Các mẫu thiết kế hướng ₫ối tượngbai 5 1

Microsoft Word Bai 5 1 docx Trang 1 MÔN CÁC MẪU THIẾT KẾ HỚNG ỐI TỢNG Bài thực hành số 5 1 Xây dựng và kiểm thử thuật gii tiến hóa trên các cá thể n gin I Mục tiêu  Giúp SV làm quen với gii t[.]

MÔN : CÁC MẪU THIẾT KẾ HỚNG ỐI TỢNG Bài thực hành số 5.1 : Xây dựng và kiểm thử thuật gii tiến hóa trên các cá thể

n gin

I Mục tiêu :

 Giúp SV làm quen với gii thuật tiến hóa và công dụng của nó Giúp SV biết cách sử dụng các mẫu thiết kế Singleton, Prototype, Abstract Factory trong từng yêu cầu cụ thể

II Nội dung :

Xây dựng module thực hiện gii thuật tiến hóa trên các cá thể chứa số thực Ý tởng gii thuật tiến hóa nh sau :

1 lúc ầu, ta có 1 thế hệ gồm n cá thể, mỗi cá thể có 1 giá trị ặc trng (specval)

và có ộ thích nghi (fitness) xác ịnh

2 quá trình tiến hóa của mỗi thế hệ diễn ra theo c chế lặp, mỗi chu kỳ tiến hóa

có các hot ộng sau :

- xác ịnh li ộ thich nghi của từng cá thể

- chọn lựa 1 số cá thể có ộ thích nghi cao nhất ể giữ chúng li làm nồng cốt cho thế hệ mới

- cho các cá thể này phối giống ể to ra các cá thể con cho ủ số lợng

- chọn 1 số cá thể và cho chúng ột biến thành các thể khác

III Chuẩn ầu ra :

 Nắm vững tính chất, công dụng của các mẫu thiết kế Singleton, Prototype, Abstract Factory ể có thể dùng li mẫu này trong bất kỳ vị trí nào của chng trình mới cần xây dựng

IV Qui trình xây dựng chng trình

Thế hệ các cá thể ầu tiên

Thế hệ các cá thể kế tiếp

1 xác ịnh li ộ thich nghi của từng

cá thể

2 chọn lựa 1 số cá thể có ộ thích nghi cao nhất ể giữ chúng li làm nồng cốt cho thế hệ mới

3 cho các cá thể này phối giống ể to ra các cá thể con cho ủ số lợng

4 chọn 1 số cá thể và cho chúng ột biến thành các thể khác

1 Chy VS Net, chọn menu File.New.Project ể hiển thị cửa sổ New Project

2 Mở rộng mục Visual C# trong TreeView "Project Types", chọn mục Window, chọn icon "Windows Form Application" trong listbox "Templates" bên phi, thiết lập th mục chứa Project trong listbox "Location", nhập tên Project vào textbox

"Name:" (td BaiTH5), click button OK ể to Project theo các thông số ã khai báo

3 Form ầu tiên của ứng dụng ã hiển thị trong cửa sổ thiết kế, việc thiết kế form

là quá trình lặp 4 thao tác to mới/xóa/hiệu chỉnh thuộc tính/to hàm xử lý sự kiện cho từng ối tợng cần dùng trong form Ta s giới thiệu yêu cầu của ứng dụng sau Bây giờ ta s xây dựng th viện chứa các thành phần miêu t thuật gii tiến hóa tổng quát

4 Dời chuột về gốc cây Project trong cửa sổ "Solution Explorer", ấn phi chuột trên phần tử gốc này, chọn option Add.New Folder, ặt tên cho folder mới là GenLib

5 Thờng bài toán dùng thuật gii tiến hóa cần to thế hệ ầu tiên các cá thể 1 cách ngẫu nhiên Việc to ối tợng ngẫu nhiên thờng liên quan ến việc to

số nguyên, số thực ngẫu nhiên ể việc lấy số ngẫu nhiên của nhiều phần tử trong phần mềm ợc nhất quán, ta s to 1 ối tợng duy nhất chuyên phục

vụ to số ngẫu nhiên ể bo m phần tử to số ngẫu nhiên là duy nhất, ta dùng mẫu thiết kế Singleton Hãy hiện thực ối tợng này có các dịch vụ sau :

 to số nguyên ngẫu nhiên bất kỳ

 to số nguyên ngẫu nhiên nằm trong khong từ 0 tới n

 to số thực ngẫu nhiên nằm trong khong từ 0 tới 1

Dời chuột về th mục GenLib trong cửa sổ “Solution Explorer”, ấn phi chuột vào nó ể hiển thị menu lệnh, chọn chức nng Add.Class ể hiển thị cửa sổ

