How to generate multiple lists/vectors (same length) that are unique or partially unique?

I have created the following function that can generate a list of 0s and 1s (basically a bitstring) using randomization.

import numpy as np

def generate_genome(length: int, max_individuals: int = 0) -> Genome:
    bits = None
    if max_individuals > 0:
        num_individuals = np.random.randint(1, max_individuals + 1)
        print(f'Will have maximum of {num_individuals} individuals')
        print('Controlled randomization')
        bits = np.full(length, 0)
        bits_flipped_ids = np.random.choice(range(0, length), size=num_individuals, replace=False)
        print(f'Following indices will be flipped: {sorted(bits_flipped_ids)}')
        np.put(a=bits, ind=bits_flipped_ids, v=1)
    else:
        print('Standard randomization')
        bits = np.random.choice([0, 1], size=length)

    genome = Genome(bits=bits.tolist())
    print(f'Genome bits: {genome.bits}')
    return genome

It supports two modes:

  • without max_individuals – creates a bit-list of a specific length
  • with max_individuals – creates a bit-list of a specific length but also ensures that the number of 1s is not exceeding max_individuals. The placement of the 1s is at random indices (restricted by the allowed length of the list of course)

This is part of a genetic algorithm I am working on. This would produce samples similar to the ones below:

  • without max_individuals

    generate_genome(10, 0)
    
    [0 1 1 0 0 1 1 1 1 0]
    [1 0 1 1 1 1 0 1 1 1]
    [0 1 0 1 0 1 1 0 0 0]
    [1 1 0 0 0 1 1 0 1 1]
    [0 1 0 0 1 0 0 1 0 0]
    
  • with max_individuals

    generate_genome(10, 3)
    
    [0 0 0 0 0 0 0 0 0 1] with bits flipped at [9]
    [0 0 0 1 0 1 0 1 0 0] with bits flipped at [3 5 7]
    [0 1 0 0 0 1 0 1 0 0] with bits flipped at [1 5 7]
    [0 1 0 1 0 0 0 0 0 0] with bits flipped at [1 3]
    

My problem is that there is the possibility of generating same bit-lists. This possibility increases with the smaller length and max_individuals are. I would like to have control over that to see how it affects my algorithm so I am looking for an efficient way to create a set of unique bit-lists using my function or even better – a set of bit-lists where the number of unique lists can be controlled by a parameter.

I managed to simplify the generate_genome() function based on a suggestion:

def generate_genome(length: int, max_individuals: int = 0):
    # For the given length (number of bits) the maximum (where all are 1s)
    # is (2^length - 1). The numpy.arange() stops at (stop - 1)
    bits_all_possible = np.arange(2**length)
    # Shuffle to introduce randomness
    np.random.shuffle(bits_all_possible)
    
    if max_individuals > 0:
        bits_all_possible = np.array([b for b in bits_all_possible if np.bitwise_count(b) <= max_individuals])
        
    # Pick a random index between 0 and the length of all possible bit-fields
    bits_selected = np.random.randint(0, len(bits_all_possible))
    # Use the index to select the number
    bits_number = bits_all_possible[bits_selected]
    # Convert the number to a bit-field
    bits = [int(b) for b in bin(bits_number)[2:]]

    genome = Genome(bits=bits.tolist())
    print(f'Genome bits: {genome.bits}')
    return genome

However, this is not a feasible solution in my case because we are talking about encoding and not plain old binary numbers. What this means is that I can have e.g. 3121200 of individuals. Respectively all genomes will have a maximum value of pow(N, length-1) = pow(2, 3121200-1) = ??? that cannot be calculated.

Even if it worked, this simplification does not fix the issue with creating a unique list of bit-fields by using generate_genome() remains. The straight-forward (though not sure how efficient) solution would be to create a list and iteratively start calling generate_genome(). Every time a new genome is created, I can check if it is already present in the list. If so, it will be discarded, otherwise – added.

Currently I am testing Python’s set datastructure:

if unique_genomes:
    # Using a set allows ignoring newly inserted elements if these are already present
    genomes = set()
    genomes_len_old = 0
    for genome_counter in range(size):
        genome = Genome.generate_genome(genome_length, max_individuals)
        genomes_len_old = len(genomes)
        genomes.add(genome)
        # If the genome is already in the set, the number of elements in the set
        # will not change
        if genomes_len_old == len(genomes):
            # Reduce the counter by 1 and try again
            genome_counter -= 1
            continue
    genomes = list(genomes)

The problem with any solution that revolves around trying to insert a new genome and then again, if it is not unique, until a certain total number of genomes is reached is that it may lead to a timeless struggle to find the next genome that would fit in the already existing gene pool since every time generate_genome() is called, there is an unknown possibility that a genome will be created that already exists, hence worst case I may create an endless loop. In the past I have added a termination criterion, namely how many attempts there should be before breaking. Here, this is not an option.

10

Let m be the number of bits, k be the number of bitstrings you want to generate, and r be the maximum number of 1 bits in each bitstring (your max_individuals parameter).

Some cases to consider:

  1. No maximum limit on the number of 1 bits. In this case, the problem boils down to choosing k unique bitstrings of length m. You can do this by sampling k random integers from 0 up to 2^m - 1. Here’s the algorithm to do that very efficiently:

    import random
    import numpy as np
    
    def int2bs(x, m):
        """ Convert an integer to a bitstring of length m """
        # round m up to a multiple of 8
        mbytes = (m + 7) & ~7
        xbytes = x.to_bytes(mbytes >> 3, "big")
        res = np.unpackbits(np.frombuffer(xbytes, np.uint8))
        return res[mbytes - m:]
    
    def rand_bitstrings(m, k):
        n = 2 ** m
        if k > n:
            raise ValueError(f"Can't choose more than {n} bitstrings")
    
        if k >= n // 3 or n <= 32:
            # Selecting a large fraction of the possible bitstrings: faster to shuffle the whole list and take a subset
            all_bs = list(range(n))
            random.shuffle(all_bs)
            res = all_bs[:k]
        else:
            # Rejection sampling with a guaranteed success rate of >= 2/3 per trial
            seen = set()
            res = []
            while len(res) < k:
                bs = random.getrandbits(m)
                while bs in seen:
                    bs = random.getrandbits(m)
                seen.add(bs)
                res.append(bs)
    
        # Convert integers to bitstrings
        return [int2bs(x, m) for x in res]
    

This is quite fast even for very large values of m; for m = 3121200, k = 3, this takes 19 milliseconds on my machine.

  1. Generating an m-length bitstring with exactly r 1 bits. In this case, we can do the following:

    return tuple(random.sample([0, 1], m, counts=[m-r, r]))
    

    Then, we can put the returned tuple in a set to check for duplicates.

  2. Generating a bitstring with at most r 1-bits. I don’t know of a good way to do this efficiently for general r and a uniform distribution amongst all bitstrings. However, here’s an approach that will efficiently generate random bitstrings of length m with at most r 1-bits, albeit with a bias towards bitstrings with around r/2 1-bits:

    return tuple(random.sample([0, 1], m, counts=[m, r]))
    

    As with #2, you can put the returned tuples in a set to check for duplicates.

For #2 and #3, to avoid the possibility of a long rejection sampling delay, you can check if the total number of possible outputs is less than 3*k; if it is, just shuffle all the possibilities and output the first k (as is done in the first answer).

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật