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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )( f, C7 v: C- d: J0 H$ z
# h9 X7 [4 h- b5 `6 o1 _/ K, d8 `9 W 介绍模拟退火前,先介绍爬山算法。爬山算法是一种简单的贪心搜索算法,该算法每次从当前解的临近解空间中选择一个最优解作为当前解,直到达到一个局部最优解。1 [4 X1 l" w0 q- N3 H
1 k* K' H5 t7 c1 c0 F5 G 爬山算法实现很简单,其主要缺点是会陷入局部最优解,而不一定能搜索到全局最优解。如图1所示:假设C点为当前解,爬山算法搜索到A点这个局部最优解就会停止搜索,因为在A点无论向那个方向小幅度移动都不能得到更优的解。 x1 Y% A6 r. F( G& F9 Y% o# N( A
, d; H" G* Z4 U) a6 V/ d
6 ^ a% ~& o9 N; j4 I二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想
4 G5 J/ B) q! v1 C, a9 A* E. w: {7 e( e% q2 n, D& O
爬山法是完完全全的贪心法,每次都鼠目寸光的选择一个当前最优解,因此只能搜索到局部的最优值。模拟退火其实也是一种贪心算法,但是它的搜索过程引入了随机因素。模拟退火算法以一定的概率来接受一个比当前解要差的解,因此有可能会跳出这个局部的最优解,达到全局的最优解。以图1为例,模拟退火算法在搜索到局部最优解A后,会以一定的概率接受到E的移动。也许经过几次这样的不是局部最优的移动后会到达D点,于是就跳出了局部最大值A。
) ^2 z+ I/ Z [& s O- }- a" H, W J( @
模拟退火算法描述:0 e4 z# R! ]- N, P
( t, b1 K: |. f 若J( Y(i+1) )>= J( Y(i) ) (即移动后得到更优解),则总是接受该移动
! B: v) y: [7 E8 w7 y3 Q S
2 N# y8 D: Z+ p7 W% h 若J( Y(i+1) )< J( Y(i) ) (即移动后的解比当前解要差),则以一定的概率接受移动,而且这个概率随着时间推移逐渐降低(逐渐降低才能趋向稳定)$ \0 Z! j2 {6 T4 ? X
3 W* T( ?0 K# J$ t5 b# j$ s 这里的“一定的概率”的计算参考了金属冶炼的退火过程,这也是模拟退火算法名称的由来。
; a- h$ |) X' i- g# r8 ]9 G7 V* _1 _6 i# r) \$ d; [! I5 q. [
根据热力学的原理,在温度为T时,出现能量差为dE的降温的概率为P(dE),表示为:
, X5 ~ L7 L; J& g( a, P+ G. a( s- h* A
P(dE) = exp( dE/(kT) )
+ z7 r7 C1 x& I+ [1 i' c$ T n7 x" M( S3 s5 V; a4 R: a2 d
其中k是一个常数,exp表示自然指数,且dE<0。这条公式说白了就是:温度越高,出现一次能量差为dE的降温的概率就越大;温度越低,则出现降温的概率就越小。又由于dE总是小于0(否则就不叫退火了),因此dE/kT < 0 ,所以P(dE)的函数取值范围是(0,1) 。; g$ L4 \4 n! p9 S O
* i9 m0 [2 V0 `7 o) }% r2 R( u
随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。
, d# d9 _0 ~" P4 i
* \, y4 ^) G4 ?9 R8 _+ f1 K 我们将一次向较差解的移动看做一次温度跳变过程,我们以概率P(dE)来接受这样的移动。1 L. S- Q6 z K B
9 M! ]' X$ i; E0 P! u+ m$ f 关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:
$ Z( C4 v* K& h1 G$ N, ^$ b9 n2 a6 M/ F7 o% c% _
爬山算法:兔子朝着比现在高的地方跳去。它找到了不远处的最高山峰。但是这座山不一定是珠穆朗玛峰。这就是爬山算法,它不能保证局部最优值就是全局最优值。
" r" [0 `/ W3 t! m8 n" E1 a, B3 V2 _; o3 ? {
模拟退火:兔子喝醉了。它随机地跳了很长时间。这期间,它可能走向高处,也可能踏入平地。但是,它渐渐清醒了并朝最高方向跳去。这就是模拟退火。 |
zan
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