“Add New Item”, chọn mục “Class”, hiệu chỉnh tên class là MyRandom.cs, chọn button Add ể máy to 1 class mới Viết code cho class này nh sau :

classMyRandom {

//hàm khởi to private ể cấm bên ngoài to ối tợng MyRandom

private MyRandom() { }

//thông tin dùng chung trong class

privatestaticMyRandom myrnd = newMyRandom();

publicstaticMyRandom getInstance() { return myrnd; }

//thông tin trong ối tợng

privateRandom rnd = newRandom();

//tác vụ to số nguyên ngẫu nhiên bất kỳ

publicint RndInt() { return rnd.Next(); }

//tác vụ to số nguyên ngẫu nhiên trong khong từ 0 ến n

publicint RndInt(int n) { return rnd.Next(n); }

//tác vụ to số thực ngẫu nhiên từ 0 tới 1

publicdouble RndDouble() { return rnd.NextDouble(); }

}

Lu ý rằng ta ã dùng mẫu Adapter ể xây dựng class MyRandom dựa trên class Random của NET

6 ịnh nghĩa interface cho ối tợng cá thể của thuật gii tiến hóa tổng quát có các dịch vụ sau :

 tham kho giá trị ặc trng

 tham kho/hiệu chỉnh ộ fitness

 phối giống với cá thể khác

 ột biến mình

 nhân bn vô tính mình

 gii mã mình thành chuỗi vn bn

Dời chuột về th mục GenLib trong cửa sổ “Solution Explorer”, ấn phi chuột vào nó ể hiển thị menu lệnh, chọn chức nng Add.New Item ể hiển thị cửa sổ

“Add New Item”, chọn mục “Interface”, hiệu chỉnh tên interface là IIndividual.cs, chọn button Add ể máy to 1 interface mới Viết code cho interface này nh sau :

interfaceIIndividual : IComparable<IIndividual> {

//thuộc tính luận lý SpecValue : chỉ ọc

Object SpecValue {get;}

//thuộc tính luận lý Fitness : ọc/ghi

double Fitness {get; set;}

//hàm phối giống với other

IIndividual cross(IIndividual other);

//hàm ột biến mình

void muter();

//hàm to ối tợng mới theo c chế nhân bn vô tính (dùng mẫu Prototype)

IIndividual clone();

//hàm gii mã ối tợng thành dng chuỗi vn bn

String ToString();

}

7 Viết thêm class abstract chứa những thông tin chung mà các ối tợng cá thể khác nhau s dùng Dĩ nhiên class này phi hiện thực interface IIndividual : Dời chuột về th mục GenLib trong cửa sổ “Solution Explorer”, ấn phi chuột vào nó ể hiển thị menu lệnh, chọn chức nng Add.Class ể hiển thị cửa sổ

“Add New Item”, chọn mục “Class”, hiệu chỉnh tên class là AbstractIndividual.cs, chọn button Add ể máy to 1 class mới Viết code cho class này nh sau :

abstractclassAbstractIndividual : IIndividual {

protecteddouble fitness = 0.0;

protectedbool muted = false;

public AbstractIndividual()

{

}

//thuộc tính luận lý SpecValue : ọc/ghi

publicabstractObject SpecValue { get; set; }

publicbool Muted

{

get { return muted; }

set { muted = value; }

}

publicdouble Fitness

{

get { return fitness; }

set { fitness = value; }

}

//hàm so sánh với cá thể khác (phục vụ sắp xếp danh sách)

publicint CompareTo(IIndividual o)

{

if (o.Fitness == Fitness)

return 0;

elseif (Fitness < o.Fitness)

return -1;

return 1;

}

//hàm nhân bn mình theo mẫu Prototype

publicabstractIIndividual clone();

//hàm ột biến mình

publicabstractvoid muter();

//hàm phối giống với other

publicabstractIIndividual cross(IIndividual other);

} 

8 Ta cần ối tợng mục tiêu chuyên ánh giá cá thể ể tính ộ thích nghi của các thể ó theo ngữ nghĩa xác ịnh Trớc hết ta ịnh nghĩa interface tối thiểu cho

