休    时间: 2024-6-15 00:43
标题: 群体优化算法---蜂群优化算法应用于数据挖掘
先容

蜂群优化算法(Bee Algorithm, BA)及其变种主要模拟蜜蜂的觅食行为,以办理复杂的优化问题。这类算法通过蜜蜂之间的信息交换和协作来探索解空间,探求全局最优解。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,来办理聚类问题
代码

bee_algorithm_clustering
  1. function bee_algorithm_clustering(data, num_clusters, num_bees, num_iterations, elite_bees, selected_bees, patch_size)
  2.     % data: 输入的数据集 (rows: samples, columns: features)
  3.     % num_clusters: 聚类数
  4.     % num_bees: 总蜜蜂数量
  5.     % num_iterations: 最大迭代次数
  6.     % elite_bees: 精英蜜蜂数量
  7.     % selected_bees: 选定蜜蜂数量
  8.     % patch_size: 搜索邻域大小
  9.     % 初始化蜜蜂群
  10.     [num_samples, num_features] = size(data);
  11.     bees = initialize_bees(num_bees, num_clusters, num_features);
  12.    
  13.     % 计算每只蜜蜂的适应度
  14.     fitness = evaluate_bees(bees, data);
  15.    
  16.     for iter = 1:num_iterations
  17.         % 排序蜜蜂根据适应度
  18.         [fitness, idx] = sort(fitness);
  19.         bees = bees(idx, :);
  20.         
  21.         % 搜索精英蜜蜂邻域
  22.         for i = 1:elite_bees
  23.             new_bees = local_search(bees(i, :), patch_size, num_clusters, num_features);
  24.             new_fitness = evaluate_bees(new_bees, data);
  25.             
  26.             % 选择适应度更好的蜜蜂
  27.             [best_new_fitness, best_idx] = min(new_fitness);
  28.             if best_new_fitness < fitness(i)
  29.                 bees(i, :) = new_bees(best_idx, :);
  30.                 fitness(i) = best_new_fitness;
  31.             end
  32.         end
  33.         
  34.         % 搜索选定蜜蜂邻域
  35.         for i = (elite_bees+1):selected_bees
  36.             new_bees = local_search(bees(i, :), patch_size, num_clusters, num_features);
  37.             new_fitness = evaluate_bees(new_bees, data);
  38.             
  39.             % 选择适应度更好的蜜蜂
  40.             [best_new_fitness, best_idx] = min(new_fitness);
  41.             if best_new_fitness < fitness(i)
  42.                 bees(i, :) = new_bees(best_idx, :);
  43.                 fitness(i) = best_new_fitness;
  44.             end
  45.         end
  46.         
  47.         % 更新其余蜜蜂位置
  48.         for i = (selected_bees+1):num_bees
  49.             bees(i, :) = initialize_bees(1, num_clusters, num_features);
  50.             fitness(i) = evaluate_bees(bees(i, :), data);
  51.         end
  52.         
  53.         % 输出当前最优适应度
  54.         disp(['Iteration ', num2str(iter), ': Best Fitness = ', num2str(fitness(1))]);
  55.     end
  56.    
  57.     % 输出最优聚类中心
  58.     best_bee = reshape(bees(1, :), num_clusters, num_features);
  59.     disp('Best Cluster Centers:');
  60.     disp(best_bee);
  61.    
  62.     % 绘制聚类结果
  63.     distances = pdist2(data, best_bee);
  64.     [~, assignments] = min(distances, [], 2);
  65.     figure;
  66.     hold on;
  67.     colors = lines(num_clusters);
  68.     for k = 1:num_clusters
  69.         scatter(data(assignments == k, 1), data(assignments == k, 2), 36, colors(k, :), 'filled');
  70.         scatter(best_bee(k, 1), best_bee(k, 2), 100, colors(k, :), 'x', 'LineWidth', 2);
  71.     end
  72.     title('聚类结果');
  73.     xlabel('Feature 1');
  74.     ylabel('Feature 2');
  75.     hold off;
  76. end
  77. function bees = initialize_bees(num_bees, num_clusters, num_features)
  78.     % 随机初始化蜜蜂位置
  79.     bees = rand(num_bees, num_clusters * num_features);
  80. end
  81. function fitness = evaluate_bees(bees, data)
  82.     % 评估每只蜜蜂的适应度 (SSE)
  83.     [num_bees, ~] = size(bees);
  84.     [num_samples, ~] = size(data);
  85.     num_clusters = size(bees, 2) / size(data, 2);
  86.     fitness = zeros(num_bees, 1);
  87.    
  88.     for i = 1:num_bees
  89.         centers = reshape(bees(i, :), num_clusters, size(data, 2));
  90.         distances = pdist2(data, centers);
  91.         [~, assignments] = min(distances, [], 2);
  92.         fitness(i) = sum(sum((data - centers(assignments, :)).^2));
  93.     end
  94. end
  95. function new_bees = local_search(bee, patch_size, num_clusters, num_features)
  96.     % 局部搜索生成新蜜蜂
  97.     new_bees = repmat(bee, patch_size, 1);
  98.     perturbations = randn(patch_size, num_clusters * num_features) * 0.1;
  99.     new_bees = new_bees + perturbations;
  100. end
复制代码
说明

bee_algorithm_clustering 函数:该函数是蜂群优化算法的主函数,用于执行聚类使命。
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:搜刮邻域的大小。
初始化蜜蜂群:利用随机位置初始化蜜蜂
评估适应度:利用均方偏差(SSE)评估每只蜜蜂的适应度
局部搜刮:对精英蜜蜂和选定蜜蜂进行局部搜刮,天生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
利用以下代码天生数据集,然后生存名为run_bee_algorithm_clustering,运行
  1. % 生成数据集
  2. rng(1); % 设置随机种子以便重复实验
  3. num_samples_per_cluster = 50;
  4. cluster1 = bsxfun(@plus, randn(num_samples_per_cluster, 2), [2, 2]);
  5. cluster2 = bsxfun(@plus, randn(num_samples_per_cluster, 2), [-2, -2]);
  6. cluster3 = bsxfun(@plus, randn(num_samples_per_cluster, 2), [2, -2]);
  7. data = [cluster1; cluster2; cluster3];
  8. % 绘制数据集
  9. figure;
  10. scatter(data(:, 1), data(:, 2), 'filled');
  11. title('原始数据集');
  12. xlabel('Feature 1');
  13. ylabel('Feature 2');
  14. % 参数设置
  15. num_clusters = 3;
  16. num_bees = 50;
  17. num_iterations = 100;
  18. elite_bees = 5;
  19. selected_bees = 15;
  20. patch_size = 10;
  21. % 运行蜂群优化算法进行聚类
  22. bee_algorithm_clustering(data, num_clusters, num_bees, num_iterations, elite_bees, selected_bees, patch_size);
复制代码
说明

天生数据集:天生一个包含三类数据点的二维数据集
结果




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