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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 ) \/ B7 V+ A+ D" E
& z$ B2 _$ D5 q" f 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。
: R8 ]" Z9 j- r" d' Y5 @; n; H3 P1 e& s7 u8 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。
1 J' J0 V A3 o, D1 |1 L& ] ![]()
. r- X* v1 e& p4 _. P3 H+ o
" Q: O+ ^% f, _6 m* ^+ t5 a/ i( k& o二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想; [2 |2 V1 g/ A. `0 o
4 _' N ?# M0 a; S9 M; | 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。
. x! x1 t' ^0 W( `6 G C! z) Z N3 p) [. \, t, V
模拟退火算法描述:
6 ~7 E/ \ R# `: R X
# F: g" i1 W s, k1 C5 t5 P 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
( u% s- ]% ?2 n0 ^3 M$ q8 V9 {% ~; T: R0 V, I7 o
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)7 g) N9 f w0 V
1 o) O. r% a5 }( Y2 u# n
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。) @- n. n" }" I% }8 }
J1 H/ [1 c( }5 s( `8 h! v3 Z4 ? 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:
a1 l3 P2 K9 a: X. y9 `
1 q: `# @5 u" r3 _ V% [1 {4 M6 P P(dE) = exp( dE/(kT) )
4 |# ]* [2 L/ {8 b- }. r4 M) ~6 C# _+ V' L" s+ ^* P
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) 。% W$ i( j, G$ w" s2 N4 v5 U; d9 h) p9 q
9 B$ y& b5 X6 O0 M6 L6 M 随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。- M" x* G5 s, X1 W3 b. {6 W+ U c0 Q- y
) s# V$ `- L8 t" n 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。5 c! D% |! U% V! b7 k+ K9 x
+ |& l, b" |- M- } 关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:
) m$ m4 L( G) z# w( ~3 h0 s( u! A+ h6 ?5 \0 V
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。5 W( B" u5 c# s+ _' l2 J; o
4 T; Y; Y7 ?8 a4 g
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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