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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )
1 k2 E ~$ s" [; F% W" ]* {
; G5 C' I8 d+ P0 x, y* \. P" r# X 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。# D& }4 W* \/ e& V% D
/ J; V# t5 S( \ 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 {1 T M0 w4 S" Z : U% f. M$ g# a: }
; n! Y) q2 `" y
二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想
3 o# u, F& K$ A0 s1 }2 s- b1 }
( z5 Z# X2 n1 c6 z* S" R 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。- j* F2 @$ @/ j! r# p) I5 K/ D
+ N& a: @: s0 j
模拟退火算法描述:! H9 z% ^0 Z4 u$ m$ Q; _) ?
l& O% e1 `4 {, [ 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8 B* [, ~8 ]& v$ _( m
6 ^/ y; p4 x/ T3 F& N
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)
, c: Q7 O# J# r" K" a
% s, [+ ^) d$ r; e 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。8 K+ [0 l& Q& }, F( \8 ~5 ^) f
" _" ^" ^0 L! e2 Y 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:! J K$ ~2 {3 H2 r0 B! i
^* y& U6 _' P* k
P(dE) = exp( dE/(kT) )
2 ]% v2 u% t! N8 W5 \+ k9 R! f3 T; X F1 `. L" H
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) 。& Z; y8 h$ p8 F# N& F9 ~
( E: A& q' H1 p+ D5 ?# K7 c
随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。8 |6 A! w( U% v% r
6 {5 {- O( H7 |! q" ?$ R2 x- E
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。$ l# b; t* K! T _/ g) a
, ~8 r- }! _. h' o4 ?. [' s
关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:
6 V5 a a' [6 Z, H* C) n( c: N) ?8 m0 C7 R1 Y
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。
$ X( s+ V* r+ D' z0 p; i4 G5 p! s' Z. d9 \
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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