ối tợng mục tiêu này

Dời chuột về th mục GenLib trong cửa sổ “Solution Explorer”, ấn phi chuột vào nó ể hiển thị menu lệnh, chọn chức nng Add.New Item ể hiển thị cửa sổ

“Add New Item”, chọn mục “Interface”, hiệu chỉnh tên interface là ITarget.cs, chọn button Add ể máy to 1 interface mới Viết code cho interface này nh sau :

interfaceITarget {

//tác vụ tính toán cá thể

double eval(IIndividual ind);

}

9 Bây giờ ta ịnh nghĩa interface cho ối tợng thế hệ với các tính chất sau :

 lúc ầu cha có cá thể nào

 cho phép thêm từng cá thể vào, số lợng các thể là bất kỳ

 cho phép tham kho số lợng cá thể

 tiến hóa sang thế hệ mới theo 2 phng pháp : phối giống và ột biến

Dời chuột về th mục GenLib trong cửa sổ “Solution Explorer”, ấn phi chuột vào nó ể hiển thị menu lệnh, chọn chức nng Add.New Item ể hiển thị cửa sổ

“Add New Item”, chọn mục “Interface”, hiệu chỉnh tên interface là IPopulation.cs, chọn button Add ể máy to 1 interface mới Viết code cho interface này nh sau :

interfaceIPopulation {

//hàm tr về số cá thể

int size();

//hàm thêm cá thể mới vào thế hệ

void add(IIndividual individu);

//thuộc tính truy xuất cá thể thứ i

IIndividualthis[int i] { get; }

//hàm gii mã ối tợng thành chuỗi vn bn

String ToString();

//hàm tiến hóa sang thế hệ mới

IPopulation evoluer(ITarget cible);

}

10 Ta hiện thực ối tợng thế hệ, ối tợng này s chứa thuật gii tiến hóa tổng quát

Dời chuột về th mục GenLib trong cửa sổ “Solution Explorer”, ấn phi chuột vào nó ể hiển thị menu lệnh, chọn chức nng Add.Class ể hiển thị cửa sổ

“Add New Item”, chọn mục “Class”, hiệu chỉnh tên class là Population.cs, chọn button Add ể máy to 1 class mới Viết code cho class này nh sau :

classPopulation : IPopulation {

//qun lý thế hệ các cá thể bằng class List<T> của NET

privateList<IIndividual> individus = newList<IIndividual>();

//dùng ối tợng to số ngẫu nhiên duy nhất trong toàn chng trình

privatestaticMyRandom rnd = MyRandom.getInstance();

//hàm tr về số cá thể

publicint size() {

return individus.Count();

}

//hàm thêm cá thể mới vào thế hệ

publicvoid add(IIndividual individu) {

individus.Add(individu);

}

//thuộc tính truy xuất cá thể thứ i

publicIIndividualthis[int i] {

get { return individus[i]; }

}

//hàm gii mã ối tợng thành chuỗi vn bn

publicoverrideString ToString() {

String buf = "[";

bool fstart = true;

for (int i = 0; i < individus.Count(); i++)

if (fstart) {

fstart = false;

buf += individus[i].ToString();

}

else buf += ", " + individus[i].ToString();

return buf + "]";

}

//hàm tiến hóa sang thế hệ mới

publicIPopulation evoluer(ITarget cible) {

//tính ộ thích nghi các cá thể và sắp xếp chúng

evaluer(cible);

//to thế hệ mới

Population pop = reproduire();

//cho 5% cá thể bị ột biến

pop.muter(0.05);

//tính li ộ thích nghi các cá thể và sắp xếp chúng

//pop.evaluer(cible);

return pop;

}

//hàm tính ộ thích nghi của từng cá thể và sắp xếp các cá thể theo ộ thích nghi của chúng

privatevoid evaluer(ITarget cible) {

//lặp tính ộ thích nghi của từng cá thể

foreach (IIndividual ind in individus)

{

ind.Fitness = cible.eval(ind);

}

//sắp xếp các cá thể theo ộ thích nghi của chúng

Sort();

}

//hàm sắp xếp thự tự các cá thể theo ngữ nghĩa xác ịnh

privatevoid Sort() {

individus.Sort();

individus.Reverse();

}

//hàm ột biến cho cá thể

privatevoid muter(double ratio) {

//to tập hợp cá thể cần ột biến (trừ cá thể ầu tiên có ộ thích nghi tốt nhất) List<IIndividual> subl = individus.GetRange(1, individus.Count - 1);

