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升级   37.89% TA的每日心情 | 郁闷 2012-2-15 14:23 |
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签到天数: 4 天 [LV.2]偶尔看看I
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刚下载的。觉得没有必要做附件,直接贴出来共享。不过还是感谢之前的分享着。
4 P5 o3 I+ [# i+ g2 q7 f5 G+ h5 c# O( t" t! _
模拟退火算法
" \6 s8 d3 H V- }1 @; }, k 模拟退火算法来源于固体退火原理,将固体加温至充分高,再让其徐徐冷却,加温时,固体内部粒子随温升变为无序状,内能增大,而徐徐冷却时粒子渐趋有序,在每个温度都达到平衡态,最后在常温时达到基态,内能减为最小。根据Metropolis准则,粒子在温度T时趋于平衡的概率为e-ΔE/(kT),其中E为温度T时的内能,ΔE为其改变量,k为Boltzmann常数。用固体退火模拟组合优化问题,将内能E模拟为目标函数值f,温度T演化成控制参数t,即得到解组合优化问题的模拟退火算法:由初始解i和控制参数初值t开始,对当前解重复“产生新解→计算目标函数差→接受或舍弃”的迭代,并逐步衰减t值,算法终止时的当前解即为所得近似最优解,这是基于蒙特卡罗迭代求解法的一种启发式随机搜索过程。退火过程由冷却进度表(Cooling Schedule)控制,包括控制参数的初值t及其衰减因子Δt、每个t值时的迭代次数L和停止条件S。
7 c3 }+ F/ [- c# s6 W4 }( t i3.5.1 模拟退火算法的模型
H$ G0 `7 n5 O& C) g 模拟退火算法可以分解为解空间、目标函数和初始解三部分。6 H" b5 {+ k) f
模拟退火的基本思想:
% U7 v+ Z, v H' v6 y# ~ w (1) 初始化:初始温度T(充分大),初始解状态S(是算法迭代的起点), 每个T值的迭代次数L( s+ k, [. \5 y& J4 ?# q6 r, M4 M
(2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
. ~% i. h0 N, P1 Q) S (3) 产生新解S′% a/ u: U9 `9 E9 V/ z
(4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数
6 n* y* U3 S& Q) l5 ? k; e/ G4 Y; z (5) 若Δt′<0则接受S′作为新的当前解,否则以概率exp(-Δt′/T)接受S′作为新的当前解.: M* c$ B/ Q/ L: }5 a2 K: z
(6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。
! s- [6 H, O9 v7 Z8 I% t2 g# ]终止条件通常取为连续若干个新解都没有被接受时终止算法。, o5 [9 U' ~& P5 e: K/ m
(7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。
. n0 w* i8 _* Z+ s/ ]% \算法对应动态演示图:. {- M' s1 z4 O H; Q' O1 l8 f
模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:
; H$ {9 c, O0 {1 q: y6 K Q 第一步是由一个产生函数从当前解产生一个位于解空间的新解;为便于后续的计算和接受,减少算法耗时,通常选择由当前新解经过简单地变换即可产生新解的方法,如对构成新解的全部或部分元素进行置换、互换等,注意到产生新解的变换方法决定了当前新解的邻域结构,因而对冷却进度表的选取有一定的影响。; D8 \ }& \ ?4 L3 M$ J! z8 ]# U
第二步是计算与新解所对应的目标函数差。因为目标函数差仅由变换部分产生,所以目标函数差的计算最好按增量计算。事实表明,对大多数应用而言,这是计算目标函数差的最快方法。
! ]$ b$ F6 i: X" f 第三步是判断新解是否被接受,判断的依据是一个接受准则,最常用的接受准则是Metropo1is准则: 若Δt′<0则接受S′作为新的当前解S,否则以概率exp(-Δt′/T)接受S′作为新的当前解S。, X+ P5 s: k' g8 I' C
第四步是当新解被确定接受时,用新解代替当前解,这只需将当前解中对应于产生新解时的变换部分予以实现,同时修正目标函数值即可。此时,当前解实现了一次迭代。可在此基础上开始下一轮试验。而当新解被判定为舍弃时,则在原当前解的基础上继续下一轮试验。
0 x, z3 U+ u, Q% J6 Q0 t) J 模拟退火算法与初始值无关,算法求得的解与初始解状态S(是算法迭代的起点)无关;模拟退火算法具有渐近收敛性,已在理论上被证明是一种以概率l 收敛于全局最优解的全局优化算法;模拟退火算法具有并行性。 I" `2 j( f0 d, a) H' C
3 x" K! c4 A5 y; H7 \) X5 t
5 l, B) J7 ^. X7 K- K模拟退火算法的简单应用
" }$ T0 @3 M% b+ H2 g& ~ 作为模拟退火算法应用,讨论货郎担问题(Travelling Salesman Problem,简记为TSP):设有n个城市,用数码1,…,n代表。城市i和城市j之间的距离为d(i,j) i, j=1,…,n.TSP问题是要找遍访每个域市恰好一次的一条回路,且其路径总长度为最短.。
2 Z5 Z8 m/ F' d: s7 w6 r 求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:
4 \' z1 m4 J5 T! ^- k 解空间 解空间S是遍访每个城市恰好一次的所有回路,是{1,……,n}的所有循环排列的集合,S中的成员记为(w1,w2 ,……,wn),并记wn+1= w1。初始解可选为(1,……,n)5 w# c; C) w. m+ p: \3 e. A
