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爬山法：局部寻优搜索算法

爬山法：局部寻优搜索算法
爬山法：局部寻优搜索算法

爬山法：局部寻优搜索算法

遗传算法是优秀的全局优化算法，爬山法是一种局部寻优效果较好的搜索算法。

简单的来说，就在在一个初始目标位置附近，随机搜索看是否存在符合最终期望目标的位置。有的话就替换原初始目标位置，然后在重复搜索，直到随机搜索一定次数后，都没有更好的目标位置为止。

专业一点的说法是这样：

首先在搜索空间随机选取一点作为进行迭代的初始点，然后在其邻域内随机产生一点，计算其函数值，若该点函数值优于当前点，则用当前点替换初始点作为新的初始点继续在邻域内搜索，否则继续在邻域随机产生另一个点与初始点进行比较，直到找到比其优秀一点或连续几次都找不到比其优秀的点则终止搜索过程。

举个例子：

A国部队进行战事训练，你作为其中一名优秀的狙击手，黑夜中，你被空降到一个山地中，现在你需要占据制高点，我们设定制高点是峰顶位置。现在你手上唯一的武器就是一把狙击枪和一个海拔仪。那么怎么在短时间内快速找到最近的制高点呢？你灵机一动一动动，想到了“爬山法”，于是你在距离当前降落位置A点的20米的东（A1）南（A2）西（A3）北（A4）四个方向上分别测试了海拔高度，选择其中海拔最大的位置（假设是东边的位置A1），这个时候，你在达到东边这个位置A1后，又测量了东南北三个方向相距A1点20米（这个20米称为步长）的位置（西边不用测量，因为你是从上一个A是在A1的西边），在进行确定往那个方向前进，在不断重复之后，当你发现其他方向的海拔都低于你这个位置的海拔的时候，你就可以认为，你当前处于至少在局部范围内是最好的制高点了。这个时候，你看了一下表，用时3分钟，然后便开始伏地探测搜寻Target准备狙击了。

爬山法在处理单峰问题时可以快速收敛到局部最优点，但是多峰值问题有多个峰值点，用爬山法只能找到多个局部最优点之中的一个，不一定是全局最优点，因此将无法确定全局最优点。尽管爬山法不能进行全局寻优，但是爬山法有传统的优化算法不具有的优势，就是爬山法可以处理不可微的单峰函数，因为爬山法通过在邻域内随机产生个体进行优化，不需要利用梯度，所以爬山法可以在遗传算法处理复杂问题时发挥局部寻优作用。

第4章续 多变量寻优方法

4.4：梯度法 解析法（间接法）：在确定搜索方向时，需要计算目标函数导数的方法。 梯度法，共轭梯度法，变尺度法，牛顿法。 ● 方法 又称最速下降法，它是在n X 点附近沿负梯度方向一维搜索，并按负梯度方向逐步进行寻优的方法。最简单最基本的无约束优化问题方法 ● 收敛性判别准则 给定允许误差0>ε，如果)(k x k X f p -=满足 ε≤k p 则搜索停止，从而得到问题的近似解。 ● 迭代步骤 1：取初始点0 X ，梯度模的允许误差ε，最大迭代次数MAXI ，令k =0； 2：计算梯度 )(k x k X f p -= 3：检验是否满足收敛性判别准则 ε≤k p 若满足，则迭代停止，得到k X X ≈min ；否则进行4 4：求单变量极值问题的最优解k λ )()(0 k k k k k p X f p X f Min λλλ+=+> 5：令k k k k p X X λ+=+1 6：判断是否满足 ε? ≤-+) ()(1k k X f X f ) (0.1)(0.10.1)(k k k X f X f X f =≥=

若满足，则迭代停止（非正常），取k X X ≈min ，否则转向2 ● 迭代框图 ● 优点 程序简单，计算机实现起来容易。对起始点要求也不甚严格，即使从一个较差的初始点出发，一般也能收敛到极小点。 ● 缺点

在极小点附近收敛得很慢，对于目标函数而言，在起始点远离极小点时，开头几步下降较快，到了极值点时，下降便开始变缓慢，甚至在极小点附近出现来回摆动的情况。 它的收敛快慢与变量尺度关系很大。 2221)(x x X f += 一次迭代 [0,0] 22 219)(x x X f += 十次迭代 ]10165.6,10276.5[66--?? 对于小扰动会出现不稳定。舍入误差或者一维搜索步长的确定不准确，带来小扰动，这 些小扰动在个别情况下甚至可能使实际下降方向与理论下降方向成正交的荒谬结论，破坏了方法的收敛性。 4.5：共轭梯度法（FR 法） 找到某一个方向的共轭方向，可以一步直接达极值点。 ● 计算方法 正定二次函数X Z CX X X f T T += 2 1)(，C 为n n ?对称正定阵。 若n p p ,,1 为任意一组C 的共轭向量，则由任意初始点1 X 出发，按如下格式迭代 )()(k k k k k p X f p X f Min λλλ +=+ n k p X X k k k k ,,11 =+=+λ 则至多迭代n 步即收敛。 ● 找共轭方向 取1 X 处的目标函数负梯度方向作为第一个搜索方向 )(1)1(1X f g p x -=-= 然后沿着1p 方向作一维搜索 )()(11111p X f p X f Min λλ+=+ 由此得到一个新的点2 X ，并计算出相应的梯度方向 1112p X X λ+= )(2)2(X f g x = 因为梯度方向和前一搜索方向在1λ处正交 0)()()()2()1(21=-=-g g X f X f T x T x 为了在) 1(g 和) 2(g 构成的正交系中寻求共轭方向2 p ，令

动态路径优化算法及相关技术

》本文对在GIS（地理信息系统）环境下求解动态路径优化算法及相关技术 进行了研究。最短路径问题是网络分析中的基本的问题，它作为许多领域中选择 最优值的一个基本却又是一个十分重要的问题。特别是在交通诱导系统中占有重 要地位。本文分析了GIS环境下动态路径优化算法的特点，对GIS环境下城市 路网的最优路径选择问题的关键技术进行了研究和验证。 》考虑现实世界中随着城市路网规模的日益增大和复杂程度不断增加的情况，充分利用GIS 的特点，探讨了通过限制搜索区域求解最短路径的策略，大大减少了搜索的时间。 》另一方面，计算机技术的进步，地理信息系统(GIS)得到了飞速的发展。地理信息系统是采集、存储、管理、检索、分析和描述整个或部分地球表面与空间地理分布数据的空间信息系统。它是一种能把图形管理系统和数据管理系统有机地结合起来的信息技术，既管理对象的位置又管理对象的其它属性，而且位置和其它属性是自动关联的。它最基本的功能是将分散收集到的各种空间、非空间信息输入到计算机中，建立起有相互联系的数据库。当外界情况发生变化时，只要更改局部的数据，就可维持数据库的有效性和现实性[3][4]，GIS为动态路径优化问题的研究提供了良好的环境。目前GIS带动的产业急剧膨胀，已经应用到各个方面。网络分析作为地理信息系统最主要的功能之一，在电子导航、交通旅游、城市规划以及电力、通讯等各种管网、管线的布局设计中发挥了重要的作用[5]。文献[6][7]说明了GIS 在城市道路网中的应用情况。而路网分析中基本问题之一是动态路径优化问题。所谓动态路径，不仅仅指一般地理意义上的距离最短，还可以应用到其他的参数，如时间、费用、流量等。相应的，动态路径问题就成为最快路径问题、最低费用问题等。 》GIS因为其强大的数据分析功能、空间分析功能,已被广泛应用于各种系统中与空间信息有密切关系的各个方面.各种在实际中的系统如电力系统，光缆系统涉及到最佳、最短抢修等问题都可以折合到交通网络中来进行分析，故而交通网络中最短路径算法就可以广泛的应用于其它很多的最佳、最短抢修或者报警系统中去[5]。最短路径问题是GIS网络分析功能的应用。最短路径问题可分为单源最短路径问题及所有节点间最短路径问题，其中单源最短路径更具有普遍意义[9]。 》2.1地理信息系统的概念 地理信息系统（Geographical Information System,简称GIS）是一种将空间位置信息和属性数据结合在一起的系统，是一种为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统（1998年，美国国家地理信息与分析中心定义）[4]。这里的空间定位数据是指采用不同方式的遥感和非遥感手段所获得的数据，它有多种数据类型，包括地图、遥感、统计数据等，它们的共同特点都有确定的空间位置。地理信息系统的处理对象是空间实体，其处理过程正是依据空间实体的空间位置和空间关系进行的[25]。地理信息系统的外在表现为计算机软硬件系统，其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。当具有一定地理学知识的用户使用地理空间分析非空间分析等处理工具输入输出GIS数据库信息系统时，他所面对的数据不再是毫无意义的，而是把客观世界抽象为模型化的空间数据。用户可以按照应用的目的观测这个现实世界模型的各个方面的内容，取得自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策，这就是地理信息系统的意义。一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统，从视觉、计量和逻辑上对地理系统在功能上进行模拟，信息流动以及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真。地理学家可以在地理信息系统支持下提取地理系统各个不同侧面、不同层次的空间和时间特征，也可以快速地模拟自然过程演变成思维过程的结果，取得地理预测或“实验”的结果，选择优化方案，用于管理与决策[26]。 一个完整的GIS主要有四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据（或空间数据）和系统管理操作人员。其核心部分是计算机系统（硬件和软件），地理数据反映

粒子群寻优算法及案例说明

《智能优化算法》作业之粒子群算法寻优 PSO 算法首先在可行解空间中初始化一群粒子，每个粒子都代表极值优化问题的一个潜在最优解，用位置、速度和适应度值三项指标表示该粒子特征，适应度值由适应度函数计算得到，其值的好坏表示粒子的优劣。PSO 算法初始化为一群随机粒子后，会得到相应的随机解，然后通过迭代找到最优解。在每一次迭代中，粒子通过跟踪两个极值来更新自己：第一个就是粒子本身所找到的最优解，这个解称为个体极值;另一个就是整个种群目前找到的最优解，这个极值是全局极值。 在每次迭代过程中，粒子通过个体极值和群体极值更新自身的速度和位置，即 111()()k k k k k k id id id id gd id V wV c r P X cr P X +=+-+- （1） 11k k k id id id X X V ++=+ （2） 其中，w 为惯性权重，d 为空间维数，1,2,,;1,2,,;d D i n == k 为当前迭代次数；id V 为粒子的速度；1c 和2c 是非负的常数，称为加速度因子；1r 和2r 是分布于[0,1] 区间的随机数。为防止粒子的盲目搜索，一般建议将其位置和速度限制在一定的区间max max [,]X X - ， max max [,]V V -。 在速度更新的公式（1）中有三部分组成：第一部分为惯性或动量部分，反映了粒子运动习惯，代表粒子有维持自己先前速度的趋势；第二部分为认知部分，反映了粒子对自身历史经验的记忆或回忆，代表粒子有向自身历史最佳位置逼近的趋势；第三部分为社会部分，反映了粒子间协同合作与知识共享的群体历史经验，代表粒子有向群体或邻域历史最佳位置逼近的趋势 。 惯性权重，它使粒子保持运动惯性，使其扩展搜索空间的趋势，有能力搜索新的区域。它可以取一常数作为固定的权重值，也可以取一个函数作为在迭代过程中改变的权重值，通常用线性递减的惯性权重。在算法初期，全局搜索能力较强，如果找不到最优值的位置，随着权重值的减少，局部搜索能力加强，容易陷入局部极值，然而选取步长较小的线性递减惯性权重，权重的变化幅度较小，不易陷入局部最优。关于步长的大小变化对结果的影响可以在后面的程序结果中比较得到 PSO 算法的优势是采用实数编码，不需要像遗传算法一样采用二进制编码。 下面用PSO 算法来寻找非线性函数 22()10cos(2)10cos(2)20f x x y x y ππ=+--+ 的极小值 一、适应度函数代码如下： function y = fun(x) %函数用于计算粒子适应度值 %x input 输入粒子 %y output 粒子适应度值 y=x(1).^2+x(2).^2-10*cos(2*pi*x(1))-10*cos(2*pi*x(2))+20; %适应度函数取的是函数本身。 二、画出所求函数图像，估计最优极值及其位置，以此来验证所求结果的准确性 clear,clc,close all; %% rastrigrin function [x,y]=meshgrid(-5:0.1:5,-5:0.1:5); z=x.^2+y.^2-10*cos(2*pi*x)-10*cos(2*pi*y)+20; mesh(x,y,z)

