Use matplotlib for lab6 visuals and expand report

lab6/README.md

@@ -1,7 +1,10 @@
 # Лабораторная работа 6
 
 ## Как получить изображения и данные
-1. Убедитесь, что зависимости Python уже доступны в системе (скрипт использует только стандартную библиотеку).
+1. Убедитесь, что установлен Python 3 c библиотекой `matplotlib` (остальное берётся из стандартной библиотеки). При необходимости установите её командой:
+   ```bash
+   pip install matplotlib
+   ```
 2. Запустите оптимизатор и генерацию графиков:
    ```bash
    python lab6/main.py

lab6/aco.py

@@ -1,10 +1,10 @@
 import math
 import random
-import struct
-import zlib
 from dataclasses import dataclass
 from typing import List, Sequence, Tuple
 
+import matplotlib.pyplot as plt
+
 City = Tuple[float, float]
 Tour = List[int]
 
@@ -23,116 +23,38 @@ def build_distance_matrix(cities: Sequence[City]) -> list[list[float]]:
     return matrix
 
 
-def _write_png(filename: str, pixels: list[list[tuple[int, int, int]]]) -> None:
-    height = len(pixels)
-    width = len(pixels[0]) if height else 0
-
-    def chunk(chunk_type: bytes, data: bytes) -> bytes:
-        return (
-            struct.pack(">I", len(data))
-            + chunk_type
-            + data
-            + struct.pack(">I", zlib.crc32(chunk_type + data) & 0xFFFFFFFF)
-        )
-
-    raw = b"".join(b"\x00" + bytes([c for px in row for c in px]) for row in pixels)
-    png = b"\x89PNG\r\n\x1a\n"
-    ihdr = struct.pack(">IIBBBBB", width, height, 8, 2, 0, 0, 0)
-    png += chunk(b"IHDR", ihdr)
-    png += chunk(b"IDAT", zlib.compress(raw, 9))
-    png += chunk(b"IEND", b"")
-
-    with open(filename, "wb") as f:
-        f.write(png)
-
-
-def _scale_points(points: Sequence[tuple[float, float]], size: int = 800, margin: int = 20):
-    xs = [p[0] for p in points]
-    ys = [p[1] for p in points]
-    min_x, max_x = min(xs), max(xs)
-    min_y, max_y = min(ys), max(ys)
-    scale_x = (size - 2 * margin) / (max_x - min_x + 1e-9)
-    scale_y = (size - 2 * margin) / (max_y - min_y + 1e-9)
-    return [
-        (
-            int((x - min_x) * scale_x + margin),
-            int((y - min_y) * scale_y + margin),
-        )
-        for x, y in points
-    ]
-
-
-def _draw_line(pixels: list[list[tuple[int, int, int]]], p1: tuple[int, int], p2: tuple[int, int], color: tuple[int, int, int]):
-    x1, y1 = p1
-    x2, y2 = p2
-    dx = abs(x2 - x1)
-    dy = -abs(y2 - y1)
-    sx = 1 if x1 < x2 else -1
-    sy = 1 if y1 < y2 else -1
-    err = dx + dy
-    while True:
-        if 0 <= x1 < len(pixels[0]) and 0 <= y1 < len(pixels):
-            pixels[y1][x1] = color
-        if x1 == x2 and y1 == y2:
-            break
-        e2 = 2 * err
-        if e2 >= dy:
-            err += dy
-            x1 += sx
-        if e2 <= dx:
-            err += dx
-            y1 += sy
-
-
-def _draw_circle(pixels: list[list[tuple[int, int, int]]], center: tuple[int, int], radius: int, color: tuple[int, int, int]):
-    cx, cy = center
-    for y in range(cy - radius, cy + radius + 1):
-        for x in range(cx - radius, cx + radius + 1):
-            if 0 <= x < len(pixels[0]) and 0 <= y < len(pixels):
-                if (x - cx) ** 2 + (y - cy) ** 2 <= radius ** 2:
-                    pixels[y][x] = color
-
-
 def plot_tour(cities: Sequence[City], tour: Sequence[int], save_path: str) -> None:
     ordered = [cities[i] for i in tour] + [cities[tour[0]]]
-    points = _scale_points(ordered)
+    xs, ys = zip(*ordered)
-    width = height = 820
-    pixels = [[(255, 255, 255) for _ in range(width)] for _ in range(height)]
 
