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Python數(shù)學(xué)建模學(xué)習(xí)模擬退火算法整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題示例解析

 更新時(shí)間:2021年10月18日 14:22:06   作者:youcans  
整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題在工業(yè)、經(jīng)濟(jì)、國(guó)防、醫(yī)療等各行各業(yè)應(yīng)用十分廣泛,是指規(guī)劃中的變量(全部或部分)限制為整數(shù),屬于離散優(yōu)化問(wèn)題Discrete Optimization

1、整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題

線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題的最優(yōu)解可能是分?jǐn)?shù)或小數(shù)。但很多實(shí)際問(wèn)題常常要求某些變量必須是整數(shù)解,例如:機(jī)器的臺(tái)數(shù)、工作的人數(shù)或裝貨的車(chē)數(shù)。根據(jù)對(duì)決策變量的不同要求,整數(shù)規(guī)劃又可以分為:純整數(shù)規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃、0-1整數(shù)規(guī)劃、混合0-1規(guī)劃。
整數(shù)規(guī)劃與線(xiàn)性規(guī)劃的差別只在于增加了整數(shù)約束。初看起來(lái)似乎只要把線(xiàn)性規(guī)劃得到的非整數(shù)解舍入化整就可以得到整數(shù)解,但是這樣化整后的整數(shù)解不一定是最優(yōu)解,甚至可能不是可行解。因此,通常需要采用特殊的方法來(lái)求解整數(shù)規(guī)劃,這比求解線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題復(fù)雜的多,以至于至今還沒(méi)有一般的多項(xiàng)式解法。因此,整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題被看作數(shù)學(xué)規(guī)劃中、甚至是數(shù)學(xué)中最困難的問(wèn)題之一。
求解整數(shù)規(guī)劃比較成功又流行的方法是分支定界法和割平面法。核心思想是把整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題分解為一系列線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題,并追蹤整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題的上界(最優(yōu)可行解)和下界(最優(yōu)線(xiàn)性松弛解),逐步迭代收斂到最優(yōu)解。由于精確算法為指數(shù)復(fù)雜度,因此在有限時(shí)間內(nèi)也不能獲得全局最優(yōu)解,只能獲得近似最優(yōu)解。YouCans
目前整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題的優(yōu)化求解器主要有:IBM Cplex,Gurobi,F(xiàn)ICO Xpress,SCIP,2018年中科院發(fā)布了CMIP混合整數(shù)規(guī)劃求解器。使用 Lingo 可以求解整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題,使用 Matlab 也可以用intlinprog 函數(shù)求解整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題,實(shí)際上都是使用軟件中內(nèi)建的求解器。Python 也可以使用第三方庫(kù)求解整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題,例如 Cvxpy、PuLp 都可以求解整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題,Cplex、Gurobi也有自己的python API。

2、模擬退火算法處理整數(shù)約束

由于整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題在有限時(shí)間內(nèi)不能獲得全局最優(yōu)解,啟發(fā)式算法就有了用武之地。下面我們討論模擬退火算法處理整數(shù)約束,求解整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。
上一篇文章中我們討論模擬退火算法處理線(xiàn)性規(guī)劃的約束條件時(shí),方法比其它常用算法復(fù)雜的多。但是,模擬退火算法在處理整數(shù)約束時(shí),方法卻極其簡(jiǎn)單:
對(duì)于決策變量為連續(xù)變量的一般優(yōu)化問(wèn)題,基本的模擬退火算法在決策變量的取值范圍隨機(jī)產(chǎn)生初始解,新解則是在現(xiàn)有解的鄰域施加擾動(dòng)產(chǎn)生,算法上通過(guò)均勻分布或正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn):

xInitial = random.uniform(xMin, xMax)
# random.uniform(min,max) 在 [min,max] 范圍內(nèi)隨機(jī)生成一個(gè)實(shí)數(shù)

xNew = xNow + scale * (xMax-xMin) * random.normalvariate(0, 1)
# random.normalvariate(0, 1):產(chǎn)生服從均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為 1 的正態(tài)分布隨機(jī)實(shí)數(shù)
xNew = max(min(xNew, xMax), xMin) # 保證新解在 [min,max] 范圍內(nèi)

對(duì)于整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題,只要將產(chǎn)生初值/新解的隨機(jī)實(shí)數(shù)發(fā)生器 random.uniform、random.normalvariate 改為隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器 random.randint即可:

xInitial = random.randint(xMin, xMax)
# random.randint(xMin, xMax) 產(chǎn)生 [min,max]之間的隨機(jī)整數(shù)

