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一. 爬山算法 ( Hill Climbing )
/ x; ` _# W$ [% D/ B# x3 `# _ e1 v2 O
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。! W# z/ V! P9 c
6 d# s7 J. z8 l8 `. k
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。- l1 R; M ^ Z4 s8 c- N* @* }
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?0 O! a! W+ U, A+ [. G$ b4 f( n h7 ^+ v
二. 模拟退火(SA,Simulated Annealing)思想% \3 {) | z0 Q/ k$ a0 P* m
- `1 G" k% f0 D: e* H2 B 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。
& i' B+ ?; e* ]% \- \/ @% ~- q: S7 I, I+ i0 {
模拟退火算法描述:
7 r' S( E4 K3 N7 F2 m
( ?5 i7 C, e0 S. c* v) u 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
$ J4 a5 p7 ~4 o. ~) X( s+ C6 r, Q+ b G( v, {9 r
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): N8 c. L! k. A% K h1 G- w E
9 a2 E$ f- @4 b, D
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 Q! ]8 H6 c0 n9 Y8 L2 @
/ E3 @; x# C. q6 S8 B
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:
- D- ]0 K8 P, w5 c) ]+ n+ d; c8 \, N( j" M) i) i
P(dE) = exp( dE/(kT) )
# ]6 n1 \, Q) l) @8 a0 {6 d- l0 p( ]" {0 h* v) 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) 。
6 a2 H* ~0 Q T! P/ z3 ~$ R @, o" F u
随着温度T的降低,P(dE)会逐渐降低。+ [' o/ y2 M, y( Z
/ {4 W8 r# y$ a5 u' D/ c
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。
7 b' k5 n$ n7 N3 w
$ m* ?9 ^1 K# J. G9 R 关于爬山算法与模拟退火,有一个有趣的比喻:! ] L0 C& E# N3 \" S* n
/ a9 D' b* u/ N7 L( T) y8 n C
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。. Y! a, N2 r0 q: b5 c$ K- H4 r% X6 p0 Y
, m! \0 K! B- ~! ?/ t, } 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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