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[建模教程] 模拟退火算法

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    [LV.5]常住居民I

    群组国赛讨论

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    1#
    发表于 2014-8-21 23:45 |只看该作者 |倒序浏览
    |招呼Ta 关注Ta
    [p=272, null, left]模拟退火算法

    ! b, U* Q7 Y7 N/ {" E5 ^7 Y9 Y
    ' S' Q2 b7 W. H; W3 p

    % H* G5 J. a3 h# b[p=197, null, left]模拟退火算法来源于固体退火原理,

    [p=197, null, left]将固体加温至充

    [p=197, null, left]分高,再让其徐徐冷却,加温时,固体内部粒子随温升变

    [p=197, null, left]为无序状,内能增大,而徐徐冷却时粒子渐趋有序,在每

    [p=197, null, left]个温度都达到平衡态,最后在常温时达到基态,内能减为

    [p=197, null, left]最小。根据

    [p=197, null, left][size=197px]Metropolis

    [p=197, null, left]准则,粒子在温度

    [p=197, null, left][size=197px]T

    [p=197, null, left]时趋于平衡

    [p=197, null, left]的概率为

    [p=197, null, left][size=197px]e-

    [p=197, null, left][size=197px]Δ

    [p=197, null, left][size=197px]E/(kT)

    [p=197, null, left],其中

    [p=197, null, left][size=197px]E

    [p=197, null, left]为温度

    [p=197, null, left][size=197px]T

    [p=197, null, left]时的内能,

    [p=197, null, left][size=197px]Δ

    [p=197, null, left][size=197px]E

    [p=197, null, left]

    [p=197, null, left]其改变量,

    [p=197, null, left][size=197px]k

    [p=197, null, left]

    [p=197, null, left][size=197px]Boltzmann

    [p=197, null, left]常数。用固体退火模拟组合优

    [p=197, null, left]化问题,将内能

    [p=197, null, left][size=197px]E

    [p=197, null, left]模拟为目标函数值

    [p=197, null, left][size=197px]f

    [p=197, null, left],温度

    [p=197, null, left][size=197px]T

    [p=197, null, left]演化成控

    [p=197, null, left]制参数

    [p=197, null, left][size=197px]t

    [p=197, null, left],即得到解组合优化问题的模拟退火算法:由初

    [p=197, null, left]始解

    [p=197, null, left][size=197px]i

    [p=197, null, left]和控制参数初值

    [p=197, null, left][size=197px]t

    [p=197, null, left]开始,

    [p=197, null, left]对当前解重复

    [p=197, null, left][size=197px]“

    [p=197, null, left]产生新解

    [p=197, null, left][size=197px]→

    [p=197, null, left]计算目标函数差

    [p=197, null, left][size=197px]→

    [p=197, null, left]接受或舍弃

    [p=197, null, left][size=197px]”

    [p=197, null, left]的迭代,并逐步衰减

    [p=197, null, left][size=197px]t

    [p=197, null, left]值,

    [p=197, null, left]算法终止时的当前解即为所得近似最优解,

    [p=197, null, left]这是基于蒙特

    [p=197, null, left]卡罗迭代求解法的一种启发式随机搜索过程。

    [p=197, null, left]退火过程由

    [p=197, null, left]冷却进度表

    [p=197, null, left][size=197px](Cooling Schedule)

    [p=197, null, left]控制,包括控制参数的初

    [p=197, null, left]

    [p=197, null, left][size=197px]t

    [p=197, null, left]及其衰减因子

    [p=197, null, left][size=197px]Δ

    [p=197, null, left][size=197px]t

    [p=197, null, left]、每个

    [p=197, null, left][size=197px]t

    [p=197, null, left]值时的迭代次数

    [p=197, null, left][size=197px]L

    [p=197, null, left]和停止条

    [p=197, null, left]

    [p=197, null, left][size=197px]S

    [p=197, null, left]


    ) y5 s( Y0 a3 S- b: Q% j% O1 l0 O- E* \% J( n  X5 b+ |9 E, u. E
    $ q2 t& n' O4 Y2 D3 n9 M' W
    [p=197, null, left]模拟退火算法可以分解为解空间、

    [p=197, null, left]目标函数和初始解

    [p=197, null, left]三部分。

    1 \0 a2 }* `& ?

