一. 爬山算法 ( Hill Climbing ) ( G- E4 I) E. O( R. c+ p6 ^ 1 t# j/ p4 A3 ` 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。 / H& M5 ^9 r( G1 ?* Y; u9 S& }7 O1 J: Q2 s& d4 i5 n* a
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。$ E3 i4 R. d( ~ p1 z& p/ \ 3 p1 V; M4 m9 ~0 b% h6 j p& | j% L7 I" U! l% C) Z/ E1 w
二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想 ! t' m6 c R+ s& N, H0 N( N, j 5 L* H/ T2 {3 e0 p" C* K1 l5 W1 c 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。5 o, }( V9 T6 F8 K
8 E2 V4 l' t0 w 模拟退火算法描述:& b. A" @% e5 H# K7 j
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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 s# W; h t% e" D% q+ f% X$ E! ~" V0 ^2 F8 t0 k
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) # [0 { O8 ~" c2 m# X: w3 {' |5 r
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。5 v5 K7 i3 w3 _1 ?
8 ^: l7 F+ b$ a" D k& N 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: / F. d: P3 R; J- U# h }" A6 r6 p$ \8 U. Z+ P' i. R P(dE) = exp( dE/(kT) )' A! z6 c8 K3 |) N1 @! z2 _2 Z! n: e
3 T+ |8 n. p. b 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) 。 + M$ W2 z# t0 F! i 6 K5 n# C8 }% R1 H7 D3 ?* r 随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。 8 d C! J7 V j6 x; [# ^ ' ?! b1 C! { ]( T, x, [ 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。 s4 T' [9 S! F- E5 E1 Q 6 R: v; o9 ?; s! `3 o3 ^ 关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻: ( T" b2 v/ `8 I # e9 Q8 ^( b) P( j 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。 3 l; m0 [$ l# O o6 k; ~& G" F4 i/ S' 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。