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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )
\9 X5 d5 B; [" R; o* u; v' Y
7 m9 v! }& O8 S( ]) U 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。& @: ]" O% `- M) M
# W e9 ^9 W$ ~9 E' u) O 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% o; K7 F# k" K" M3 ~" L , S3 Y3 H* y( ~+ v
3 X) h9 O, Q) C* Y2 m, u二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想5 m9 a9 g6 T" J+ t6 ~6 T
& ^& l2 G3 W' l) L, m
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。
$ S6 N+ w) G1 ]
& o5 W; P6 q3 N9 r# p( t' Q 模拟退火算法描述:9 j$ |( E7 \" d6 N- M$ _
* j; }" |9 T- {% f 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$ C7 Q- o v9 l; K
; E9 j- h3 I4 ]& M/ D6 c$ I: I% w# ~
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)
. Z" a. _! O2 d. H' l
+ V2 d, m Z c# F 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。- h+ z+ V8 H4 _/ l Y! f% S' y
# J# ?! r2 }0 d- z( N7 Y, }5 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:
0 {8 W1 T2 A+ g J- n2 x$ C7 Z! Y5 z9 j
P(dE) = exp( dE/(kT) ): I$ D8 h: @1 F& r) x
* r K+ T' }; Z+ }7 g5 X4 K5 O: g 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) 。8 O+ o* |+ Z8 L6 D0 m* o: I0 N
( } X0 `- g! N0 N1 w9 W' T. d 随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。
8 ~0 E) B' a" n9 ~; z( Z
7 Z) O4 T. u" Q& l5 T6 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。* ~* N* ]1 C3 |1 I9 ]
: ^# t0 L/ J2 R! z4 v2 a- r
关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:3 z6 M2 ?# w4 C8 I- ~
* c# J: F9 N9 k0 o' Z
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。
, e3 |* H# Y7 @# v" W
* S2 ?2 [$ l8 K) O" T 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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