路径优化的算法

摘要 供货小车的路径优化是企业降低成本,提高经济效益的有效手段,供货小车路径优化问题可以看成是一类车辆路径优化问题。 本文对供货小车路径优化问题进行研究，提出了一种解决带单行道约束的车辆路径优化问题的方法。首先，建立了供货小车路径优化问题的数学模型，介绍了图论中最短路径的算法—Floyd算法，并考虑单行道的约束，利用该算法求得任意两点间最短距离以及到达路径，从而将问题转化为TSP问题，利用遗传算法得到带单行道约束下的优化送货路线，并且以柳州市某区域道路为实验，然后仿真，结果表明该方法能得到较好的优化效果。最后对基本遗传算法采用优先策略进行改进，再对同一个供货小车路径网进行实验仿真，分析仿真结果，表明改进遗传算法比基本遗传算法能比较快地得到令人满意的优化效果。 关键字:路径优化遗传算法 Floyd算法

Abstract The Path Optimization of Goods Supply Car is the effective way to reduce business costs and enhance economic efficiency.The problem of the Path Optimization of Goods Supply Car can be seen as Vehicle routing proble. This paper presents a solution to Vehicle routing proble with Single direction road by Researching the Way of Path Optimization of Goods Supply Car. First, This paper Establish the mathematics model of Vehicle routing proble and introduced the shortest path algorithm-Floyd algorithm, then taking the Single direction road into account at the same time. Seeking the shortest distance between any two points and landing path by this algorithm,then turn this problem in to TSP. Solving this problem can get the Optimize delivery routes which with Single direction road by GA,then take some district in the state City of LiuZhou road as an example start experiment.The Imitate the true result showed that this method can be better optimize results. Finally improving the basic GA with a priority strategy,then proceed to imitate the true experiment to the same Path diagram. The result expresses the improvement the heredity calculate way ratio the basic heredity calculate way can get quickly give satisfaction of excellent turn the result. Keyword: Path Optimization genetic algorithm Floyd algorithm

约束条件下多变量函数的寻优方法

第十章约束条件下多变量函数 的寻优方法 ●将非线性规划→线性规划 ●将约束问题→无约束问题 ●将复杂问题→较简单问题 10．1约束极值问题的最优性条件 非线性规划：min f(X) h i(X)=0 (i=1,2,…,m) (10.1.1) g j(X)≥0 (j=1,2,…,l) 一、基本概念 1．起作用约束 设X(1)是问题(10.1.1)的可行点。对某g j(X)≥0而言： 或g j(X(1))=0：X(1)在该约束形成的可行域边界上。 该约束称为X(1)点的起作用约束。 或g j(X(1))＞0：X(1)不在该约束形成的可行域边界上。 该约束称为X(1)点的不起作用约束。 X(1)点的起作用约束对X(1)点的微小摄动有某种限制作用。等式约束对所有可行点都是起作用约束。

() θcos ab b a =? 2．正则点 对问题(10.1.1)，若可行点X (1)处，各起作用约束的梯度线性无关，则X (1)是约束条件的一个正则点。 3．可行方向（对约束函数而言） 用R 表示问题(10.1.1)的可行域。设X (1)是一个可行点。对某方向D 来说，若存在实数λ1>0，使对于任意λ(0<λ<λ1)均有X (1)+λD ∈R ，则称D 是点X (1)处的一个可行方向。 经推导可知，只要方向D 满足： ▽g j (X (1))T D>0 (j ∈J ) (10.1.3) 即可保证它是点X (1)的可行方向。J 是X (1)点起作用约束下标的集合。 在X (1)点，可行方向D 与各起作用约束的梯度方向的夹角为锐角 。 4．下降方向（对目标函数而言） 设X (1)是问题(10.1.1)的一个可行点。对X (1)的任一方向D 来说，若存在实数λ1>0，使对于任意λ(0<λ<λ1)均有f(X (1)+λD)

