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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )
$ Q& ^7 N3 Q, I3 @2 D; S6 W- [0 p# Z
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。, x' A3 K5 A5 R% M' A
! Z4 C' d2 k! A, `# o
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。& M( G4 c. Z0 X1 _1 g
![]()
& m7 R! b4 L) \+ y9 |3 W: a9 |2 w+ y' |6 s8 K
二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想
' {( t1 e5 `4 [) k$ p
0 `' b4 [. V. T: L. m: H# 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。) m( Q7 a' s1 m5 u1 R
6 {- F7 t+ \, R- N( P; D) {0 ^ 模拟退火算法描述:+ x; N' [' ?1 ^& U9 M C- l4 R
1 v; F3 O, F# M5 F$ {/ U7 a" J
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& I# h1 q' r1 O/ J4 f
; N" P6 n, H7 o0 l 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)$ u, \. O/ [" C* v/ N4 }
2 d( B2 m" [/ N8 c6 |8 }5 I
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 |. L: F" {9 [
b7 \) d0 a6 Z1 }) @( u
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:
, }* N2 T/ C5 V k& J6 F' e# S. g9 U8 g7 q9 K8 N
P(dE) = exp( dE/(kT) )
! P9 W' B1 E; E* J
" i# j3 K# [; ~6 Z x2 s# a 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) x2 i2 e6 q5 q* u; \9 r. _/ i( [. N+ L# f$ w
随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。
& Z- E; @4 D5 k/ i+ z2 d; |3 C+ }* {/ a+ j. h7 L# d
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。# ]" h- U4 N" A8 _" @: j' d
3 K4 A7 t$ {! d
关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:4 Y: j) y, e3 F9 I/ \
* G5 h9 h+ Y3 M 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 b a* N0 y; V% U: ?# N1 D: w1 R8 }) ^9 K: Q9 W
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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