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AI-For-Beginners
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AI-For-Beginners/translations/it/lessons/6-Other/21-GeneticAlgorithms/Genetic.ipynb

699 lines
30 KiB
Plaintext
Raw Blame History

{
"cells": [
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"collapsed": true
},
"source": [
"# Algoritmi Genetici\n",
"\n",
"Questo notebook fa parte del [Curriculum AI per Principianti](http://github.com/microsoft/ai-for-beginners).\n"
]
},
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"execution_count": 2,
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},
"outputs": [],
"source": [
"import random\n",
"import matplotlib.pyplot as plt\n",
"import numpy as np\n",
"import math\n",
"import time"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"## Un po' di teoria\n",
"\n",
"**Algoritmi Genetici** (GA) si basano su un **approccio evolutivo** all'IA, in cui vengono utilizzati metodi di evoluzione della popolazione per ottenere una soluzione ottimale per un determinato problema. Sono stati proposti nel 1975 da [John Henry Holland](https://en.wikipedia.org/wiki/John_Henry_Holland).\n",
"\n",
"Gli Algoritmi Genetici si basano sulle seguenti idee:\n",
"* Le soluzioni valide al problema possono essere rappresentate come **geni**\n",
"* Il **crossover** ci permette di combinare due soluzioni per ottenere una nuova soluzione valida\n",
"* La **selezione** viene utilizzata per scegliere soluzioni più ottimali usando una **funzione di fitness**\n",
"* Le **mutazioni** vengono introdotte per destabilizzare l'ottimizzazione e uscire dal minimo locale\n",
"\n",
"Se vuoi implementare un Algoritmo Genetico, hai bisogno di quanto segue:\n",
"\n",
" * Trovare un metodo per codificare le soluzioni del problema usando **geni** $g\\in\\Gamma$\n",
" * Sul set di geni $\\Gamma$ è necessario definire una **funzione di fitness** $\\mathrm{fit}: \\Gamma\\to\\mathbb{R}$. Valori più piccoli della funzione corrispondono a soluzioni migliori.\n",
" * Definire un meccanismo di **crossover** per combinare due geni e ottenere una nuova soluzione valida $\\mathrm{crossover}: \\Gamma^2\\to\\Gamma$.\n",
" * Definire un meccanismo di **mutazione** $\\mathrm{mutate}: \\Gamma\\to\\Gamma$.\n",
"In molti casi, il crossover e la mutazione sono algoritmi piuttosto semplici per manipolare i geni come sequenze numeriche o vettori di bit.\n",
"\n",
"L'implementazione specifica di un algoritmo genetico può variare da caso a caso, ma la struttura generale è la seguente:\n",
"\n",
"1. Selezionare una popolazione iniziale $G\\subset\\Gamma$\n",
"2. Selezionare casualmente una delle operazioni che verrà eseguita in questo passaggio: crossover o mutazione \n",
"3. **Crossover**:\n",
" * Selezionare casualmente due geni $g_1, g_2 \\in G$\n",
" * Calcolare il crossover $g=\\mathrm{crossover}(g_1,g_2)$\n",
" * Se $\\mathrm{fit}(g)<\\mathrm{fit}(g_1)$ o $\\mathrm{fit}(g)<\\mathrm{fit}(g_2)$ - sostituire il gene corrispondente nella popolazione con $g$.\n",
"4. **Mutazione** - selezionare un gene casuale $g\\in G$ e sostituirlo con $\\mathrm{mutate}(g)$\n",
"5. Ripetere dal passaggio 2, fino a ottenere un valore sufficientemente piccolo di $\\mathrm{fit}$, o fino al raggiungimento del limite sul numero di passaggi.\n",
"\n",
"Problemi tipicamente risolti dai GA:\n",
"1. Ottimizzazione dei programmi\n",
"1. Impacchettamento ottimale\n",
"1. Taglio ottimale\n",
"1. Accelerazione della ricerca esaustiva\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"## Problema 1: Divisione Equa del Tesoro\n",
"\n",
"**Compito**: \n",
"Due persone hanno trovato un tesoro che contiene diamanti di diverse dimensioni (e, di conseguenza, di diverso valore). Devono dividere il tesoro in due parti in modo tale che la differenza di valore sia pari a 0 (o minima).\n",
