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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )& u0 |) O `. B4 d# J
8 o5 X6 Z6 H' u/ 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。7 a# [% }9 e. C4 X
) l4 n& ]/ M, \ F# X 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。
; x5 t* v- e& o / r8 @2 U6 M( Z6 F0 V
' A) X" X) |& H% W( V二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想" E+ p" y0 z# K6 d4 O0 U
9 s+ j H: `1 _
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。: Z! ^) |4 |$ A0 Q
1 d# _ w; x- }1 ~: H! W) J5 R& f0 T
模拟退火算法描述:
0 e1 E% v5 \7 `4 e Y
@8 q4 E( Z4 `, ^8 t% M- y9 P9 N 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# G& f. z! l- A8 G% S2 g: l0 E
9 H4 m. f$ L* _1 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)
( T8 C$ j, {6 l$ x2 P" u8 ^
1 F1 a$ \7 P1 m! P$ f4 ?' 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。
) A3 J( N. a- S+ J) R
! ?) Q! s: u% _, M) B0 L# K 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:
' Z; D, v4 ]( s1 B' ]9 @1 l N S8 |
P(dE) = exp( dE/(kT) )
4 M. }5 g/ q1 v% }& q: E" @" Y: c) g& O* A) y, _) D4 B+ M
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 u: B3 c0 ^* F
" C$ U- Z9 k: T' h9 |& N 随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。
3 N8 F9 o% \8 _% t2 G0 w) S! \8 _( u& S' ^, r2 f
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。3 \6 d- _( N5 [* F6 {* |/ `
7 Z( ?3 g7 j! g0 r 关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:# _. x; L, M5 \: ^ p3 h) E
C J5 u' L) D2 t% A 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。
9 |' U8 D+ R% e+ P5 s
+ t" U1 s* R; J5 i8 |: @ 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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