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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )& G( D) D- t3 U) C( p
/ s! [0 n7 { z9 N 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。
; g$ J( L( b, G. [
; K/ Z$ b$ [5 l 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。
5 l/ c5 G2 b. m m ![]()
% R3 ~1 L% L U& b, m: ^$ m
: O) B+ l* A: n* S二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想
; h* v, z6 l" S1 n g7 Q* C+ ]" x& C9 [
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。1 w2 }& x% T; T$ @% D2 f
, B) P. b3 g9 F* h( L
模拟退火算法描述:# Q4 T: s+ v# T6 @3 `3 ?: {" }; d
6 `5 a) D% E+ {% 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
+ v; ~& t, \2 A5 f! u: M: ?' p# M9 S' a; Y/ 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)7 C0 R: [: Q& B% J% N7 r# j
! Z! I0 b, Z* T# f1 C1 n6 S5 z
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。; ~0 C0 X4 p( F; m
/ |8 p z" F+ E 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:
- Q5 Y4 n: J2 L- L1 V7 t1 T6 x: ~9 b
" F5 Y/ C. T) X2 z: m! ~ P(dE) = exp( dE/(kT) )! c$ y6 n1 w. S2 i6 X1 t% B
- w ~7 }# i, X1 } 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) 。
6 o( r7 I' u4 Y: B8 W6 `9 g0 u1 @2 ^+ S- l6 O% x5 I$ d3 B) D
随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。3 k! m) Y4 M7 U7 v
7 h! N, _! @1 ?: f2 p. p4 B- e% |' s
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 O1 y( W0 H( N/ q
% O( U8 F, @& N9 A- J 关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:4 \1 g' E4 S7 C, Y
0 P4 s5 H: g& E
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。
) a- m& p- p3 m4 _4 ~5 a+ k2 I, _# ]3 Y: `
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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