SimulatedBinaryCrossover.java
001 /*
002  * Java Genetic Algorithm Library (jenetics-7.1.2).
003  * Copyright (c) 2007-2023 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.Basics.clamp;
026 
027 import io.jenetics.Crossover;
028 import io.jenetics.NumericGene;
029 import io.jenetics.internal.math.Randoms;
030 import io.jenetics.internal.util.Requires;
031 import io.jenetics.util.MSeq;
032 import io.jenetics.util.RandomRegistry;
033 
034 /**
035  * Performs the simulated binary crossover (SBX) on a {@code Chromosome} of
036  {@link NumericGene}s such that each position is either crossed contracted or
037  * expanded with a certain probability. The probability distribution is designed
038  * such that the children will lie closer to their parents as is the case with
039  * the single point binary crossover.
040  <p>
041  * It is implemented as described in Deb, K. and Agrawal, R. B. 1995. Simulated
042  * binary crossover for continuous search space. Complex Systems, 9, pp. 115-148.
043  *
044  @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmail.com">Franz Wilhelmstötter</a>
045  @since 3.5
046  @version 6.0
047  */
048 public class SimulatedBinaryCrossover<
049     extends NumericGene<?, G>,
050     extends Comparable<? super C>
051 >
052     extends Crossover<G, C>
053 {
054     private final double _contiguity;
055 
056     /**
057      * Create a new <i>simulated binary crossover</i> alterer with the given
058      * parameters.
059      *
060      @param probability the recombination probability
061      @param contiguity the contiguity value that specifies how close a child
062      *       should be to its parents (larger value means closer). The value
063      *       must be greater or equal than 0. Typical values are in the range
064      *       [2..5].
065      @throws IllegalArgumentException if the {@code probability} is not in the
066      *          valid range of {@code [0, 1]}
067      @throws IllegalArgumentException if {@code contiguity} is smaller than
068      *         zero
069      */
070     public SimulatedBinaryCrossover(
071         final double probability,
072         final double contiguity
073     ) {
074         super(probability);
075         _contiguity = Requires.nonNegative(contiguity);
076     }
077 
078     /**
079      * Create a new <i>simulated binary crossover</i> alterer with the given
080      * parameters. The <i>contiguity</i> value is set to {@code 2.5}.
081      *
082      @param probability the recombination probability
083      @throws IllegalArgumentException if the {@code probability} is not in the
084      *          valid range of {@code [0, 1]}
085      @throws IllegalArgumentException if {@code contiguity} is smaller than
086      *         zero
087      */
088     public SimulatedBinaryCrossover(final double probability) {
089         this(probability, 2.5);
090     }
091 
092     /**
093      * Return the <i>contiguity</i> value of the crossover.
094      *
095      @return the <i>contiguity</i> value of the crossover
096      */
097     public double contiguity() {
098         return _contiguity;
099     }
100 
101     @Override
102     protected int crossover(final MSeq<G> that, final MSeq<G> other) {
103         return (intRandoms.indexes(RandomRegistry.random(), that.length()0.5)
104             .peek(i -> crossover(that, other, i))
105             .count();
106     }
107 
108     private void crossover(final MSeq<G> that, final MSeq<G> other, final int i) {
109         final var random = RandomRegistry.random();
110 
111         final double u = random.nextDouble();
112         final double beta;
113         if (u < 0.5) {
114             // If u is smaller than 0.5 perform a contracting crossover.
115             beta = pow(2*u, 1.0/(_contiguity + 1));
116         else if (u > 0.5) {
117             // Otherwise, perform an expanding crossover.
118             beta = pow(0.5/(1.0 - u)1.0/(_contiguity + 1));
119         else {
120             beta = 1;
121         }
122 
123         final double v1 = that.get(i).doubleValue();
124         final double v2 = other.get(i).doubleValue();
125         final double v = random.nextBoolean()
126             ((v1 - v2)*0.5- beta*0.5*abs(v1 - v2)
127             ((v1 - v2)*0.5+ beta*0.5*abs(v1 - v2);
128 
129         final double min = that.get(i).min().doubleValue();
130         final double max = that.get(i).max().doubleValue();
131         that.set(i, that.get(i).newInstance(clamp(v, min, max)));
132     }
133 
134     @Override
135     public String toString() {
136         return format(
137             "SimulatedBinaryCrossover[p=%f, c=%f]",
138             _probability, _contiguity
139         );
140     }
141 
142 }