| 
001 /*002  * Java Genetic Algorithm Library (jenetics-4.3.0).
 003  * Copyright (c) 2007-2018 Franz Wilhelmstötter
 004  *
 005  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
 006  * you may not use this file except in compliance with the License.
 007  * You may obtain a copy of the License at
 008  *
 009  *      http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
 010  *
 011  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
 012  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
 013  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
 014  * See the License for the specific language governing permissions and
 015  * limitations under the License.
 016  *
 017  * Author:
 018  *    Franz Wilhelmstötter (franz.wilhelmstoetter@gmail.com)
 019  */
 020 package io.jenetics.ext;
 021
 022 import static java.lang.Math.abs;
 023 import static java.lang.Math.pow;
 024 import static java.lang.String.format;
 025 import static io.jenetics.internal.math.base.clamp;
 026 import static io.jenetics.internal.util.Hashes.hash;
 027
 028 import java.util.Random;
 029
 030 import io.jenetics.Crossover;
 031 import io.jenetics.NumericGene;
 032 import io.jenetics.internal.math.random;
 033 import io.jenetics.internal.util.require;
 034 import io.jenetics.util.MSeq;
 035 import io.jenetics.util.RandomRegistry;
 036
 037 /**
 038  * Performs the simulated binary crossover (SBX) on a {@code Chromosome} of
 039  * {@link NumericGene}s such that each position is either crossed contracted or
 040  * expanded with a certain probability. The probability distribution is designed
 041  * such that the children will lie closer to their parents as is the case with
 042  * the single point binary crossover.
 043  * <p>
 044  * It is implemented as described in Deb, K. and Agrawal, R. B. 1995. Simulated
 045  * binary crossover for continuous search space. Complex Systems, 9, pp. 115-148.
 046  *
 047  * @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmail.com">Franz Wilhelmstötter</a>
 048  * @since 3.5
 049  * @version 3.5
 050  */
 051 public class SimulatedBinaryCrossover<
 052     G extends NumericGene<?, G>,
 053     C extends Comparable<? super C>
 054 >
 055     extends Crossover<G, C>
 056 {
 057     private final double _contiguity;
 058
 059     /**
 060      * Create a new <i>simulated binary crossover</i> alterer with the given
 061      * parameters.
 062      *
 063      * @param probability the recombination probability
 064      * @param contiguity the contiguity value that specifies how close a child
 065      *       should be to its parents (larger value means closer). The value
 066      *       must be greater or equal than 0. Typical values are in the range
 067      *       [2..5].
 068      * @throws IllegalArgumentException if the {@code probability} is not in the
 069      *          valid range of {@code [0, 1]}
 070      * @throws IllegalArgumentException if {@code contiguity} is smaller than
 071      *         zero
 072      */
 073     public SimulatedBinaryCrossover(
 074         final double probability,
 075         final double contiguity
 076     ) {
 077         super(probability);
 078         _contiguity = require.nonNegative(contiguity);
 079     }
 080
 081     /**
 082      * Create a new <i>simulated binary crossover</i> alterer with the given
 083      * parameters. The <i>contiguity</i> value is set to {@code 2.5}.
 084      *
 085      * @param probability the recombination probability
 086      * @throws IllegalArgumentException if the {@code probability} is not in the
 087      *          valid range of {@code [0, 1]}
 088      * @throws IllegalArgumentException if {@code contiguity} is smaller than
 089      *         zero
 090      */
 091     public SimulatedBinaryCrossover(final double probability) {
 092         this(probability, 2.5);
 093     }
 094
 095     /**
 096      * Return the <i>contiguity</i> value of the crossover.
 097      *
 098      * @return the <i>contiguity</i> value of the crossover
 099      */
 100     public double getContiguity() {
 101         return _contiguity;
 102     }
 103
 104     @Override
 105     protected int crossover(final MSeq<G> that, final MSeq<G> other) {
 106         return (int)random.indexes(RandomRegistry.getRandom(), that.length(), 0.5)
 107             .peek(i -> crossover(that, other, i))
 108             .count();
 109     }
 110
 111     private void crossover(final MSeq<G> that, final MSeq<G> other, final int i) {
 112         final Random random = RandomRegistry.getRandom();
 113
 114         final double u = random.nextDouble();
 115         final double beta;
 116         if (u < 0.5) {
 117             // If u is smaller than 0.5 perform a contracting crossover.
 118             beta = pow(2*u, 1.0/(_contiguity + 1));
 119         } else if (u > 0.5) {
 120             // Otherwise perform an expanding crossover.
 121             beta = pow(0.5 / (1.0 - u), 1.0/(_contiguity + 1));
 122         } else if (u == 0.5) {
 123             beta = 1;
 124         } else {
 125             beta = 0;
 126         }
 127
 128         final double v1 = that.get(i).doubleValue();
 129         final double v2 = other.get(i).doubleValue();
 130         final double v = random.nextBoolean()
 131             ? ((v1 - v2)*0.5) - beta*0.5*abs(v1 - v2)
 132             : ((v1 - v2)*0.5) + beta*0.5*abs(v1 - v2);
 133
 134         final double min = that.get(i).getMin().doubleValue();
 135         final double max = that.get(i).getMax().doubleValue();
 136         that.set(i, that.get(i).newInstance(clamp(v, min, max)));
 137     }
 138
 139     @Override
 140     public int hashCode() {
 141         return hash(_probability, hash(_contiguity));
 142     }
 143
 144     @Override
 145     public boolean equals(final Object obj) {
 146         return obj == this ||
 147             obj instanceof SimulatedBinaryCrossover &&
 148             Double.compare(((SimulatedBinaryCrossover)obj)._probability, _probability) == 0 &&
 149             Double.compare(((SimulatedBinaryCrossover)obj)._contiguity, _contiguity) == 0;
 150     }
 151
 152     @Override
 153     public String toString() {
 154         return format(
 155             "SimulatedBinaryCrossover[p=%f, c=%f]",
 156             _probability, _contiguity
 157         );
 158     }
 159
 160 }
 |