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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )
1 P; B# ?0 t3 E+ ?
! C# h) [ v1 P g& W+ I6 { 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。
- }: x( Y8 ^7 a( A: w; P- }6 r$ h8 A4 _( ]! O' u, S, d
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。
& c( D7 K6 }# K3 y7 S5 Z& @ ) A& N' @) V8 T. g
; h( b% G r; K0 h! ^$ S( D. T f. g二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想
, ?# V" k7 W1 v8 m& O. n7 C
9 ^: c, o& B. }- ~" 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。
$ d, D! m1 R" B* E, B8 ?0 v
( h0 B( t1 S( W7 E! E 模拟退火算法描述:
- ~! j$ h. i5 B4 e$ n3 V! Q$ D! Z) H' T
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6 ~# P3 Y/ n5 S# I
- g, _. a& ~% X8 U+ S2 d# v
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)
, e& @" u# q: y- E7 x4 @7 E! |" ]- x/ A; V
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。
j' K+ a5 |8 c& m1 {
* u( Q7 D8 Q; g; s7 t8 Z: F" l 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:
! c. [2 f; V4 t1 M( W2 S
3 \5 F9 x$ S8 p/ W2 x% } P(dE) = exp( dE/(kT) )9 i V) K4 [4 _: u( F
3 e7 [; ?# u- _4 l" j0 _/ \9 K
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) 。
" R" `/ x/ |/ a' N9 ~* E% r( P
, C6 T+ I0 ?1 ]* V4 d3 t8 i' l6 N 随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。8 I4 [! B! c) e3 w8 i4 S
) r0 f3 _* g4 ^* T0 w) @" I3 \$ n, M 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。0 y4 T5 S9 U8 _7 |; U* {
) P9 c M: H$ l" \$ I
关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:, I/ g1 l$ M+ z0 s9 X$ y. n8 W
+ U- D$ A9 {# W; @4 ]; o% G# k
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。6 W8 U0 k/ P" A5 ^. Z a
1 y5 S+ I) n T# v/ J# w 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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