-    for i in range(len(points) - 1):
+    fig, ax = plt.subplots(figsize=(7, 7))
-        _draw_line(pixels, points[i], points[i + 1], (0, 120, 200))
+    ax.plot(xs, ys, "-o", color="#1f77b4", markersize=4, linewidth=1.5)
+    city_xs, city_ys = zip(*cities)
+    ax.scatter(city_xs, city_ys, s=18, color="#d62728", zorder=5)
 
-    # draw cities
+    ax.set_xlabel("X")
-    city_points = _scale_points(cities)
+    ax.set_ylabel("Y")
-    for p in city_points:
+    ax.set_title("Маршрут тура")
-        _draw_circle(pixels, p, 4, (200, 50, 50))
+    ax.set_aspect("equal", adjustable="box")
-
+    ax.grid(True, linestyle="--", alpha=0.3)
-    _write_png(save_path, pixels)
+    fig.tight_layout()
+    fig.savefig(save_path, dpi=220)
+    plt.close(fig)
 
 
 def plot_history(best_lengths: Sequence[float], save_path: str) -> None:
     if not best_lengths:
         return
 
-    width, height, margin = 820, 400, 20
+    fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 3.8))
-    pixels = [[(255, 255, 255) for _ in range(width)] for _ in range(height)]
+    ax.plot(best_lengths, color="#111111", linewidth=1.4)
-
+    ax.set_xlabel("Итерация")
-    n = len(best_lengths)
+    ax.set_ylabel("Длина лучшего тура")
-    min_len, max_len = min(best_lengths), max(best_lengths)
+    ax.set_title("Сходимость ACO")
-    span = max_len - min_len if max_len != min_len else 1
+    ax.grid(True, linestyle="--", alpha=0.4)
-
+    fig.tight_layout()
-    def to_point(idx: int, value: float) -> tuple[int, int]:
+    fig.savefig(save_path, dpi=220)
-        x = margin + int((width - 2 * margin) * idx / max(1, n - 1))
+    plt.close(fig)
-        y = height - margin - int((height - 2 * margin) * (value - min_len) / span)
-        return x, y
-
-    prev = to_point(0, best_lengths[0])
-    for i, v in enumerate(best_lengths[1:], start=1):
-        cur = to_point(i, v)
-        _draw_line(pixels, prev, cur, (30, 30, 30))
-        prev = cur
-
-    _write_png(save_path, pixels)
 
 
 @dataclass

lab6/report/report.tex

@@ -256,16 +256,57 @@
     \newpage
     \section{Особенности реализации}
 
-    В рамках шестой лабораторной работы реализован простой муравьиный алгоритм для решения задачи коммивояжёра. Алгоритм оформлен в модуле \texttt{aco.py} и состоит из следующих компонентов:
+    Код решения собран в модуле \texttt{lab6/aco.py}. Ниже приведены ключевые элементы реализации с небольшими листингами (язык Python) и пояснениями.
-    \begin{itemize}
-        \item \textbf{Структуры данных}: конфигурация \texttt{ACOConfig} (число муравьёв, количество итераций, параметры $\alpha$, $\beta$, $\rho$ и $q$) и результат \texttt{ACOResult} (лучший тур, его длина и история улучшений).
-        \item \textbf{Матрицы расстояний и феромона}: расстояния между городами предвычисляются один раз; феромон хранится в виде симметричной матрицы и инициализируется единицами с нулями на диагонали.
-        \item \textbf{Построение тура}: каждый муравей стартует в случайном городе и последовательно добавляет вершины. Выбор следующего города происходит по вероятности, пропорциональной $\tau^\alpha \cdot (1/d)^\beta$, где $\tau$ — феромон на ребре, $d$ — расстояние между городами.
-        \item \textbf{Обновление феромона}: после прохода всех муравьёв выполняется испарение $\tau \leftarrow (1-\rho)\tau$ и добавление феромона $q/L$ на рёбра их маршрутов, где $L$ — длина тура.
-        \item \textbf{Визуализация}: для отчёта сгенерированы PNG-файлы. График маршрута рисуется посредством собственного минимального генератора PNG (без сторонних библиотек), который строит линии по методу Брезенхема и сохраняет изображение в папку \texttt{lab6/report/img}.
-    \end{itemize}
 