局部搜索算法

全局搜索和局部搜索. 目前使用较普遍的、有影响的 全局搜索算法主要包括主从面算法、单曲面算法、级域算法、位码算法及NBS 算法; 局部接触搜索算法主要有基于"点面算法"、基于"小球算法"、基于光滑曲面(曲线)算法三大类. 接触界面算法目前主要有拉格朗日乘子法和罚函数法,以及扰动拉氏法和增广拉氏法. 此外,接触问题的并行计算也是不可忽视的研究内容 模拟退火算法和遗传算法等是较新发展起来的算法，算法引入了随机因素，不一定能找到最优解，但一般能快速找到满意的解。 局部搜索算法是从爬山法改进而来的。 爬山法：在没有任何有关山顶的其他信息的情况下，沿着最陡的山坡向上爬。 局部搜索算法的基本思想：在搜索过程中，始终选择当前点的邻居中与离目标最近者的方向搜索。 现实问题中，f在D上往往有多个局部的极值点。一般的局部搜索算法一旦陷入局部极值点，算法就在该点处结束，这时得到的可能是一个糟糕的结果。解决的方法就是每次并不一定选择邻域内最优的点，而是依据一定的概率，从邻域内选择一个点。指标函数优的点，被选中的概率大，指标函数差的点，被选中的概率小。考虑归一化问题，使得邻域内所有点被选中的概率和为1。 一般的局部搜索算法是否能找到全局最优解，与初始点的位置有很大的依赖关系。解决的方法就是随机生成一些初始点，从每个初始点出发进行搜索，找到各自的最优解。再从这些最优解中选择一个最好的结果作为最终的结果。起始点位置影响搜索结果示意图 爬山算法

1, n := s; 2, LOOP: IF GOAL(n) THEN EXIT(SUCCESS); 3, EXPAND(n) →{mi},计算h(mi), nextn=min{h(mi)} 4, IF h(n)

毕业设计--基于量子遗传算法的函数寻优算法设计

毕业论文（设计） 题目：基于量子遗传算法的函数寻优算法设计学院：数理与信息学院 学生姓名： 专业：计算机科学与技术 班级： 指导教师： 起止日期： 2014年11月16日至2015年6月12日 2015 年5 月13日

基于量子遗传算法的函数寻优算法设计 摘要 量子遗传算法(QGA)是20世纪90年代后期兴起的一种崭新的遗传进化算法。该算法主要是将量子计算的概念引入其中，将量子的态矢量表达引入了遗传编码，使一条染色体可以表达多个信息态的叠加，同时利用量子旋转门实现染色体的演化，实现了目标解的进化。相比传统遗传算法，量子遗传算法能够在较小的种群规模下，快速的收敛到全局最优解。 本文首先介绍了量子遗传算法的基本原理与算法结构，然后对量子遗传算法提出疑问。虽然量子遗传算法的优化性能大大优于传统遗传算法，但是，对于一些多峰函数的优化问题，该类算法依旧容易陷入“局部最优”。在实际的应用中有很多优化问题都是多变量的连续优化问题，现有的量子遗传算法不能有效的解决这些问题。针对量子遗传算法容易陷入局部最优和未成熟收敛的缺陷，我们提出了一种新的优化算法——含有退火操作的量子遗传算法，该优化算法能够以可变的概率选择性地接受恶化的优化函数解，使种群解集的进化方向改变，不在依靠当前解进行遗传演化。从而使算法不易“早熟收敛”。而且在该算法中加入了全干扰的量子交叉操作，使各染色体能进行遗传信息的交换，使种群染色体更具有代表性。最后根据改进后的方案，对改进的量子遗传算法进行了数值仿真。有效地证明了改进算法在函数寻优方面的优越性。 【关键词】量子遗传算法，量子编码，退火思想，量子交叉，函数寻优

