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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )% P/ u2 Q" m/ G
0 p* l0 o; E8 S: t2 l2 d0 K
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。8 v- R/ Y- ]0 ^1 ]6 u$ n! Q) l
8 ?' { N0 T3 f2 Z% z 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. u! E% |9 K ![]()
' I2 G0 I1 E8 T: Y6 n2 R8 H! \9 A( E6 S% c
二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想
3 U3 i4 k P3 y; J! b7 j' `/ n5 |! j6 t1 [, {
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。8 A& r* L4 r7 U" Y1 w
: z- v0 L) `1 l7 k4 q" } S
模拟退火算法描述:$ f8 C- t* ]& T( k0 h) M
9 u% i4 i4 S, r
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; A! j7 D+ I5 D" n
Z# w! H- [7 F5 j; T, `
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)
+ X! k8 J/ } ~9 O2 C
. [* A2 |& I5 t# E 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。! F% h7 h' }- I( E. g$ K, Q
" }# x0 R7 l* Q2 F: _% | 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:( m( \. @9 r3 n9 B1 L
$ I' ?4 ^: R z6 f, v. X2 u P(dE) = exp( dE/(kT) )
~/ a3 R E" Z0 ?6 O4 J7 _! M8 p# ?) R* H: V0 x% E
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) 。
& A2 F' c l3 g/ z! R. {4 a& J: j; @1 p1 C9 \
随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。
5 }0 H5 q! C5 x- E( ?2 T; e& O$ H* ~5 Q m7 {, }; [1 j6 k3 P
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。
' {8 B. Q( H+ e4 o$ U$ O* V+ T- I6 J. O9 _& e$ W4 F
关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:
% E K/ Q& {; o' W* @; R( Z8 z6 T$ z. Y% f3 q
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。! d- }% r6 L4 D. n! D z4 N# q0 r
$ z4 r6 {1 M$ L6 i0 c$ c
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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