由于模擬退火算法與問(wèn)題無(wú)關(guān)(Problem-independent),所以通常來(lái)說(shuō)這樣處理并不會(huì)影響算法的性能:既不會(huì)引起不可行解,也不用擔(dān)心得不到最優(yōu)解——近似算法只能得到近似最優(yōu)解的,而且可以得到近似最優(yōu)解。
既然如此,更簡(jiǎn)單的處理方法,連隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器都不需要,直接把線(xiàn)性規(guī)劃得到的非整數(shù)解舍入化整就可以了:

xNew = round(xNow + scale * (xMax-xMin) * random.normalvariate(0, 1))
# random.normalvariate(0, 1):產(chǎn)生服從均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為 1 的正態(tài)分布隨機(jī)實(shí)數(shù)
xNew = max(min(xNew, xMax), xMin) # 保證新解在 [min,max] 范圍內(nèi)

這樣處理的好處是:(1)簡(jiǎn)單、直接,(2)便于實(shí)現(xiàn)所需的概率分布。

3、數(shù)模案例

為了便于理解,本文仍使用之前的案例。

3.1 問(wèn)題描述:

某廠(chǎng)生產(chǎn)甲乙兩種飲料,每百箱甲飲料需用原料6千克、工人10名,獲利10萬(wàn)元;每百箱乙飲料需用原料5千克、工人20名,獲利9萬(wàn)元。
今工廠(chǎng)共有原料60千克、工人150名,又由于其他條件所限甲飲料產(chǎn)量不超過(guò)8百箱。
 ?。?)若不允許散箱(按整百箱生產(chǎn)),如何安排生產(chǎn)計(jì)劃,即兩種飲料各生產(chǎn)多少使獲利最大?

3.2 問(wèn)題分析:

問(wèn)題(5)要求按整百箱生產(chǎn),即要求決策變量為整數(shù),是整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。
對(duì)于模擬退火算法,基本算法中的初值/新解都是隨機(jī)生成的浮點(diǎn)實(shí)數(shù)(均勻分布或正態(tài)分布)。對(duì)于整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題,只要將產(chǎn)生初值/新解的隨機(jī)實(shí)數(shù)發(fā)生器改為隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器即可,或者把線(xiàn)性規(guī)劃得到的非整數(shù)解舍入化整。

3.3 問(wèn)題建模:

決策變量:
    x1:甲飲料產(chǎn)量,正整數(shù)(單位:百箱)
    x2:乙飲料產(chǎn)量,正整數(shù)(單位:百箱)
  目標(biāo)函數(shù):
    max fx = 10*x1 + 9*x2
  約束條件:
    6*x1 + 5*x2 <= 60
    10*x1 + 20*x2 <= 150
  取值范圍:
    給定條件:x1, x2 >= 0,x1 <= 8
    推導(dǎo)條件:由 x1,x2>=0 和 10*x1+20*x2<=150 可知:0<=x1<=15;0<=x2<=7.5
    因此,0 <= x1<=8,0 <= x2<=7.5

3.4 懲罰函數(shù)法求解約束優(yōu)化問(wèn)題:

構(gòu)造懲罰函數(shù):
    p1 = (max(0, 6*x1+5*x2-60))**2
    p2 = (max(0, 10*x1+20*x2-150))**2
  說(shuō)明:如存在等式約束,例如:x1 + 2*x2 = m,也可以轉(zhuǎn)化為懲罰函數(shù):
    p3 = (x1+2*x2-m)**2
    P(x) = p1 + p2 + …
  構(gòu)造增廣目標(biāo)函數(shù):
    L(x,m(k)) = min(fx) + m(k)*P(x)
    m(k):懲罰因子,隨迭代次數(shù) k 逐漸增大