"\n",
"**Definizione formale**: \n",
"Abbiamo un insieme di numeri $S$. Dobbiamo dividerlo in due sottoinsiemi $S_1$ e $S_2$, tali che $$\\left|\\sum_{i\\in S_1}i - \\sum_{j\\in S_2}j\\right|\\to\\min$$ e $S_1\\cup S_2=S$, $S_1\\cap S_2=\\emptyset$.\n",
"\n",
"Per prima cosa, definiamo l'insieme $S$:\n"
]
},
{
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"execution_count": 3,
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"trusted": true
},
"outputs": [
{
"name": "stdout",
"output_type": "stream",
"text": [
"[8344 2197 9335 3131 5863 9429 3818 9791 15 5455 1396 9538 4872 6549\n",
" 8587 5986 6021 9764 8102 5083 5739 7684 8498 3007 6599 820 7490 2372\n",
" 9370 5235 3525 3154 859 1906 8159 3950 2173 2988 2050 349 8713 2284\n",
" 4177 6033 1651 9176 5049 8201 171 5081 1216 3756 4711 2757 7738 1272\n",
" 5650 6584 5395 9004 7797 969 8104 1283 1392 4001 5768 445 274 256\n",
" 8239 8015 4381 9021 1189 8879 1411 3539 6526 8011 136 7230 2332 451\n",
" 5702 2989 4320 2446 9578 8486 4027 2410 9588 8981 2177 1493 3232 9151\n",
" 4835 5594 6859 8394 369 3200 126 4259 2283 7755 2014 2458 8327 8082\n",
" 7413 7622 1206 5533 8751 3495 5868 8472 6850 3958 3149 4672 4810 6274\n",
" 4700 6134 4627 4616 6656 9949 884 2256 7419 1926 7973 5319 5967 9158\n",
" 3823 7697 9466 5675 5412 9784 5426 8209 3421 1136 6047 4429 8001 4417\n",
" 1381 722 7350 6018 6235 7860 5853 7660 5937 6242 1 9552 3971 8302\n",
" 2633 9227 7283 154 8599 4269 9392 8539 1630 368 2409 9351 3838 9814\n",
" 6186 5743 5083 1325 1610 779 3643 3262 5768 8725 961 4611 6310 4788\n",
" 1648 5951 8118 7779]\n"
]
}
],
"source": [
"N = 200\n",
"S = np.array([random.randint(1,10000) for _ in range(N)])\n",
"print(S)"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Traduciamo ogni possibile soluzione del problema con un vettore binario $B\\in\\{0,1\\}^N$, dove il numero nella posizione $i$ indica a quale dei set ($S_1$ o $S_2$) appartiene il numero $i$-esimo nel set originale $S$. La funzione `generate` genererà quei vettori binari casuali.\n"
]
},
{
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"execution_count": 5,
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"trusted": true
},
"outputs": [
{
"name": "stdout",
"output_type": "stream",
"text": [
"[1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1\n",
" 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0\n",
" 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1\n",
" 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1\n",
" 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0\n",
" 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0]\n"
]
}
],
"source": [
"def generate(S):\n",
" return np.array([random.randint(0,1) for _ in S])\n",
"\n",
"b = generate(S)\n",
"print(b)"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Definiamo ora la funzione `fit` che calcola il \"costo\" della soluzione. Sarà la differenza tra la somma di due insiemi, $S_1$ e $S_2$:\n"
]
},
{
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"execution_count": 6,
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},
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{
"data": {
"text/plain": [
"133784"
]
},
"execution_count": 6,
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"output_type": "execute_result"
}
],
"source": [
"def fit(B,S=S):\n",
" c1 = (B*S).sum()\n",
" c2 = ((1-B)*S).sum()\n",
" return abs(c1-c2)\n",
"\n",
"fit(b)"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Ora dobbiamo definire le funzioni per mutazione e crossover:\n",
"* Per la mutazione, selezioneremo un bit casuale e lo negheremo (cambiandolo da 0 a 1 e viceversa).\n",
"* Per il crossover, prenderemo alcuni bit da un vettore e alcuni bit da un altro. Utilizzeremo la stessa funzione `generate` per selezionare casualmente quali bit prendere da ciascuna delle maschere di input.\n"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 7,
