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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )& c2 `8 g3 u4 L
b3 Y1 T# F, _. 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。
) s& k' p; g) J; K9 A1 l7 {# o( v6 f
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。/ e0 M M E) i) i, {6 r! Z) z
. s1 A8 r; _/ z
6 X8 i5 k V% X7 P
二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想4 ^" V( N" @5 N) H2 [
7 c$ C2 b9 Z# P9 l$ l, p6 S 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。9 ~) }& u2 T4 K# F" ]
1 K' u" B& Z1 I 模拟退火算法描述:' G5 ?% H8 P* V9 l" g( Y: K
, @ k5 |) @9 A% ? 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 q1 X- i/ L# r& x0 V2 |1 x# Y
S1 V- T. Y) j 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)4 U& v5 @1 ?0 `4 X0 T* O5 `- Y
3 d$ N2 Y6 C7 \) u- m# a* G# s 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。
* J! l( E- Z0 V q' S9 C( a) a$ i0 D; c1 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:
5 c! ~) }& G4 v+ w; i
' {$ O1 t- O) c: [ P(dE) = exp( dE/(kT) )
q! F6 u3 Q4 e! K- e
, a# G, x. T w4 w: B& E6 b. R 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 W% j7 w( U+ a5 [# ?3 b
6 y! U; m4 q: g% c! h% P 随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。
, K! @3 D- q D0 y- Y! i
2 [0 O( Y0 G' B4 ]$ o( f, c% | 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。
- w( n7 C! E8 s1 B# W% h S% ?. z( H" |$ c% x
关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:9 F% Z" y0 e p8 V1 Z$ ?+ @) W
7 ]2 p4 \. V, 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。
: v9 G$ C" S( A6 v, c1 s
- C4 J7 O, T4 W 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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