在模擬退火算法中,m(k) 隨外循環(huán)迭代次數(shù)逐漸增大,但在內(nèi)循環(huán)中應(yīng)保持不變。

4、模擬退火算法 Python 程序:求解整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題

# 模擬退火算法 程序:求解線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題(整數(shù)規(guī)劃)
# Program: SimulatedAnnealing_v4.py
# Purpose: Simulated annealing algorithm for function optimization
# v4.0: 整數(shù)規(guī)劃:滿(mǎn)足決策變量的取值為整數(shù)(初值和新解都是隨機(jī)生成的整數(shù))
# Copyright 2021 YouCans, XUPT
# Crated:2021-05-01
# = 關(guān)注 Youcans,分享原創(chuàng)系列 https://blog.csdn.net/youcans =
#  -*- coding: utf-8 -*-
import math                         # 導(dǎo)入模塊
import random                       # 導(dǎo)入模塊
import pandas as pd                 # 導(dǎo)入模塊 YouCans, XUPT
import numpy as np                  # 導(dǎo)入模塊 numpy,并簡(jiǎn)寫(xiě)成 np
import matplotlib.pyplot as plt     
from datetime import datetime

# 子程序:定義優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)
def cal_Energy(X, nVar, mk): 	# m(k):懲罰因子,隨迭代次數(shù) k 逐漸增大
    p1 = (max(0, 6*X[0]+5*X[1]-60))**2
    p2 = (max(0, 10*X[0]+20*X[1]-150))**2
    fx = -(10*X[0]+9*X[1])
    return fx+mk*(p1+p2)

# 子程序:模擬退火算法的參數(shù)設(shè)置
def ParameterSetting():
    cName = "funcOpt"           # 定義問(wèn)題名稱(chēng) YouCans, XUPT
    nVar = 2                    # 給定自變量數(shù)量,y=f(x1,..xn)
    xMin = [0, 0]               # 給定搜索空間的下限,x1_min,..xn_min
    xMax = [8, 8]               # 給定搜索空間的上限,x1_max,..xn_max
    tInitial = 100.0            # 設(shè)定初始退火溫度(initial temperature)
    tFinal  = 1                 # 設(shè)定終止退火溫度(stop temperature)
    alfa    = 0.98              # 設(shè)定降溫參數(shù),T(k)=alfa*T(k-1)
    meanMarkov = 100            # Markov鏈長(zhǎng)度,也即內(nèi)循環(huán)運(yùn)行次數(shù)
    scale   = 0.5               # 定義搜索步長(zhǎng),可以設(shè)為固定值或逐漸縮小
    return cName, nVar, xMin, xMax, tInitial, tFinal, alfa, meanMarkov, scale

