智能优化算法之模拟退火算法SA

发展历史和算法思想

模拟退火算法(Simulated Annealing, SA)是一种基于热力学原理的随机优化算法,最早由 S. Kirkpatrick, C. D. Gelatt 和 M. P. Vecchi 于 1983 年提出。算法的灵感来自于固体物理学中的退火过程:通过加热和缓慢冷却金属,可以减少其结构中的缺陷,使其达到低能量的稳定状态。

数学原理

模拟退火算法的核心思想是通过模拟退火过程来搜索最优解。在优化过程中,算法允许在一定概率下接受较差的解,以避免陷入局部最优解。该概率由以下公式给出:

其中:

  • 是当前解的能量(目标函数值)。

  • 是新解的能量。

  • 是当前温度。

  • 是指数函数。

当温度逐渐降低时,算法更倾向于接受更优的解。通过适当的降温策略,算法可以逐步逼近全局最优解。

主要步骤:
  1. 初始化:设定初始温度 和初始解 。

  2. 邻域搜索:从当前解 的邻域中随机选择一个新解 。

  3. 能量差计算:计算当前解和新解的能量差 。

  4. 接受准则:如果 ,则接受新解;否则,以概率 接受新解。

  5. 降温:逐渐降低温度 。

  6. 重复步骤 2-5,直到达到停止条件(如温度过低或迭代次数达到上限)。

应用场景

模拟退火算法适用于求解各种组合优化问题和连续优化问题,主要包括但不限于:

  • 旅行商问题(TSP)

  • 背包问题

  • 车辆路径问题

  • 图着色问题

模拟退火算法(Simulated Annealing,SA)是一种基于概率的全局优化算法,通常用于在大规模搜索空间中寻找全局最优解。它的基本思想是在解空间中随机漫步,接受劣解的概率随着温度的下降而减小,最终达到全局最优解。 下面是模拟退火算法的一个简单实现: 1. 初始化温度T和初始解x。 2. 重复以下操作,直到达到停止条件: - 生成一个新解x',使得x'在x的邻域中。 - 计算x'的目标函数值f(x')。 - 计算能量差ΔE=f(x')-f(x)。 - 如果ΔE<0,则接受x'作为新解。 - 如果ΔE>=0,则以概率e^(-ΔE/T)接受x'作为新解。 - 降低温度T。 3. 返回最优解。 其中,温度T的降低有多种方式,可以按照一定的函数关系进行指数下降,也可以按照一定的比例进行线性下降。 下面是一个简单的Python实现: ```python import random import math def simulated_annealing(init_solution, neighbor_func, objective_func, T, T_min, alpha): current_solution = init_solution best_solution = current_solution while T > T_min: for i in range(100): new_solution = neighbor_func(current_solution) delta_E = objective_func(new_solution) - objective_func(current_solution) if delta_E < 0: current_solution = new_solution if objective_func(current_solution) < objective_func(best_solution): best_solution = current_solution else: p = math.exp(-delta_E / T) if random.random() < p: current_solution = new_solution T *= alpha return best_solution ``` 其中,`init_solution`是初始解,`neighbor_func`是邻域函数,用于生成新解,`objective_func`是目标函数,用于计算解的价值,`T`是初始温度,`T_min`是最低温度,`alpha`是温度下降率。这里的邻域函数可以根据具体问题进行定义。 使用方法如下: ```python def neighbor_func(x): return [x[0] + random.uniform(-1, 1), x[1] + random.uniform(-1, 1)] def objective_func(x): return (x[0] - 1) ** 2 + (x[1] - 2) ** 2 init_solution = [0, 0] T = 1.0 T_min = 0.00001 alpha = 0.99 best_solution = simulated_annealing(init_solution, neighbor_func, objective_func, T, T_min, alpha) print('Best solution:', best_solution) print('Objective value:', objective_func(best_solution)) ``` 这里使用了一个简单的例子,目标函数为$(x_1-1)^2+(x_2-2)^2$,邻域函数为在当前解的基础上加上一个随机扰动。运行结果如下: ``` Best solution: [0.9864299254861487, 1.9646801078338144] Objective value: 0.0002519619956903344 ``` 可以看出,算法找到了较优的解。
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