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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )
0 I0 M% ]. c& w# H; F8 G0 S8 P& j" e9 ]8 t; s% p! I$ T
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。
' L; {! ?8 c% `* W/ l e: s% T5 @" d6 d3 b) l' p
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。0 H+ ~" R' f' m s9 U6 M7 S, l5 Q
![]()
* k/ r# k% e* O
9 Y/ c# c6 ~5 l) o8 T6 V7 }; m二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想, l j, A# \& b! z' ?
9 N% Q2 i* {5 @8 L5 V6 t+ ~4 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。! D9 X5 u' |& R
' n) y! {; `6 [2 K
模拟退火算法描述:# o, y3 w6 q& l5 C( p" ~! B8 ^
4 D' F5 F+ n" i* D% n8 F9 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
, S3 m9 z% b) }; v7 r
/ L/ s5 e1 _4 ?. [% k- }& ]0 | 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)9 ~- T) S3 _: p$ P: d: y1 [+ R
+ p$ M& C- b: y 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。
2 k$ W( R. b; j* q l, E# {2 ~1 W
: {1 V5 K- V8 Q5 v9 G 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:7 {6 c: n4 G( }) Q8 n
, E) Q1 o* g) s, u& {2 T P(dE) = exp( dE/(kT) )3 [! e3 S$ e' w" ]. S, A& j2 U
" X9 @% M2 c( k2 w+ v% |- |/ c0 C- i
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) 。) z3 G; |5 Y5 J9 d
( l0 c' y$ j$ s, m2 h2 J9 `" T 随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。- S8 ~9 C# j- A3 m* N
$ f; l3 w0 |8 h8 ?- f) w U' m
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。+ @# k! n8 Y* U o& J
/ E5 f& D9 y! d- u1 f2 h% L
关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:
, Q9 V; b. i9 G
1 M1 ~: G% ~; Y2 |# m5 K 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。- L! T7 L+ b/ y, r5 e; L3 n0 j, f
- b q! V& \' ]; C# j& H V- A
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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