# 模擬退火算法
def OptimizationSSA(nVar,xMin,xMax,tInitial,tFinal,alfa,meanMarkov,scale):
    # ====== 初始化隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 ======
    randseed = random.randint(1, 100)
    random.seed(randseed)  # 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器設(shè)置種子,也可以設(shè)為指定整數(shù)
    # ====== 隨機(jī)產(chǎn)生優(yōu)化問(wèn)題的初始解 ======
    xInitial = np.zeros((nVar))   # 初始化,創(chuàng)建數(shù)組
    for v in range(nVar):
        # xInitial[v] = random.uniform(xMin[v], xMax[v]) # 產(chǎn)生 [xMin, xMax] 范圍的隨機(jī)實(shí)數(shù)
        xInitial[v] = random.randint(xMin[v], xMax[v]) # 產(chǎn)生 [xMin, xMax] 范圍的隨機(jī)整數(shù)
    # 調(diào)用子函數(shù) cal_Energy 計(jì)算當(dāng)前解的目標(biāo)函數(shù)值
    fxInitial = cal_Energy(xInitial, nVar, 1) # m(k):懲罰因子,初值為 1
    # ====== 模擬退火算法初始化 ======
    xNew = np.zeros((nVar))         # 初始化,創(chuàng)建數(shù)組
    xNow = np.zeros((nVar))         # 初始化,創(chuàng)建數(shù)組
    xBest = np.zeros((nVar))        # 初始化,創(chuàng)建數(shù)組
    xNow[:]  = xInitial[:]          # 初始化當(dāng)前解,將初始解置為當(dāng)前解
    xBest[:] = xInitial[:]          # 初始化最優(yōu)解,將當(dāng)前解置為最優(yōu)解
    fxNow  = fxInitial              # 將初始解的目標(biāo)函數(shù)置為當(dāng)前值
    fxBest = fxInitial              # 將當(dāng)前解的目標(biāo)函數(shù)置為最優(yōu)值
    print('x_Initial:{:.6f},{:.6f},\tf(x_Initial):{:.6f}'.format(xInitial[0], xInitial[1], fxInitial))
    recordIter = []                 # 初始化,外循環(huán)次數(shù)
    recordFxNow = []                # 初始化,當(dāng)前解的目標(biāo)函數(shù)值
    recordFxBest = []               # 初始化,最佳解的目標(biāo)函數(shù)值
    recordPBad = []                 # 初始化,劣質(zhì)解的接受概率
    kIter = 0                       # 外循環(huán)迭代次數(shù),溫度狀態(tài)數(shù)
    totalMar = 0                    # 總計(jì) Markov 鏈長(zhǎng)度
    totalImprove = 0                # fxBest 改善次數(shù)
    nMarkov = meanMarkov            # 固定長(zhǎng)度 Markov鏈
    # ====== 開(kāi)始模擬退火優(yōu)化 ======
    # 外循環(huán),直到當(dāng)前溫度達(dá)到終止溫度時(shí)結(jié)束
    tNow = tInitial                 # 初始化當(dāng)前溫度(current temperature)
    while tNow >= tFinal:           # 外循環(huán),直到當(dāng)前溫度達(dá)到終止溫度時(shí)結(jié)束
        # 在當(dāng)前溫度下,進(jìn)行充分次數(shù)(nMarkov)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移以達(dá)到熱平衡
        kBetter = 0                 # 獲得優(yōu)質(zhì)解的次數(shù)
        kBadAccept = 0              # 接受劣質(zhì)解的次數(shù)
        kBadRefuse = 0              # 拒絕劣質(zhì)解的次數(shù)
        # ---內(nèi)循環(huán),循環(huán)次數(shù)為Markov鏈長(zhǎng)度
        for k in range(nMarkov):    # 內(nèi)循環(huán),循環(huán)次數(shù)為Markov鏈長(zhǎng)度
            totalMar += 1           # 總 Markov鏈長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器
            # ---產(chǎn)生新解
            # 產(chǎn)生新解:通過(guò)在當(dāng)前解附近隨機(jī)擾動(dòng)而產(chǎn)生新解,新解必須在 [min,max] 范圍內(nèi)
            # 方案 1:只對(duì) n元變量中的一個(gè)進(jìn)行擾動(dòng),其它 n-1個(gè)變量保持不變
            xNew[:] = xNow[:]
            v = random.randint(0, nVar-1)   # 產(chǎn)生 [0,nVar-1]之間的隨機(jī)數(shù)
            xNew[v] = round(xNow[v] + scale * (xMax[v]-xMin[v]) * random.normalvariate(0, 1))
            # 滿(mǎn)足決策變量為整數(shù),采用最簡(jiǎn)單的方案:產(chǎn)生的新解按照四舍五入取整
            xNew[v] = max(min(xNew[v], xMax[v]), xMin[v])  # 保證新解在 [min,max] 范圍內(nèi)
            # ---計(jì)算目標(biāo)函數(shù)和能量差
            # 調(diào)用子函數(shù) cal_Energy 計(jì)算新解的目標(biāo)函數(shù)值
            fxNew = cal_Energy(xNew, nVar, kIter)
            deltaE = fxNew - fxNow
            # ---按 Metropolis 準(zhǔn)則接受新解
            # 接受判別:按照 Metropolis 準(zhǔn)則決定是否接受新解
            if fxNew < fxNow:  # 更優(yōu)解:如果新解的目標(biāo)函數(shù)好于當(dāng)前解,則接受新解
                accept = True
                kBetter += 1
            else:  # 容忍解:如果新解的目標(biāo)函數(shù)比當(dāng)前解差,則以一定概率接受新解
                pAccept = math.exp(-deltaE / tNow)  # 計(jì)算容忍解的狀態(tài)遷移概率
                if pAccept > random.random():
                    accept = True  # 接受劣質(zhì)解
                    kBadAccept += 1
                else:
                    accept = False  # 拒絕劣質(zhì)解
                    kBadRefuse += 1
            # 保存新解
            if accept == True:  # 如果接受新解,則將新解保存為當(dāng)前解
                xNow[:] = xNew[:]
                fxNow = fxNew
                if fxNew < fxBest:  # 如果新解的目標(biāo)函數(shù)好于最優(yōu)解,則將新解保存為最優(yōu)解
                    fxBest = fxNew
                    xBest[:] = xNew[:]
                    totalImprove += 1
                    scale = scale*0.99  # 可變搜索步長(zhǎng),逐步減小搜索范圍,提高搜索精度                    
        # ---內(nèi)循環(huán)結(jié)束后的數(shù)據(jù)整理
        # 完成當(dāng)前溫度的搜索,保存數(shù)據(jù)和輸出
        pBadAccept = kBadAccept / (kBadAccept + kBadRefuse)  # 劣質(zhì)解的接受概率
        recordIter.append(kIter)  # 當(dāng)前外循環(huán)次數(shù)
        recordFxNow.append(round(fxNow, 4))  # 當(dāng)前解的目標(biāo)函數(shù)值
        recordFxBest.append(round(fxBest, 4))  # 最佳解的目標(biāo)函數(shù)值
        recordPBad.append(round(pBadAccept, 4))  # 最佳解的目標(biāo)函數(shù)值
        if kIter%10 == 0:                           # 模運(yùn)算,商的余數(shù)
            print('i:{},t(i):{:.2f}, badAccept:{:.6f}, f(x)_best:{:.6f}'.\
                format(kIter, tNow, pBadAccept, fxBest))
        # 緩慢降溫至新的溫度,降溫曲線(xiàn):T(k)=alfa*T(k-1)
        tNow = tNow * alfa
        kIter = kIter + 1
        fxBest = cal_Energy(xBest, nVar, kIter)  # 由于迭代后懲罰因子增大,需隨之重構(gòu)增廣目標(biāo)函數(shù)
        # ====== 結(jié)束模擬退火過(guò)程 ======
    print('improve:{:d}'.format(totalImprove))
    return kIter,xBest,fxBest,fxNow,recordIter,recordFxNow,recordFxBest,recordPBad
# 結(jié)果校驗(yàn)與輸出
def ResultOutput(cName,nVar,xBest,fxBest,kIter,recordFxNow,recordFxBest,recordPBad,recordIter):
    # ====== 優(yōu)化結(jié)果校驗(yàn)與輸出 ======
    fxCheck = cal_Energy(xBest, nVar, kIter)
    if abs(fxBest - fxCheck)>1e-3:   # 檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)函數(shù)
        print("Error 2: Wrong total millage!")
        return
    else:
        print("\nOptimization by simulated annealing algorithm:")
        for i in range(nVar):
            print('\tx[{}] = {:.1f}'.format(i,xBest[i]))
        print('\n\tf(x) = {:.1f}'.format(cal_Energy(xBest,nVar,0)))
    return
# 主程序
def main(): # YouCans, XUPT
    # 參數(shù)設(shè)置,優(yōu)化問(wèn)題參數(shù)定義,模擬退火算法參數(shù)設(shè)置
    [cName, nVar, xMin, xMax, tInitial, tFinal, alfa, meanMarkov, scale] = ParameterSetting()
    # print([nVar, xMin, xMax, tInitial, tFinal, alfa, meanMarkov, scale])