-    Для загрузки координат использован тот же код, что и в лабораторной работе №3: исходные точки читаются из \texttt{lab3/data.txt}, где в файле содержатся 38 уникальных городов.
+    \subsection{Структуры данных и инициализация}
+    Конфигурация алгоритма и структура результата оформлены через \texttt{dataclass}; в конфиге задаются параметры $\alpha$, $\beta$, $\rho$, $q$, число муравьёв и итераций, а также зерно генератора случайных чисел:
+    \begin{lstlisting}[language=Python]
+@dataclass
+class ACOConfig:
+    cities: Sequence[City]
+    n_ants: int
+    n_iterations: int
+    alpha: float = 1.0
+    beta: float = 5.0
+    rho: float = 0.5
+    q: float = 1.0
+    seed: int | None = None
+    \end{lstlisting}
+
+    При создании \texttt{AntColonyOptimizer} матрица расстояний вычисляется один раз, а феромон инициализируется единицами (с нулями на диагонали), чтобы не допускать самопереходов.
+
+    \subsection{Построение и оценка тура}
+    Каждый муравей стартует в случайном городе и расширяет маршрут, используя вероятностный выбор следующей вершины, где вес ребра определяется как $\tau^\alpha \cdot (1/d)^\beta$:
+    \begin{lstlisting}[language=Python]
+def _choose_next_city(self, current: int, unvisited: set[int]) -> int:
+    candidates = list(unvisited)
+    weights = []
+    for nxt in candidates:
+        tau = self.pheromone[current][nxt] ** self.config.alpha
+        eta = (1.0 / (self.dist_matrix[current][nxt] + 1e-12)) ** self.config.beta
+        weights.append(tau * eta)
+    return random.choices(candidates, weights=weights, k=1)[0]
+    \end{lstlisting}
+
+    Длина тура вычисляется как сумма евклидовых расстояний между последовательными городами, включая возврат в исходную точку.
+
+    \subsection{Обновление феромона}
+    После завершения итерации выполняется испарение и добавление феромона $q/L$ на рёбра маршрутов всех муравьёв. Короткие маршруты оставляют более сильный след и начинают доминировать в вероятностном выборе:
+    \begin{lstlisting}[language=Python]
+for i in range(len(self.pheromone)):
+    for j in range(len(self.pheromone)):
+        self.pheromone[i][j] *= 1 - self.config.rho
+
+for tour, length in zip(tours, lengths):
+    deposit = self.config.q / length
+    for i in range(len(tour)):
+        a, b = tour[i], tour[(i + 1) % len(tour)]
+        self.pheromone[a][b] += deposit
+        self.pheromone[b][a] += deposit
+    \end{lstlisting}
+
+    \subsection{Загрузка данных и визуализация}
+    Координаты городов считываются из \texttt{lab3/data.txt}; в файле содержатся 38 уникальных точек. Для визуализации используется \texttt{matplotlib}, что позволяет сохранить исходную ориентацию системы координат (ось $Y$ направлена вверх) и избежать инверсии рисунка. Функция \texttt{plot\_tour} строит ломаную линию обхода, подсвечивает вершины и сохраняет результат в \texttt{lab6/report/img}. График сходимости \texttt{plot\_history} отображает изменение лучшей длины тура по итерациям с сеткой и подписями осей.
 
     \newpage
     \section{Результаты работы}
@@ -308,7 +349,7 @@
     В ходе шестой лабораторной работы выполнена реализация простого муравьиного алгоритма для задачи коммивояжёра:
 
     \begin{enumerate}
-        \item Разработан модуль \texttt{aco.py} с конфигурацией алгоритма, построением туров, обновлением феромона и собственными средствами визуализации без сторонних библиотек.
+        \item Разработан модуль \texttt{aco.py} с конфигурацией алгоритма, построением туров, обновлением феромона и визуализацией результатов с помощью \texttt{matplotlib}.
         \item Проведён численный эксперимент на данных из варианта 18 (38 городов Джибути); подобраны параметры $\alpha=1{,}2$, $\beta=5$, $\rho=0{,}5$, 50 муравьёв, 400 итераций.
         \item Получено приближённое решение длиной 6662{,}35, что всего на 0{,}05\% хуже известного оптимума 6659 и лучше результата, достигнутого генетическим алгоритмом из лабораторной работы №3.
     \end{enumerate}