粒子群优化算法车辆路径问题

粒子群优化算法 计算车辆路径问题 摘要 粒子群优化算法中,粒子群由多个粒子组成,每个粒子的位置代表优化问题在D 维搜索空间中潜在的解。根据各自的位置,每个粒子用一个速度来决定其飞行的方向和距离,然后通过优化函数计算出一个适应度函数值(fitness)。粒子是根据如下三条原则来更新自身的状态:(1)在飞行过程中始终保持自身的惯性;(2)按自身的最优位置来改变状态;(3)按群体的最优位置来改变状态。本文主要运用运筹学中粒子群优化算法解决车辆路径问题。车辆路径问题 由Dan tzig 和Ram ser 于1959年首次提出的, 它是指对一系列发货点(或收货点) , 组成适当的行车路径, 使车辆有序地通过它们, 在满足一定约束条件的情况下, 达到一定的目标(诸如路程最短、费用最小, 耗费时间尽量少等) , 属于完全N P 问题, 在运筹、计算机、物流、管理等学科均有重要意义。粒子群算法是最近出现的一种模拟鸟群飞行的仿生算法, 有着个体数目少、计算简单、鲁棒性好等优点, 在各类多维连续空间优化问题上均取得非常好的效果。本文将PSO 应用于车辆路径问题求解中, 取得了很好的效果。 针对本题，一个中心仓库、7个需求点、中心有3辆车，容量均为1，由这三辆车向7个需求点配送货物，出发点和收车点都是中心仓库。 1233,1,7. k q q q l =====货物需求 量12345670.89,0.14,0.28,0.33,0.21,0.41,0.57g g g g g g g =======， 且 m a x i k g q ≤。利用matlab 编程，求出需求点和中心仓库、需求点之间的各 个距离，用ij c 表示。求满足需求的最小的车辆行驶路径，就是求m i n i j i j k i j k Z c x =∑∑∑。经过初始化粒子群，将初始的适应值作为每个粒子的个

局部搜索

一般认为，NP完全问题的算法复杂性是指数级的。当问题规模达到一定程度时，这些算法显得无能为力。 局部搜索算法、模拟退火算法和遗传算法等是较新发展起来的算法，算法引入了随机因素，不一定能找到最优解，但一般能快速找到满意的解。 组合优化问题举例 TSP问题 从某个城市出发，经过n个指定的城市，每个城市只能且必须经过一次，最后回到出发城市，如何安排旅行商的行走路线以使总路程最短？ 约束机器排序问题 n个加工量为di(i=1,2,… n)的产品在一台机器上加工，机器在第t个时段的工作能力为ct,完成所有产品加工的最少时段数。 指派问题 一家公司经理准备安排N名员工去完成N项任务，每人一项。由于各员工的特点不同，不同的员工去完成同一项任务时获得的回报是不同的。如何分配工作方案可以获得最大收益？ 0-1背包问题 设有一个容积为b的背包，n个体积分别为ai(i=1,2,… n),价值分别为ci (i=1,2,… n)的物品，如何以最大的价值装包？ 装箱问题

如何用个数最少的尺寸为1的箱子装进n个尺寸不超过1的物品？ SAT问题 称判定一个公式是否存在一个模型的问题为可满足性问题(以后简称为SAT 问题)。如果一个公式存在模型，则称该公式是可满足的，否则称为不可满足的。 皇后问题 在n×n的国际象棋棋盘上，摆放n个皇后，使得n个皇后之间不能相互“捕捉”？局部搜索算法 局部搜索算法是从爬山法改进而来的。 爬山法：在没有任何有关山顶的其他信息的情况下，沿着最陡的山坡向上爬。 局部搜索算法的基本思想：在搜索过程中，始终选择当前点的邻居中与离目标最近者的方向搜索。 爬山算法 1, n := s; 2, LOOP: IF GOAL(n) THEN EXIT(SUCCESS); 3, EXPAND(n) →{mi},计算h(mi), next n=min{h(mi)}