    2 V' x9 i( w) i$ A, o
    ; M& M" c' t8 V% t  S[p=197, null, left]模拟退火的基本思想

    [p=197, null, left][size=197px]:

    6 D/ q0 x  V( P, R

      ~7 U8 {7 w4 f% Q. N5 C! Z7 l[p=197, null, left][size=197px](1)

    [p=197, null, left]初始化:初始温度

    [p=197, null, left][size=197px]T(

    [p=197, null, left]充分大

    [p=197, null, left][size=197px])

    [p=197, null, left],初始解状态

    [p=197, null, left][size=197px]S(

    [p=197, null, left]

    [p=197, null, left]算法迭代的起点

    [p=197, null, left][size=197px])

    [p=197, null, left]


    8 n8 l+ y7 N" W[p=197, null, left]每个

    [p=197, null, left][size=197px]T

    [p=197, null, left]值的迭代次数

    [p=197, null, left][size=197px]L


      F9 f  W  j1 y" r0 Z) g0 H
    0 D4 i; Q9 z2 v
    ; ^( v# p8 Z) A' z! Z7 @
    # ]9 w. f) F" V0 o' q0 M: i3 c5 g: s4 q! g& O( Y2 L! O/ X

    " H$ S* |) O- E! J3 `$ W4 p3 k. K$ n6 i0 v6 X/ M8 ~

    * y% c3 X* S. Q& R2014全国一级建造师资格考试备考资料真题集锦建筑工程经济 建筑工程项目管理 建筑工程法规 专业工程管理与实务! u  @; I% i- f2 Q) u& E1 W: T/ B

    . l/ Q% K) i, b# ]7 k: j

    - y5 I9 b6 I2 A7 J
    / V  |# t# r. W% f( ~
    % B0 Y7 _' G- K% c" I6 Q' L9 r4 Z7 b, e8 ^7 _
    * M6 a! }+ ?& m8 H: k- P0 ?3 B0 Y

    5 o3 o8 ~% Z* M% @$ j- P[p=197, null, left][size=197px](2)

    [p=197, null, left][size=197px]对

    [p=197, null, left][size=197px]k=1

    [p=197, null, left][size=197px],

    [p=197, null, left][size=197px]……

    [p=197, null, left][size=197px],

    [p=197, null, left][size=197px]L

    [p=197, null, left][size=197px]做第

    [p=197, null, left][size=197px](3)

    [p=197, null, left][size=197px]至第

    [p=197, null, left][size=197px]6

    [p=197, null, left][size=197px]步:


    ) s" z) r8 m4 L+ v& q/ }
    + k5 k- Z1 n5 G: g1 t1 I5 L  q* V* z" A$ Q( q. ^3 ?4 X
    [p=197, null, left][size=197px](3)

    [p=197, null, left][size=197px]产生新解

    [p=197, null, left][size=197px]S

    [p=197, null, left][size=197px]′

    * ?4 l$ Z7 c3 q" i
    2 @3 [) H( t6 |; {: z% O
    + `4 \9 c! {) M7 `& Y
    [p=197, null, left][size=197px](4)

    [p=197, null, left][size=197px]计算增量

    [p=197, null, left][size=197px]Δ

    [p=197, null, left][size=197px]t

    [p=197, null, left][size=197px]′

    [p=197, null, left][size=197px]=C(S

    [p=197, null, left][size=197px]′

    [p=197, null, left][size=197px])-C(S)

    [p=197, null, left][size=197px],其中

    [p=197, null, left][size=197px]C(S)

    [p=197, null, left][size=197px]为评价函数


    % i. K4 F: m2 S6 r  o  ^4 s, O$ i2 {5 j! g8 p% e2 w

    ( {# g' @4 Y- |7 \; z[p=197, null, left][size=197px](5)