"metadata": {
"trusted": true
},
"outputs": [],
"source": [
"def mutate(b):\n",
" x = b.copy()\n",
" i = random.randint(0,len(b)-1)\n",
" x[i] = 1-x[i]\n",
" return x\n",
"\n",
"def xover(b1,b2):\n",
" x = generate(b1)\n",
" return b1*x+b2*(1-x)"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Creiamo la popolazione iniziale delle soluzioni $P$ della dimensione `pop_size`:\n"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 8,
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"trusted": true
},
"outputs": [],
"source": [
"pop_size = 30\n",
"P = [generate(S) for _ in range(pop_size)]"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Ora, la funzione principale per eseguire l'evoluzione. `n` è il numero di passi di evoluzione da effettuare. Ad ogni passo:\n",
"* Con una probabilità del 30% eseguiamo una mutazione e sostituiamo l'elemento con la peggiore funzione `fit` con l'elemento mutato\n",
"* Con una probabilità del 70% eseguiamo un crossover\n",
"\n",
"La funzione restituisce la migliore soluzione (gene corrispondente alla migliore soluzione) e la storia della funzione `fit` minima nella popolazione a ogni iterazione.\n"
]
},
{
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"execution_count": 9,
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},
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{
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"output_type": "stream",
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"[0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0\n",
" 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0\n",
" 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1\n",
" 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0\n",
" 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1\n",
" 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1] 4\n"
]
}
],
"source": [
"def evolve(P,S=S,n=2000):\n",
" res = []\n",
" for _ in range(n):\n",
" f = min([fit(b) for b in P])\n",
" res.append(f)\n",
" if f==0:\n",
" break\n",
" if random.randint(1,10)<3:\n",
" i = random.randint(0,len(P)-1)\n",
" b = mutate(P[i])\n",
" i = np.argmax([fit(z) for z in P])\n",
" P[i] = b\n",
" else:\n",
" i = random.randint(0,len(P)-1)\n",
" j = random.randint(0,len(P)-1)\n",
" b = xover(P[i],P[j])\n",
" if fit(b)<fit(P[i]):\n",
" P[i]=b\n",
" elif fit(b)<fit(P[j]):\n",
" P[j]=b\n",
" else:\n",
" pass\n",
" i = np.argmin([fit(b) for b in P])\n",
" return (P[i],res)\n",
"\n",
"(s,hist) = evolve(P)\n",
"print(s,fit(s))"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": []
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 10,
"metadata": {
"trusted": true
},
"outputs": [
{
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"image/png": "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"text/plain": [
"<Figure size 432x288 with 1 Axes>"
]
},
"metadata": {
"needs_background": "light"
},
"output_type": "display_data"
}
],
"source": [
"plt.plot(hist)\n",
"plt.show()"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"## Problema 2: Problema delle N Regine\n",
"\n",
"**Compito**: \n",
"Devi posizionare $N$ regine su una scacchiera di dimensioni $N\\times N$ in modo tale che non si attacchino tra loro.\n",
"\n",
"Per prima cosa, risolviamo il problema senza algoritmi genetici, utilizzando una ricerca completa. Possiamo rappresentare lo stato della scacchiera con la lista $L$, dove il numero in posizione $i$ nella lista rappresenta la posizione orizzontale della regina nella riga $i$. È abbastanza ovvio che ogni soluzione avrà una sola regina per riga, e ogni riga avrà una regina.\n",
"\n",
