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签到天数: 95 天 [LV.6]常住居民II
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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )
( a' M+ f) a, N, s3 `! S
' h' r6 q6 ], X* N3 T' s, V 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。& Q; K) L: {- h; q% y6 T
7 T4 d0 |8 B8 Z b* O; l/ c8 ]' y
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。
: O1 r' Q# _' ^' P 1 H X& Q: i0 K% i
$ n; G1 E+ v9 n( N
二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想
4 u: v8 v6 r9 ]3 m
$ D% Y, Y7 W3 {+ N 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。. d. V$ c- y+ U$ C
4 M7 ^' ~4 ~9 u! E2 p r 模拟退火算法描述:
/ x; Z, E5 n" D! Z
$ s* C) @; E7 W( Q( 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
1 M7 T4 [" r: G3 `5 T6 _! y) r5 ^1 `! N% u
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)' V3 {$ F2 `9 F7 e
) |/ f( f) b8 f4 d7 x 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+ f1 O5 m3 L
# a/ X- J) u5 Z
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:
; u. O f' ?5 d& o) G) S) L
( J |8 I( i' j1 ?5 N( Z P(dE) = exp( dE/(kT) )
6 ~ r; a! ]( r" V: t$ I3 S7 T) ^0 `4 X! }# A g4 o+ p1 L
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) 。
! v( V f& Q( T6 v, q/ N
# @) t8 j+ d% W0 @: U 随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。5 c, E% b, ^8 a8 a0 e5 b
5 q7 | J' J: J. P6 G. k+ G. k2 r/ l
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。: y% @& W' S; W( ], I; V
* A: w/ P) J# S& Z0 K. i# W
关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:+ o+ b! m& [7 G
! M! m; J) E, @, L# ^7 T 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。
8 A# E& O2 p; v4 c( b$ G* a5 C$ |9 i, n2 o8 |
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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