    [p=197, null, left][size=197px]若

    [p=197, null, left][size=197px]Δ

    [p=197, null, left][size=197px]t

    [p=197, null, left][size=197px]′

    [p=197, null, left][size=197px]<0

    [p=197, null, left][size=197px]则接受

    [p=197, null, left][size=197px]S

    [p=197, null, left][size=197px]′

    [p=197, null, left][size=197px]作为新的当前解,否则以概率

    [p=210, null, left][size=197px]exp(-

    [p=210, null, left][size=197px]Δ

    [p=210, null, left][size=197px]t

    [p=210, null, left][size=197px]′

    [p=210, null, left][size=197px]/T)

    [p=210, null, left][size=197px]接受

    [p=210, null, left][size=197px]S

    [p=210, null, left][size=197px]′

    [p=210, null, left][size=197px]作为新的当前解

    [p=210, null, left][size=197px].

    # D8 G9 {* i8 s- g( i0 _& Z
    9 K& n- A$ S, G% _7 Q; I, I
    [p=197, null, left][size=197px](6)

    [p=197, null, left][size=197px]如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结

    [p=197, null, left][size=197px]束程序。

    ( F  P. I0 V: o% k* Z3 B) e0 H
    " {6 p' ?2 t8 v* F4 W$ _; X( i

      F, [+ t3 \' ?! I8 `/ w! }( L[p=197, null, left][size=197px]终止条件通常取为连续若干个新解都没有被接受时

    [p=197, null, left][size=197px]终止算法。


    * U8 O8 h5 ?, A2 t! h7 P# T: {; @5 W

    & _- X) Q. u( Q2 [; H* d6 q[p=197, null, left][size=197px](7) T

    [p=197, null, left][size=197px]逐渐减少,且

    [p=197, null, left][size=197px]T->0

    [p=197, null, left][size=197px],然后转第

    [p=197, null, left][size=197px]2

    [p=197, null, left][size=197px]步。


    + }" u7 Y" E( |, d0 w
    8 i( J) P# [& m+ F7 t7 d5 m  S+ c2 F$ A6 \% B) c& A5 J( C: ]
    [p=197, null, left][size=197px]模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步

    [p=197, null, left][size=197px]骤:

    7 O4 k% W3 ^. D

    , A9 R! K  M* @$ K' ^* A6 P0 W9 l5 k% h# i( n
    [p=197, null, left][size=197px]第一步是由一个产生函数从当前解产生一个位于解

    [p=197, null, left][size=197px]空间的新解;为便于后续的计算和接受,减少算法耗时,

    [p=197, null, left][size=197px]通常选择由当前新解经过简单地变换即可产生新解的方

    [p=197, null, left][size=197px]法,如对构成新解的全部或部分元素进行置换、互换等,

    [p=197, null, left][size=197px]注意到产生新解的变换方法决定了当前新解的邻域结构,

    [p=197, null, left][size=197px]因而对冷却进度表的选取有一定的影响。

    2 D* s! q' s0 Y/ N. @! M3 i. u
    . z1 u1 T' G& h4 r; v& o

    " V' L# j6 u8 P# t) w1 s- o[p=197, null, left][size=197px]第二步是计算与新解所对应的目标函数差。

    [p=197, null, left][size=197px]因为目标

    [p=197, null, left][size=197px]函数差仅由变换部分产生,

    [p=197, null, left][size=197px]所以目标函数差的计算最好按

    [p=197, null, left][size=197px]增量计算。事实表明,对大多数应用而言,这是计算目标

    [p=197, null, left][size=197px]函数差的最快方法。

    + e5 E5 K% d9 G' x' c
      P2 Y6 V' H8 M) \8 p' w; |+ E

    ' {9 ]( b4 n* f. i+ Y# q6 o% u! ]: j+ v/ Z. [3 Y5 ~8 y  t& R! x
    ( c) j4 D4 S$ x' q7 w" G. I
    8 A; f* u+ N) ?5 v4 r1 R
    6 v# O7 p" s- ?3 G3 d
    6 _6 w1 d# ?5 B- }6 P6 p