//xử lý ột biến cho từng cá thể với xác suất ratio

foreach (IIndividual ind in subl) {

if (rnd.RndDouble() < ratio)

ind.muter();

}

}

//hàm to thế hế mới

privatePopulation reproduire() {

//chọn 20% cá thể có ộ thích nghi tốt nhất

int max = individus.Count() / 5;

Population pop = newPopulation();

//cho chúng thành cá thể của thế hệ mới

for (int i = 0; i < max; i++) {

pop.add(individus[i].clone());

}

//lặp phối giống từng cặp cá thể ã có (chọn ngẫu nhiên) ể to thêm 80% cá thể mới for (int i = max; i < size(); i++) {

int mec = rnd.RndInt(max);

int mef = rnd.RndInt(max);

pop.add(individus[mec].cross(individus[mef]));

}

return pop;

}

}

11 Ta dùng mẫu Abstract Factory ể cung cấp dịch vụ to các ối tợng mà chng trình ứng dụng dùng ối tợng Factory có kh nng nh sau :

 to ợc 1 thế hệ cá thể với số lợng xác ịnh

 to ợc ối tợng mục tiêu của bài toán

Dời chuột về th mục GenLib trong cửa sổ “Solution Explorer”, ấn phi chuột vào nó ể hiển thị menu lệnh, chọn chức nng Add.New Item ể hiển thị cửa sổ

“Add New Item”, chọn mục “Interface”, hiệu chỉnh tên interface là IPopulationFactory.cs, chọn button Add ể máy to 1 interface mới Viết code cho interface này nh sau :

interfaceIPopulationFactory {

//hàm to ối tợng mục tiêu

ITarget createTarget() ;

//hàm to thế hệ có size cá thể ngẫu nhiên

IPopulation createRandomPopulation(int size) ;

}

12 Bây giờ ta thử áp dụng thuật gii tiến hóa vào bài toán n gin nh sau : ta lấy 1 số thực mục tiêu ngẫu nhiên, ta to ngẫu nhiên 1 thế hệ xuất phát gồm n

số thực có ngẫu nhiên Thử áp dụng thuật gii tiến hóa tổng quát ợc xây dựng trong th viện GenLib ể xem thế hệ số thực ban ầu có hội tụ về giá trị mục miêu hay không ?

13 Ta ịnh nghĩa class MyDouble ể qun lý số thực MyDouble chính là giá trị ặc trng của cá thể cần tiến hóa

Dời chuột về phần tử gốc của cây Project trong cửa sổ “Solution Explorer”, ấn phi chuột vào nó ể hiển thị menu lệnh, chọn chức nng Add.Class ể hiển thị cửa sổ “Add New Item”, hiệu chỉnh tên class là MyDouble.cs, chọn button Add

ể máy to 1 class mới Viết code cho class này nh sau :

classMyDouble {

privatedouble val;

public MyDouble(double v) { val = v; }

publicdouble Val

{

get { return val; }

set { val = value; }

}

//hàm gii mã ối tợng mục tiêu ra chuỗi vn bn

publicoverrideString ToString()

{

String buf = String.Format("{0:f5}", val);

return buf;

}

}

14 Hiện thực ối tợng cá thể có các tính chất cụ thể nh sau :

 giá trị ặc trng là ối tợng MyDouble qun lý số thực từ 0 tới 1

 ộ fitness là số thực, càng lớn nghĩa là càng thích nghi tốt

 phối giống với cá thể khác ể to cá thể con có giá trị ặc trng bằng trung bình cộng của cha m

 ột biến mình theo nguyên tắc : to 1 các thể mới ngẫu nhiên, ột biến giá trị ặc trng của mình bằng trung bình cộng của cá thể mới với mình

 nhân bn vô tính mình (dùng mẫu Prototype)

 gii mã mình thành chuỗi vn bn miêu t giá trị ặc trng

 Dời chuột về phần tử gốc của cây Project trong cửa sổ “Solution Explorer”,

ấn phi chuột vào nó ể hiển thị menu lệnh, chọn chức nng Add.Class ể hiển thị cửa sổ “Add New Item”, hiệu chỉnh tên class là DoubleIndividual.cs, chọn button Add ể máy to 1 class mới Viết code cho class này nh sau :