"Il nostro obiettivo sarà trovare la prima soluzione al problema, dopodiché interromperemo la ricerca. Puoi facilmente estendere questa funzione per generare tutte le posizioni possibili delle regine.\n"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 11,
"metadata": {
"trusted": true
},
"outputs": [
{
"name": "stdout",
"output_type": "stream",
"text": [
"[1, 5, 8, 6, 3, 7, 2, 4]\n"
]
},
{
"data": {
"text/plain": [
"True"
]
},
"execution_count": 11,
"metadata": {},
"output_type": "execute_result"
}
],
"source": [
"N = 8\n",
"\n",
"def checkbeats(i_new,j_new,l):\n",
" for i,j in enumerate(l,start=1):\n",
" if j==j_new:\n",
" return False\n",
" else:\n",
" if abs(j-j_new) == i_new-i:\n",
" return False\n",
" return True\n",
"\n",
"def nqueens(l,N=8,disp=True):\n",
" if len(l)==N:\n",
" if disp: print(l)\n",
" return True\n",
" else:\n",
" for j in range(1,N+1):\n",
" if checkbeats(len(l)+1,j,l):\n",
" l.append(j)\n",
" if nqueens(l,N,disp): return True\n",
" else: l.pop()\n",
" return False\n",
" \n",
"nqueens([],8)\n"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Ora misuriamo quanto tempo ci vuole per ottenere una soluzione al problema delle 20 regine:\n"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 12,
"metadata": {
"trusted": true
},
"outputs": [
{
"name": "stdout",
"output_type": "stream",
"text": [
"10.6 s ± 2.17 s per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)\n"
]
}
],
"source": [
"%timeit nqueens([],20,False)"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Ora risolviamo lo stesso problema utilizzando un algoritmo genetico. Questa soluzione è ispirata a [questo post sul blog](https://kushalvyas.github.io/gen_8Q.html).\n",
"\n",
"Rappresenteremo ogni soluzione con la stessa lista di lunghezza $N$, e come funzione `fit` considereremo il numero di regine che si attaccano a vicenda:\n"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 13,
"metadata": {
"trusted": true
},
"outputs": [],
"source": [
"def fit(L):\n",
" x=0\n",
" for i1,j1 in enumerate(L,1):\n",
" for i2,j2 in enumerate(L,1):\n",
" if i2>i1:\n",
" if j2==j1 or (abs(j2-j1)==i2-i1): x+=1\n",
" return x"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": []
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 14,
"metadata": {
"trusted": true
},
"outputs": [
{
"data": {
"text/plain": [
"[(array([2, 3, 8, 7, 5, 4, 1, 6]), 4),\n",
" (array([3, 4, 5, 1, 2, 8, 6, 7]), 8),\n",
" (array([1, 3, 7, 4, 5, 8, 6, 2]), 6),\n",
" (array([1, 5, 4, 6, 8, 3, 7, 2]), 4),\n",
" (array([3, 5, 7, 1, 8, 6, 4, 2]), 3)]"
]
},
"execution_count": 14,
"metadata": {},
"output_type": "execute_result"
}
],
"source": [
"def generate_one(N):\n",
" x = np.arange(1,N+1)\n",
" np.random.shuffle(x)\n",
" return (x,fit(x))\n",
"\n",
"def generate(N,NP):\n",
" return [generate_one(N) for _ in range(NP)]\n",
"\n",
"generate(8,5)"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": []
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 15,
"metadata": {
"trusted": true
},
"outputs": [
{
"data": {
"text/plain": [
"array([1, 2, 7, 8])"
]
},
"execution_count": 15,
"metadata": {},
"output_type": "execute_result"
}
],
"source": [
"def mutate(G):\n",
" x=random.randint(0,len(G)-1)\n",
" G[x]=random.randint(1,len(G))\n",
" return G\n",
" \n",
"def xover(G1,G2):\n",
" x=random.randint(0,len(G1))\n",
" return np.concatenate((G1[:x],G2[x:]))\n",
"\n",
"xover([1,2,3,4],[5,6,7,8])"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": []
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 17,
"metadata": {
"trusted": true
},
"outputs": [],
"source": [
"def choose_rand(P):\n",
" N=len(P[0][0])\n",
" mf = N*(N-1)//2 # max fitness fn\n",
" z = [mf-x[1] for x in P]\n",
" tf = sum(z) # total fitness\n",
" w = [x/tf for x in z]\n",
" p = np.random.choice(len(P),2,False,p=w)\n",
" return p[0],p[1]\n",
"\n",
"def choose(P):\n",
" def ch(w):\n",
" p=[]\n",
" while p==[]:\n",