局部搜索算法源代码

# include # include # include # include using namespace std; #define SAT 3 //每个子句所含变量的个数，即定义N-SAT问题的N int **arr; //描述SAT问题的二维数组 int Var_Num; //变元个数 int Clause_Num; //子句个数 ifstream fin; ofstream fout; void Random(int *v, int *s); int Proper_Num(int *s); void Reverse(int *v,int *s, int num); void Local_Search(double &duration); void Read_And_Save(int it); int main() { srand(time(NULL)); fout.open("result50-Local_Search_Algorithm.txt"); fout << "#姓名学号" << endl; double totaltime = 0.0; for (int i = 1; i <= 10; ++i) { double duration=0.0; Read_And_Save(i); Local_Search(duration); totaltime += duration; } fout.close(); cout<<"平均时间为： "<< totaltime / 10 <<" 秒 "<

五种最优化方法

五种最优化方法 1.最优化方法概述 1.1最优化问题的分类 1）无约束和有约束条件； 2）确定性和随机性最优问题（变量是否确定）； 3）线性优化与非线性优化（目标函数和约束条件是否线性）； 4）静态规划和动态规划（解是否随时间变化）。 1.2最优化问题的一般形式（有约束条件）： min f（X） XeΩ h√X）= OJ = U1 L s.t S i（X）≥ OJ = l9‰u,m 式中f（X）称为目标函数（或求它的极小，或求它的极大），Si（X）称为不等式约束，hj（X）称为等式约束。化过程就是优选X ,使目标函数达到最优值。 2.牛顿法 2.1简介 1）解决的是无约束非线性规划问题； 2）是求解函数极值的一种方法； 3）是一种函数逼近法。 2.2原理和步骤

■1：顿法的直本思想显*在扱小点附近用-阶T吓1小多顶式近似［3标函数［'、宀进而求出极小点的估计值， 老億问题 min FWHElRl < 9i 3. 1 } 令 祕Jr） = /（√i,） +/（J iit Xx-J ut） +y∕（j't,K4T-J01 }' . 耳令 √（+f > - ∕t d时）+ j f*

第5章 带约束的寻优方法

第五章：带约束的寻优方法 ● 问题：{} ???=≥==m i X g X R x x x X X f Min i n ,,2,1,0)(|} ,,,{)(21 ● 约束函数：等式约束、不等式约束 ● 内点、外点、边界点 ● 约束非线性规划问题：方法：直接处理约束的方法：约束随机法、复合形法 线性规划去逐次逼近非线性规划问题 有约束化为无约束方法：罚函数法（外点、内点） 5.1：有约束最优化问题化为无约束最优化问题的方法（罚函数法） 附加一项修正函数（惩罚、障碍） 外点法：由外点开始寻优收敛至最优解 内点法：由内点开始寻优收敛至最优解 ● 外点法 原理 设 )(X g u i = ?? ?<∞+≥=0 00 )(u u u p 当当 则： ()∑=+=m i i X g p X f X 1 )()()(? 当R X ∈时， ()0)(1=∑=m i i X g p 当R X ?时， ()+∞=∑=m i i X g p 1 )( ()∑=m i i X g p 1 )(为惩罚项 则： {} ?? ?=≥==m i X g X R x x x X X f Min i n ,,2,1,0)(|} ,,,{)(21 )(X Min ?? 方法： ()∑=+=m i i X g p X f X 1 )()()(?，因为当+∞=)(u p 时，数据溢出，因此在其上进行改进 1：取充分大的罚因子 )(X g u i =

???<+≥=0 100 )(2 u u u u p 当当 ()∑=+=m i i X g p M X f M X 1 )()(),(? 分析：p (u )不连续，当u =0时，导数不存在。 寻优：只能用直接法，不能用方向加速法。 2：一次外点法（1-UMT ） )(X g u i = ?? ?<-≥=0 00)(u u u u p 当当 () () ∑∑==-=+=m i i m i i X g Min M X f X g p M X f M X 1 1)(,0)()()(),(? 分析：p (u )连续，但不可微。 寻优：只能用直接寻优法 3：外点罚函数法 )(X g u i = ???<≥=0 00)(2 u u u u p 当当 () ()[] ∑∑==+=+=m i i m i i X g Min M X f X g p M X f M X 1 2 1)(,0)()()(),(? 分析：p (u )连续，又可微。 寻优：可以用直接寻优法和间接寻优法。 M 的选取 取01>M ，若R M X ?)(1，说明1M 不够大 再取12M M >，若R M X ∈)(1，则停止迭代 迭代步骤： 1：取01>M ，给定允许误差0>ε，令k =1 2：求无约束问题