    5 j) D; m3 D9 q" y
    6 y2 S( z3 c  K, I: ]
    * `# B( B2 A5 @" t
    + H+ S, ?* [' t- p, ~5 ^0 s0 e% c, k8 M: k6 M
    1 i1 ^( @0 j0 T# \7 y1 x& ?: B7 e
    [p=197, null, left][size=197px]第三步是判断新解是否被接受

    [p=197, null, left][size=197px],

    [p=197, null, left][size=197px]判断的依据是一个接

    [p=197, null, left][size=197px]受准则,最常用的接受准则是

    [p=197, null, left][size=197px]Metropo1is

    [p=197, null, left][size=197px]准则

    [p=197, null, left][size=197px]:

    [p=197, null, left][size=197px]若

    [p=197, null, left][size=197px]Δ

    [p=197, null, left][size=197px]t

    [p=197, null, left][size=197px]′

    [p=197, null, left][size=197px]<0

    [p=197, null, left][size=197px]则接受

    [p=197, null, left][size=197px]S

    [p=197, null, left][size=197px]′

    [p=197, null, left][size=197px]作为新的当前解

    [p=197, null, left][size=197px]S

    [p=197, null, left][size=197px],

    [p=197, null, left][size=197px]否则以概率

    [p=197, null, left][size=197px]exp(-

    [p=197, null, left][size=197px]Δ

    [p=197, null, left][size=197px]t

    [p=197, null, left][size=197px]′

    [p=197, null, left][size=197px]/T)

    [p=197, null, left][size=197px]接受

    [p=210, null, left][size=197px]S

    [p=210, null, left][size=197px]′

    [p=210, null, left][size=197px]作为新的当前解

    [p=210, null, left][size=197px]S

    [p=210, null, left][size=197px]。


    & r3 A: v  R, `1 w7 p" j) O; f
    $ o% E3 {% Q2 F
    9 u5 @/ C  q. @  l+ g  v. H[p=197, null, left][size=197px]第四步是当新解被确定接受时,用新解代替当前解,

    [p=197, null, left][size=197px]这只需将当前解中对应于产生新解时的变换部分予以实

    [p=197, null, left][size=197px]现,同时修正目标函数值即可。此时,当前解实现了一次

    [p=197, null, left][size=197px]迭代。可在此基础上开始下一轮试验。而当新解被判定为

    [p=197, null, left][size=197px]舍弃时,则在原当前解的基础上继续下一轮试验。


    % b$ o! \9 b- L9 ]6 \. E5 g+ Q8 p) \9 }2 @

    : S0 P& R8 c8 ~0 F9 i7 D[p=197, null, left][size=197px]模拟退火算法与初始值无关,

    [p=197, null, left][size=197px]算法求得的解与初始解

    [p=197, null, left][size=197px]状态

    [p=197, null, left][size=197px]S(

    [p=197, null, left][size=197px]是算法迭代的起点

    [p=197, null, left][size=197px])

    [p=197, null, left][size=197px]无关;模拟退火算法具有渐近

    [p=197, null, left][size=197px]收敛性,

    [p=197, null, left][size=197px]已在理论上被证明是一种以概率

    [p=197, null, left][size=197px]l

    [p=197, null, left][size=197px]收敛于全局最

    [p=197, null, left][size=197px]优解的全局优化算法;模拟退火算法具有并行性


    " i4 x! U1 a/ u# c7 J# X% ]* b4 F7 `5 m& n

    ) _4 [- a& L, A2 H( ?# m# _/ K( y; v) b# z: N6 T9 S2 M
    ' G* x8 E* ^8 ?& v

    7 G) n6 C( o2 P/ T& K
    ) l7 s5 F3 [1 q/ {/ m
    1 z1 h$ @. r3 F$ L$ Q5 C3 G5 _: L) L2 h; P8 Z* w
    zan
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