//giá trị ặc trng của cá thể

private MyDouble spVal;

//ộ thích nghi của cá thể

private double fitness = 0.0;

//thuộc tính miêu t ã bị ộ biến cha

private bool muted = false ;

//ối tợng to số ngẫu nhiên duy nhất trong toàn chng trình

private static MyRandom rnd = MyRandom.getInstance();

//hàm khởi to cá thể có giá trị ặc trng ngẫu nhiên

public DoubleIndividual() {

this spVal = new MyDouble(rnd.RndDouble());

}

//hàm khởi to cá thể có giá trị ặc trng xác ịnh

public DoubleIndividual(MyDouble valeurPropre) {

this spVal = valeurPropre;

}

//hiện thực thuộc tính luận lý Muted

public bool Muted {

get { return muted; }

set { muted = value ; }

}

//hiện thực thuộc tính luận lý SpecValue

public Object SpecValue {

get { return spVal; }

set { spVal = (MyDouble) value ; }

}

//hiện thực thuộc tính luận lý Fitness

public double Fitness {

get { return fitness; }

set { fitness = value ; }

}

//hàm gii mã ối tợng thành chuỗi vn bn

public override String ToString() {

//return String.Format("vp={0:f4}, fit={1:f4}",valeurPropre, fitness);

return String.Format( "{0:f5}" , spVal);

}

//hàm so sánh với cá thể khác (phục vụ sắp xếp danh sách)

public int CompareTo(IIndividual o) {

if (o.Fitness == Fitness)

return 0;

else if (Fitness < o.Fitness)

return -1;

return 1;

}

//hàm phối giống với cá thể khác

public IIndividual cross(IIndividual other) {

MyDouble o1 = SpecValue as MyDouble; //giá trị ặc trng của mình MyDouble o2 = other.SpecValue as MyDouble;//giá trị ặc trng của ối tác //to cá thể con

if (o1 == null && o2 == null ) return new DoubleIndividual( new MyDouble(0));

if (o1 == null ) return other;

if (o2 == null ) return this ;

return new DoubleIndividual( new MyDouble((o1.Val + o2.Val) / 2));

}

//hàm ột biến cá thể hiện hành

public void muter() {

//ột biến tối a 10% biên ộ giá trị ặc trng

// spVal += (rnd.RndDouble() < 0.5 ? 1 : -1) * rnd.RndDouble() * 0.1 * spVal;

//theo trung bình cộng với giá trị ặc trng ngẫu nhiên

spVal = new MyDouble((spVal.Val + rnd.RndDouble()) / 2);

//theo giá trị ặc trng ngẫu nhiên

// spVal = Math.random();

}

//hàm to ối tợng mới theo c chế nhân bn vô tính (dùng mẫu Prototype)

public IIndividual clone() {

return new DoubleIndividual(spVal);

}

}

15 Hiện thực ối tợng mục tiêu nh sau :

 nó có giá trị ặc trng là MyDouble chứa 1 số thực từ 0 tới 1 giống nh các

cá thể

 tính ộ fitness của cá thể theo công thức 1/((sv1-sv2)^2), trong ố sv1 là giá trị ặc trng của nó và sv2 là giá trị ặc trng của cá thể cần tính toán Dời chuột về phần tử gốc của cây Project trong cửa sổ “Solution Explorer”, ấn phi chuột vào nó ể hiển thị menu lệnh, chọn chức nng Add.Class ể hiển thị cửa sổ “Add New Item”, chọn mục “Class”, hiệu chỉnh tên class là DoubleTarget.cs, chọn button Add ể máy to 1 class mới Viết code cho class này nh sau :

//giá trị mục tiêu mà ta mong muốn t ợc

private double val;

//ối tợng to số ngẫu nhiên duy nhất trong toàn chng trình

private MyRandom rnd = MyRandom.getInstance();

//hàm khởi to ngẫu nhiên giá trị mục tiêu

public DoubleTarget() {

val = rnd.RndDouble();

}

//hàm khởi to giá trị mục tiêu xác ịnh

public DoubleTarget( double d) {

val = d;

}

//hàm tính ộ thích nghi của ối tợng theo ngữ nghĩa mong muốn

//càng gần với mục tiêu càng có ộ thích nghi cao

public double eval(IIndividual i) {

MyDouble o1 = i.SpecValue as MyDouble;

if (o1 == null ) return 0;

return 1 / ((o1.Val - val) * (o1.Val - val));