    # 模擬退火算法    [kIter,xBest,fxBest,fxNow,recordIter,recordFxNow,recordFxBest,recordPBad] \
        = OptimizationSSA(nVar,xMin,xMax,tInitial,tFinal,alfa,meanMarkov,scale)
    # print(kIter, fxNow, fxBest, pBadAccept)

    # 結(jié)果校驗(yàn)與輸出
    ResultOutput(cName, nVar,xBest,fxBest,kIter,recordFxNow,recordFxBest,recordPBad,recordIter)

if __name__ == '__main__':
    main()

5、運(yùn)行結(jié)果

x_Initial:2.000000,7.000000,	f(x_Initial):17.000000
i:0,t(i):100.00, badAccept:0.814286, f(x)_best:-152.000000
i:10,t(i):81.71, badAccept:0.635135, f(x)_best:-98.000000
i:20,t(i):66.76, badAccept:0.782051, f(x)_best:-98.000000
...
i:200,t(i):1.76, badAccept:0.090000, f(x)_best:-98.000000
i:210,t(i):1.44, badAccept:0.120000, f(x)_best:-98.000000
i:220,t(i):1.17, badAccept:0.130000, f(x)_best:-98.000000
improve:7
Optimization by simulated annealing algorithm:
    x[0] = 8.0
    x[1] = 2.0
    f(x) = -98.0

參考文獻(xiàn):

(1)田澎,楊自厚,張嗣瀛,一類(lèi)非線(xiàn)性整數(shù)規(guī)劃的模擬退火求解,1993年控制理論及其應(yīng)用年會(huì)論文集,海洋出版社,1993,533-537.

以上就是Python數(shù)學(xué)建模學(xué)習(xí)模擬退火算法整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題示例解析的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于數(shù)學(xué)建模學(xué)習(xí)模擬退火算法的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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