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签到天数: 95 天 [LV.6]常住居民II
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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )$ a( J7 D: g0 Z+ |1 `0 H
# }. M9 n! X/ a& M 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。
4 ]! ?6 T- G, t6 Q# f; C
/ c. z6 M0 K5 t: G, l( j( D$ T7 N; ?: @ 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。/ Q: f* W3 _2 p' p
: v" o1 ?2 k$ G' n, v* y d7 ^
1 w- E) E. _9 N/ y0 {二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想
1 G: t7 U8 P2 ~6 A$ M6 n2 d% a- v- }- i' u$ I
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。% p' u* f" a) d v% [3 [; V
( \) W+ m" F5 L: U9 G; \
模拟退火算法描述:, k% f3 L# y0 s6 Y% D7 r( ^& z
: t6 N% k% a- R4 l
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
$ }9 D/ U7 \, [8 d& o! V3 Q
. ^% ? O1 l5 _# P* K* o7 L 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)9 s" f, |0 s* _5 z( F" T
& t# `# H/ D3 d9 [ p
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。
1 I& S0 a/ b3 t& I9 w: L1 u
+ V2 C$ k" Y% e0 Z 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:' H* J8 _/ |$ I6 ~
; b4 ]; V1 U- X9 J4 j P(dE) = exp( dE/(kT) )
! B( c. J& I+ v9 E. m% k, s M/ f! S. k2 Q) t4 J, P* Y
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) 。' L6 D! c* O# M% Q$ p
: r e2 z7 |+ B" _ 随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。2 Z- c+ n8 j2 U) Q" r
- c: V5 c( j# z$ M7 h" ^ 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 s+ g# [5 i7 A4 O
: j$ @: O; _3 c: e4 b 关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:" C2 P% K+ A, n' g5 S
) s# b8 I+ a, g7 E! U3 }+ P 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。
+ w6 a' g7 @ V/ D4 }1 r
* w+ u# [6 B6 P9 Y" N# }7 @. z 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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