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大白話解析模擬退火算法 Posted on

優(yōu)化算法入門系列文章目錄（更新中）：

　　1. 模擬退火算法

　　2. 遺傳算法

一. 爬山算法 ( Hill Climbing )

         介紹模擬退火前，先介紹爬山算法。爬山算法是一種簡單的貪心搜索算法，該算法每次從當(dāng)前解的臨近解空間中選擇一個(gè)最優(yōu)解作為當(dāng)前解，直到達(dá)到一個(gè)局部最優(yōu)解。

         爬山算法實(shí)現(xiàn)很簡單，其主要缺點(diǎn)是會(huì)陷入局部最優(yōu)解，而不一定能搜索到全局最優(yōu)解。如圖1所示：假設(shè)C點(diǎn)為當(dāng)前解，爬山算法搜索到A點(diǎn)這個(gè)局部最優(yōu)解就會(huì)停止搜索，因?yàn)樵贏點(diǎn)無論向那個(gè)方向小幅度移動(dòng)都不能得到更優(yōu)的解。

圖1

二. 模擬退火(SA,Simulated Annealing)思想

         爬山法是完完全全的貪心法，每次都鼠目寸光的選擇一個(gè)當(dāng)前最優(yōu)解，因此只能搜索到局部的最優(yōu)值。模擬退火其實(shí)也是一種貪心算法，但是它的搜索過程引入了隨機(jī)因素。模擬退火算法以一定的概率來接受一個(gè)比當(dāng)前解要差的解，，因此有可能會(huì)跳出這個(gè)局部的最優(yōu)解，達(dá)到全局的最優(yōu)解。以圖1為例，模擬退火算法在搜索到局部最優(yōu)解A后，會(huì)以一定的概率接受到E的移動(dòng)。也許經(jīng)過幾次這樣的不是局部最優(yōu)的移動(dòng)后會(huì)到達(dá)D點(diǎn)，于是就跳出了局部最大值A(chǔ)。

         模擬退火算法描述：

         若J( Y(i+1) )>= J( Y(i) )  (即移動(dòng)后得到更優(yōu)解)，則總是接受該移動(dòng)

         若J( Y(i+1) )< J( Y(i) )  (即移動(dòng)后的解比當(dāng)前解要差)，則以一定的概率接受移動(dòng)，而且這個(gè)概率隨著時(shí)間推移逐漸降低（逐漸降低才能趨向穩(wěn)定）

　　這里的“一定的概率”的計(jì)算參考了金屬冶煉的退火過程，這也是模擬退火算法名稱的由來。

　　根據(jù)熱力學(xué)的原理，在溫度為T時(shí)，出現(xiàn)能量差為dE的降溫的概率為P(dE)，表示為：

　　　　P(dE) = exp( dE/(kT) )

　　其中k是一個(gè)常數(shù)，exp表示自然指數(shù)，且dE<0。這條公式說白了就是：溫度越高，出現(xiàn)一次能量差為dE的降溫的概率就越大；溫度越低，則出現(xiàn)降溫的概率就越小。又由于dE總是小于0（否則就不叫退火了），因此dE/kT < 0 ，所以P(dE)的函數(shù)取值范圍是(0,1) 。

　　隨著溫度T的降低，P(dE)會(huì)逐漸降低。

　　我們將一次向較差解的移動(dòng)看做一次溫度跳變過程，我們以概率P(dE)來接受這樣的移動(dòng)。

　　關(guān)于爬山算法與模擬退火，有一個(gè)有趣的比喻：

　　爬山算法：兔子朝著比現(xiàn)在高的地方跳去。它找到了不遠(yuǎn)處的最高山峰。但是這座山不一定是珠穆朗瑪峰。這就是爬山算法，它不能保證局部最優(yōu)值就是全局最優(yōu)值。

　　模擬退火：兔子喝醉了。它隨機(jī)地跳了很長時(shí)間。這期間，它可能走向高處，也可能踏入平地。但是，它漸漸清醒了并朝最高方向跳去。這就是模擬退火。

下面給出模擬退火的偽代碼表示。

三. 模擬退火算法偽代碼

代碼

四. 使用模擬退火算法解決旅行商問題

　　旅行商問題 ( TSP , Traveling Salesman Problem ) ：有N個(gè)城市，要求從其中某個(gè)問題出發(fā)，唯一遍歷所有城市，再回到出發(fā)的城市，求最短的路線。

　　旅行商問題屬于所謂的NP完全問題，精確的解決TSP只能通過窮舉所有的路徑組合，其時(shí)間復(fù)雜度是O(N!) 。

　　使用模擬退火算法可以比較快的求出TSP的一條近似最優(yōu)路徑。（使用遺傳算法也是可以的，我將在下一篇文章中介紹）模擬退火解決TSP的思路：

1. 產(chǎn)生一條新的遍歷路徑P(i+1)，計(jì)算路徑P(i+1)的長度L( P(i+1) )

2. 若L(P(i+1)) < L(P(i))，則接受P(i+1)為新的路徑，否則以模擬退火的那個(gè)概率接受P(i+1) ，然后降溫

3. 重復(fù)步驟1，2直到滿足退出條件

　　產(chǎn)生新的遍歷路徑的方法有很多，下面列舉其中3種：

1. 隨機(jī)選擇2個(gè)節(jié)點(diǎn)，交換路徑中的這2個(gè)節(jié)點(diǎn)的順序。

2. 隨機(jī)選擇2個(gè)節(jié)點(diǎn)，將路徑中這2個(gè)節(jié)點(diǎn)間的節(jié)點(diǎn)順序逆轉(zhuǎn)。

3. 隨機(jī)選擇3個(gè)節(jié)點(diǎn)m，n，k，然后將節(jié)點(diǎn)m與n間的節(jié)點(diǎn)移位到節(jié)點(diǎn)k后面。

五. 算法評(píng)價(jià)

        模擬退火算法是一種隨機(jī)算法，并不一定能找到全局的最優(yōu)解，可以比較快的找到問題的近似最優(yōu)解。 如果參數(shù)設(shè)置得當(dāng)，模擬退火算法搜索效率比窮舉法要高。

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