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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )0 c( z# I5 \& F6 L+ M! u5 j
6 G) b! o7 r9 e9 ~1 p, e% X 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。- B0 }" S# {" D3 W2 r/ K5 _3 u
# f2 W% D: ?& w2 q# t: i
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。) _! G% |2 G! o, p; I/ |5 ]
$ a+ U5 }7 |$ ~/ q) Y) b A
3 u/ a+ t7 r5 d# r: s二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想( P. ~2 Z& Y0 W0 g, k+ q- Z! G2 U& X
' |2 }, B% R4 H" Y 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。
0 _2 `5 f; [/ _- F2 c8 q& i9 z' r" D' g2 Q! }
模拟退火算法描述:, t$ x# x" j4 x, g
2 N/ n8 `4 O* p
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
% m/ }5 K& q) F; _6 G; D# c {0 a
2 g& i4 N3 b1 R5 o2 ^$ A& 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)7 \! `( }+ s e- M6 Q G
% a$ B( R& l" [# I9 X7 h
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。
: R% p5 @( E* l5 \! j1 K- J
- n, [6 `9 p: |- i 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:
5 q4 q* I: g% w
0 R6 T) t6 _$ Y7 n( [ P(dE) = exp( dE/(kT) )
( x9 l1 y7 d; O& ?
* Q( ?- o/ E( M5 \ 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) 。
: K/ S$ G, f) R/ P G) O; O5 u4 }% S$ e: N H) C+ n, Z
随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。2 ^ Y0 S: U3 U; S/ M3 P
2 r( |* a8 S3 I: I4 h1 x 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。
- s& J/ J4 y5 b5 K! Z" h7 @* ~0 y( B" Q0 ^0 x' F+ w
关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:6 L2 e. b- n6 b# u* T
) o9 n7 Z9 Y& ?: N 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。
; f( B& Y! G: ]+ ~9 t2 y/ h. V+ k2 [) Y0 g- ?/ v/ _' |& H+ F
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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