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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )5 g- B0 Y/ J9 Q0 z
) t2 {" H/ p4 r, q
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。6 d6 O0 D `9 i
( [- O5 h$ W& N: v
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。6 Y! s1 n: ~8 n3 e" I& H9 n, V
' u* N. f0 R* M' o
. w, T3 X. _# m% T; B
二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想- V& H6 G. g5 o$ i* k
7 i) S, q, N5 | 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。
7 B& o( L6 ^' W2 h* f( Q! B
+ b6 P7 Z+ J5 r- U q 模拟退火算法描述:
" Z* S' n( w/ y' I% y9 y
1 d* n5 j9 a( a+ p- z3 H2 M 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$ F4 c @# \1 u1 ]
# l# T# X( `0 Z0 \# z& s* V7 b- q 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* {6 y4 b7 g0 i: l7 H& l0 |2 h' Z% S2 U* ]$ b
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。
* O! M k9 [7 S) @; D
! t' i% a; f0 ?" p 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:
|- u# i) Z+ }- \% t7 _+ J
* S# v5 f- K j* N4 M P(dE) = exp( dE/(kT) )
7 O! ]. q W2 x0 J, b# Q
7 z Z6 k" X; [& X0 q 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) 。" T6 F% Z' _, L# J. M" e5 j
) r( ^' o. k* Y$ y 随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。
* m9 N5 Z. {8 }5 z1 z8 t+ H' t4 ?1 m: U+ ]
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。
: |9 [: L A$ E4 l4 F. o; l: Q( V* `0 m8 c" b6 I h
关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:7 n9 u" o5 b$ O7 \6 U$ ?5 W
2 D# M( I. k8 `6 U9 o) ?
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。
0 K9 C/ R. X9 |6 b8 q* H
) d2 B9 y- H& d. Q4 |9 r 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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