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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )
3 ]$ {- e# i; B( ^+ \: B# H, D9 t: F9 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。
Z. I1 |8 p1 ]. x
3 g3 q& i) W2 g2 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。! s( X# x1 M1 P: X3 Z9 y
![]()
% ^6 M, Y% Y( m+ b1 X& N* u k: i B8 O. {# X- U8 ~7 V8 z7 ^; y
二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想
8 i4 s& O% q4 Q& ]
6 }* Y, O% k8 ~2 T; \' i 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。" s2 n: r' w( }. @7 N: ?
) P) u i( g% X" w$ L2 M7 w 模拟退火算法描述:
" {6 z& i7 X5 t' ]9 |9 @4 k
& D8 F2 M1 c% L6 V 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) B! u8 S) o" ~
0 [4 u$ K* N4 x5 y7 |: n5 h
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)
! H$ F9 Y' ]3 ?5 |4 a$ w% K. t% ^2 k5 M) _
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。: y: B7 n' m2 H1 _0 D4 K
3 X. u' i$ Y6 c; S 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:
; L/ V. x9 C7 d7 X1 w) a W% T! p6 a4 Z
P(dE) = exp( dE/(kT) )) z+ D2 X5 I+ S$ e
$ I' j: k7 G( W; Q$ g
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) 。) S: V B' N! W/ \
}7 [ d1 n) Y. t( }
随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。
3 P8 h; h! v e r. O6 \; v# }2 X: p
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。
i# u/ u/ N+ d. ^" z: V4 G4 F9 ]7 c& c- g! L- g7 S
关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:
5 E! I; k' f, E
7 d1 c% J4 Q, x! Q# q. U 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; _. c8 M" o4 }9 L3 |; m; j$ w3 d6 ?) r# b! V$ }& o) k# c
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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