Хромосомы для лаб4

lab4/gp/chromosome.py

@@ -0,0 +1,138 @@
+import random
+from typing import Literal, Sequence
+
+from .operation import Operation
+from .terminal import Terminal
+
+type InitMethod = Literal["full", "grow"]
+
+
+class Chromosome:
+    def __init__(
+        self,
+        operations: Sequence[Operation],
+        terminals: Sequence[Terminal],
+        max_depth: int,
+        init_method: InitMethod,
+        terminal_probability: float = 0.5,
+    ):
+        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)
+
+    def _compute_depth(self, node: "Chromosome.Node") -> 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)
+
+    def eval(self, values: list[float]) -> float:
+        """Вычисляет значение хромосомы для заданных значений терминалов."""
+        for terminal, value in zip(self.terminals, values):
+            terminal._value = value
+
+        return self.root._eval()
+
+    def __str__(self) -> str:
+        """Строковое представление хромосомы в виде формулы в инфиксной форме."""
+        return str(self.root)
+
+    def _tree_lines(
+        self, node: "Chromosome.Node", prefix: str = "", is_last: bool = True
+    ) -> list[str]:
+        connector = "└── " if is_last else "├── "
+        lines = [prefix + connector + node.value.name]
+        child_prefix = prefix + ("    " if is_last else "│   ")
+        for i, child in enumerate(node.children):
+            last = i == len(node.children) - 1
+            lines.extend(self._tree_lines(child, child_prefix, last))
+        return lines
+
+    def str_tree(self) -> str:
+        """Строковое представление древовидной структуры формулы."""
+        lines = [self.root.value.name]
+        for i, child in enumerate(self.root.children):
+            last = i == len(self.root.children) - 1
+            lines.extend(self._tree_lines(child, "", last))
+        return "\n".join(lines)
+
+    class Node:
+        def __init__(
+            self, value: Operation | Terminal, children: list["Chromosome.Node"]
+        ):
+            self.value = value
+            self.children = children
+
+        def __str__(self) -> str:
+            """Рекурсивный перевод древовидного вида формулы в строку в инфиксной форме."""
+            if isinstance(self.value, Terminal):
+                return self.value.name
+
+            if self.value.arity == 2:
+                return f"({self.children[0]} {self.value.name} {self.children[1]})"
+
+            return (
+                f"{self.value.name}({', '.join(str(child) for child in self.children)})"
+            )
+
+        def _eval(self) -> float:
+            """Рекурсивно вычисляет значение поддерева. Значения терминалов должны быть
+            заданы предварительно."""
+            if isinstance(self.value, Terminal):
+                return self.value._value  # type: ignore
+
+            return self.value._eval([child._eval() for child in self.children])