目标函数 此时的目标函数即为访问所有城市的路径总长度或称为代价函数:
: D6 n2 H! j# i: Y( @+ j& I% I0 C0 @" a" B7 i9 Q
我们要求此代价函数的最小值。0 z& i$ q5 N6 {- L" [# c6 S
新解的产生 随机产生1和n之间的两相异数k和m,若k<m,则将, ^/ B4 H3 x& A" `: |
(w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
7 k6 T8 g& X1 | 变为:7 f% U- W$ y2 s) F% v
(w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).- n8 E% L) G3 d. ?/ W7 s- a1 p
如果是k>m,则将% d2 y0 B. z% X2 J
(w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
' D- v/ @0 e5 b- X4 u# F 变为:
4 u* [* o0 P- ?9 i9 b, V3 H; S (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
% J& S- Y) p2 L) q& D0 C, i7 N e) H 上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。
0 I- k: E; M$ o 也可以采用其他的变换方法,有些变换有独特的优越性,有时也将它们交替使用,得到一种更好方法。
0 S8 S n9 J0 i6 |- u$ m 代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为: 7 l4 ` U: [6 a* z7 u2 Y O
$ G$ _# b+ m. e0 x3 v0 Y
根据上述分析,可写出用模拟退火算法求解TSP问题的伪程序:# a1 P" ^0 ?: k
Procedure TSPSA:! E2 [0 {2 o6 k s
begin # k/ ?8 m# u# G( M
init-of-T; { T为初始温度}1 \! B. j7 G! b6 B' g+ Y+ k
S={1,……,n}; {S为初始值}
/ n: P, }% k4 f. H! m termination=false;! a, s& p3 f6 ~3 H8 @& T- m! E
while termination=false
, H$ P B# L, |( v begin
, ^( N7 s$ o: G* V! T for i=1 to L do' b" |- N/ p# o, `! s0 R3 S6 {
begin
7 G# E" [/ n/ S& | generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}
+ ?( f A, \. Z8 L( z) l$ ? Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}. w t5 p, p3 g
IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])$ V3 G3 d0 w1 B' n: t
S=S′;" a% P, T3 {" R+ s: d
IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
; z4 _+ U, ~* t( } termination=true;- m0 Y# X3 O! \( T
End;
2 F/ E: |1 j8 ] T_lower;) r; [4 r- z& w, _8 M p# d$ E6 |
End;% I# P/ m& D" @9 {, G
End
G# O9 x, e7 `0 }, A: ~2 K- X 模拟退火算法的应用很广泛,可以较高的效率求解最大截问题(Max Cut Problem)、0-1背包问题(Zero One Knapsack Problem)、图着色问题(Graph Colouring Problem)、调度问题(Scheduling Problem)等等。
. m( }* }$ T* W/ t9 W
8 _0 Z- D2 t2 Y1 e0 u- {- A' V; w# P T8 E4 _+ q% J
模拟退火算法的参数控制问题
! {$ w& q I$ Y( c) J' I/ }- F N 模拟退火算法的应用很广泛,可以求解NP完全问题,但其参数难以控制,其主要问题有以下三点:
, H2 k! {" C3 J7 r0 W6 D (1) 温度T的初始值设置问题。
( d& ]+ @& }* |3 @+ s& K P6 \ 温度T的初始值设置是影响模拟退火算法全局搜索性能的重要因素之一、初始温度高,则搜索到全局最优解的可能性大,但因此要花费大量的计算时间;反之,则可节约计算时间,但全局搜索性能可能受到影响。实际应用过程中,初始温度一般需要依据实验结果进行若干次调整。7 t3 ?- X6 U8 q( g# e- Q' H
(2) 退火速度问题。* N" T) T. q! X+ Q- B
模拟退火算法的全局搜索性能也与退火速度密切相关。一般来说,同一温度下的“充分”搜索(退火)是相当必要的,但这需要计算时间。实际应用中,要针对具体问题的性质和特征设置合理的退火平衡条件。
2 }$ D3 W8 l; l0 ~+ |+ _; H (3) 温度管理问题。
( [6 u! v0 P/ r( ~$ _: o& K3 U% K 温度管理问题也是模拟退火算法难以处理的问题之一。实际应用中,由于必须考虑计算复杂度的切实可行性等问题,常采用如下所示的降温方式:
# |% ?/ z' q( |( U+ J8 N
# r6 _, e* O- _: ^& U7 A MT(t+1)=k×T(t)
% X. ~" g4 |7 C" F& ^式中k为正的略小于1.00的常数,t为降温的次数。 |
zan
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