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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。3 U& n1 _; R' ~; u& A2 |+ d
! r8 g0 L/ o. n7 G; k1 z# W% l
模拟退火算法5 J- d* |( M9 W
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。 8 E4 N0 B! H4 Z6 C2 m! |2 _' i
3.5.1 模拟退火算法的模型( A( p" [5 O+ X& d
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。
3 O' E! y% L: P( X7 _ 模拟退火的基本思想:, x" ?; G5 n0 t4 |% n, n" v
(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/ M7 B3 H+ q4 v6 b: K8 @6 k
(2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:5 x! \2 l/ t. o
(3) 产生新解S′
% E0 g0 j1 C2 M0 Y+ z/ w (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数
! ~8 m9 T( v' s (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.
% c: j, ]8 S& U, e' Z& p( Y (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。& E8 |& g* Z* a1 `
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。; s8 M0 S$ [! w
(7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。
( z' e$ Q5 Q* ?) L: e算法对应动态演示图: J0 u; |' a. U F" G% h
模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤: j7 D. u9 ~6 Z6 @5 |
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。2 \1 }, p. }6 U# G: I/ ]& ?/ B
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。
) x, f/ C2 Q6 @4 Z' i j 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。; [" ^9 f# n$ z- a! b
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。9 o- U2 A' z8 v8 [. d
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。
& ~2 u( h4 A+ m S; P2 f e J- E4 k( S1 B2 A
5 W2 n0 x6 O: ~3 \$ \" n模拟退火算法的简单应用3 Z$ |, u! F0 {" s3 L
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.。$ N3 C! w! F2 _$ Q( d
求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:+ {: d% l7 n( }2 p
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)
% M1 o7 L, I( @$ C i# ~$ k! [6 m$ p. p 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: ( C5 B% S; ?. l% {
$ s8 V H, D- F: D4 ~0 U6 n
我们要求此代价函数的最小值。
3 ` G; o$ m7 y3 ]- O f# G9 B 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
. }: e1 J6 {8 J# R( T (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
a Q! \5 P6 n7 ]4 [7 Z0 b5 Z 变为:
# b3 x; R" [# q. z' M5 A- _- [6 r( n (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).( _" f) m; r& ?7 G2 k, Y
如果是k>m,则将
* F% K+ c( L' P' i: }) ^ X (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn). I @* k4 q. l- j; [* _; Q
变为:
8 e# V; R1 n9 t, a (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
6 c8 A2 [% f; j+ K- g! J 上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。. g y) l4 J2 T! i, b
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。 ' I2 L' x+ s! }7 ^0 z
代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为:
: {) R" l- {% m. J1 ~% ?, b7 r' f6 ~1 V' `! }" w
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:3 j& b, @. F1 a+ G: V y! K& z
Procedure TSPSA:
; d" f6 Y7 K, A. ?/ S begin & k6 T7 K- Y+ v! p M" k2 j
init-of-T; { T为初始温度}
1 a2 [$ t% B- K- \. Y S={1,……,n}; {S为初始值}
, L6 t5 K% z. k& U0 y! Y termination=false;
. B1 r( H v- @) C: u: g) ] while termination=false
) i2 c" ]$ d! `; u/ u begin
' J. v" B+ r0 u* c3 h for i=1 to L do
2 r; I; l, k: ? begin) ~& T: h& g2 M) ?2 Q7 W6 `9 J% N
generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}
7 T h' U' L7 [' e/ G; q; ^1 N Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}
4 d9 ^8 A7 H) G; d- y, ~ H4 h ] IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])
0 ^+ {# ?6 [- g' H8 z. | S=S′;3 A+ C4 i5 S" F9 i/ H; i
IF the-halt-condition-is-TRUE THEN 1 c [/ B- z6 n: G
termination=true;6 @7 c) r: ?5 m) p8 g
End;( Q% j3 G* t( W0 w) ~
T_lower;$ \) i: c, W4 `) u
End;4 p3 ^9 t3 q- \8 i/ E
End
$ E. V! X% l4 K4 R/ \ 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。
% b% U1 K) T& L( L8 H. ]
6 o- [2 X8 x. h& \' _1 `) L% x6 N2 M) r8 g/ A
模拟退火算法的参数控制问题
$ Y$ I2 ^1 K5 l5 D w [( h: u 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:& v* S$ Y& u+ j; X4 F* j
(1) 温度T的初始值设置问题。% F% R5 m! e; V) ?
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。
: J% b; [+ l5 n o/ @/ X! n! ` (2) 退火速度问题。9 _6 Y" ^+ Q+ p( C" A- L; [3 q0 @5 h
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 S6 }( ?6 I: V+ t9 \
(3) 温度管理问题。
/ J; X. o2 ?5 c* d 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:
+ o1 O- T; I4 ?- s: O
' R9 q( a0 l4 Y" l- h9 wT(t+1)=k×T(t)" i, r8 X, n" U7 U, T, e- ]1 a
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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