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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )
5 G8 _+ T/ G0 U3 Y' J7 x8 N8 A* A; S* E" L
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。
! _) E T* L! I- Y- F( M8 d9 S$ B8 @
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。8 b/ I' H6 s4 L% P9 q
+ p b- @. H& R! ^8 B6 o1 |' y5 K
6 F. x6 Z& n4 ]1 C
二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想
8 m" |- D0 P2 e- @. `9 }$ K8 o! v$ [9 _0 E
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。
2 n4 q. ~# t* v! E1 O0 M6 W2 ~
; H% X: B4 x+ P H: y' B$ h 模拟退火算法描述:4 a9 M: x% x% O
' i$ g% Z+ R1 O& c" b
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& ^4 a- W& O# L9 f& `
6 r1 O% m: V7 N* K6 f9 c
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)
( `# R- |1 \! L" I1 w" t+ T5 K1 _& ?7 a6 ~3 k- ?0 @0 i3 o
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。
4 Q3 d6 b0 ]0 E- @4 I$ l/ Z5 ]7 N% m+ e* H- L# B$ r
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:
9 _4 R. H j' H# |- ^
1 r; F3 P1 y; X4 N P(dE) = exp( dE/(kT) )
9 m8 H# Z, }" q$ g" j! \' U! x
" ]& ~* T' j' d/ Y) \ 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) 。
9 ^* Y* B5 S, d: u* K5 F: R9 l/ Y* s1 C1 v
随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。
% [% D) l& Q) T! {+ y1 C3 W9 q- V+ p. e) {8 X
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。
6 d+ T2 r. V; M5 @3 k0 N# i% q& _# ^' n2 L3 L/ b
关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:
5 m' Z! i! F2 t* D* H& B7 g- m4 n. c4 D* V$ g; ^5 y
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。
9 B0 m/ D$ O* U
$ K, N' S% L& I0 Z8 s 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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