" r = random.random()\n",
" p = [i for i,x in enumerate(P) if x[1]>=r]\n",
" return random.choice(p)\n",
" N=len(P[0][0])\n",
" mf = N*(N-1)//2 # max fitness fn\n",
" z = [mf-x[1] for x in P]\n",
" tf = sum(z) # total fitness\n",
" w = [x/tf for x in z]\n",
" p1=p2=0\n",
" while p1==p2:\n",
" p1 = ch(w)\n",
" p2 = ch(w)\n",
" return p1,p2"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"Ora definiamo il ciclo evolutivo principale. Renderemo la logica leggermente diversa rispetto all'esempio precedente, per dimostrare che si può essere creativi. Continueremo a iterare fino a ottenere la soluzione perfetta (funzione di fitness=0) e, a ogni passo, prenderemo la generazione attuale e produrremo una nuova generazione della stessa dimensione. Questo viene fatto utilizzando la funzione `nxgeneration`, seguendo i passaggi seguenti:\n",
"\n",
"1. Scartare le soluzioni meno adatte - c'è una funzione `discard_unfit` che si occupa di questo\n",
"1. Aggiungere alcune soluzioni casuali alla generazione\n",
"1. Popolare una nuova generazione di dimensione `gen_size` seguendo questi passaggi per ogni nuovo gene:\n",
" - selezionare due geni casuali, con una probabilità proporzionale alla funzione di fitness\n",
" - calcolare un crossover\n",
" - applicare una mutazione con la probabilità `mutation_prob`\n"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 20,
"metadata": {
"trusted": true
},
"outputs": [
{
"data": {
"text/plain": [
"(array([4, 7, 5, 3, 1, 6, 8, 2]), 0)"
]
},
"execution_count": 20,
"metadata": {},
"output_type": "execute_result"
}
],
"source": [
"mutation_prob = 0.1\n",
"\n",
"def discard_unfit(P):\n",
" P.sort(key=lambda x:x[1])\n",
" return P[:len(P)//3]\n",
"\n",
"def nxgeneration(P):\n",
" gen_size=len(P)\n",
" P = discard_unfit(P)\n",
" P.extend(generate(len(P[0][0]),3))\n",
" new_gen = []\n",
" for _ in range(gen_size):\n",
" p1,p2 = choose_rand(P)\n",
" n = xover(P[p1][0],P[p2][0])\n",
" if random.random()<mutation_prob:\n",
" n=mutate(n)\n",
" nf = fit(n)\n",
" new_gen.append((n,nf))\n",
" '''\n",
" if (nf<=P[p1][1]) or (nf<=P[p2][1]):\n",
" new_gen.append((n,nf))\n",
" elif (P[p1][1]<P[p2][1]):\n",
" new_gen.append(P[p1])\n",
" else:\n",
" new_gen.append(P[p2])\n",
" '''\n",
" return new_gen\n",
" \n",
"def genetic(N,pop_size=100):\n",
" P = generate(N,pop_size)\n",
" mf = min([x[1] for x in P])\n",
" n=0\n",
" while mf>0:\n",
" #print(\"Generation {0}, fit={1}\".format(n,mf))\n",
" n+=1\n",
" mf = min([x[1] for x in P])\n",
" P = nxgeneration(P)\n",
" mi = np.argmin([x[1] for x in P])\n",
" return P[mi]\n",
"\n",
"genetic(8)"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": []
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 19,
"metadata": {
"trusted": true
},
"outputs": [
{
"name": "stdout",
"output_type": "stream",
"text": [
"The slowest run took 18.71 times longer than the fastest. This could mean that an intermediate result is being cached.\n",
"26.4 s ± 28.7 s per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)\n"
]
}
],
"source": [
"%timeit genetic(10)"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {},
"source": [
"\n---\n\n**Disclaimer**: \nQuesto documento è stato tradotto utilizzando il servizio di traduzione automatica [Co-op Translator](https://github.com/Azure/co-op-translator). Sebbene ci impegniamo per garantire l'accuratezza, si prega di notare che le traduzioni automatiche possono contenere errori o imprecisioni. Il documento originale nella sua lingua nativa dovrebbe essere considerato la fonte autorevole. Per informazioni critiche, si raccomanda una traduzione professionale effettuata da un traduttore umano. Non siamo responsabili per eventuali incomprensioni o interpretazioni errate derivanti dall'uso di questa traduzione.\n"
]
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