爬山法：局部寻优搜索算法

爬山法：局部寻优搜索算法 遗传算法是优秀的全局优化算法，爬山法是一种局部寻优效果较好的搜索算法。 简单的来说，就在在一个初始目标位置附近，随机搜索看是否存在符合最终期望目标的位置。有的话就替换原初始目标位置，然后在重复搜索，直到随机搜索一定次数后，都没有更好的目标位置为止。 专业一点的说法是这样： 首先在搜索空间随机选取一点作为进行迭代的初始点，然后在其邻域内随机产生一点，计算其函数值，若该点函数值优于当前点，则用当前点替换初始点作为新的初始点继续在邻域内搜索，否则继续在邻域随机产生另一个点与初始点进行比较，直到找到比其优秀一点或连续几次都找不到比其优秀的点则终止搜索过程。 举个例子： A国部队进行战事训练，你作为其中一名优秀的狙击手，黑夜中，你被空降到一个山地中，现在你需要占据制高点，我们设定制高点是峰顶位置。现在你手上唯一的武器就是一把狙击枪和一个海拔仪。那么怎么在短时间内快速找到最近的制高点呢？你灵机一动一动动，想到了“爬山法”，于是你在距离当前降落位置A点的20米的东（A1）南（A2）西（A3）北（A4）四个方向上分别测试了海拔高度，选择其中海拔最大的位置（假设是东边的位置A1），这个时候，你在达到东边这个位置A1后，又测量了东南北三个方向相距A1点20米（这个20米称为步长）的位置（西边不用测量，因为你是从上一个A是在A1的西边），在进行确定往那个方向前进，在不断重复之后，当你发现其他方向的海拔都低于你这个位置的海拔的时候，你就可以认为，你当前处于至少在局部范围内是最好的制高点了。这个时候，你看了一下表，用时3分钟，然后便开始伏地探测搜寻Target准备狙击了。 爬山法在处理单峰问题时可以快速收敛到局部最优点，但是多峰值问题有多个峰值点，用爬山法只能找到多个局部最优点之中的一个，不一定是全局最优点，因此将无法确定全局最优点。尽管爬山法不能进行全局寻优，但是爬山法有传统的优化算法不具有的优势，就是爬山法可以处理不可微的单峰函数，因为爬山法通过在邻域内随机产生个体进行优化，不需要利用梯度，所以爬山法可以在遗传算法处理复杂问题时发挥局部寻优作用。

2013年数学建模第一题方法总结禁忌搜索算法

禁忌搜索算法 又名“tabu搜索算法” 为了找到“全局最优解”，就不应该执着于某一个特定的区域。局部搜索的缺点就是太贪婪地对某一个局部区域以及其邻域搜索，导致一叶障目，不见泰山。禁忌搜索就是对于找到的一部分局部最优解，有意识地避开它（但不是完全隔绝），从而获得更多的搜索区间。兔子们找到了泰山，它们之中的一只就会留守在这里，其他的再去别的地方寻找。就这样，一大圈后，把找到的几个山峰一比较，珠穆朗玛峰脱颖而出。 当兔子们再寻找的时候，一般地会有意识地避开泰山，因为他们知道，这里已经找过，并且有一只兔子在那里看着了。这就是禁忌搜索中“禁忌表（tabu list）”的含义。那只留在泰山的兔子一般不会就安家在那里了，它会在一定时间后重新回到找最高峰的大军，因为这个时候已经有了许多新的消息，泰山毕竟也有一个不错的高度，需要重新考虑，这个归队时间，在禁忌搜索里面叫做“禁忌长度（tabu length）”；如果在搜索的过程中，留守泰山的兔子还没有归队，但是找到的地方全是华北平原等比较低的地方，兔子们就不得不再次考虑选中泰山，也就是说，当一个有兔子留守的地方优越性太突出，超过了“best to far”的状态，就可以不顾及有没有兔子留守，都把这个地方考虑进来，这就叫“特赦准则（aspiration criterion）”。这三个概念是禁忌搜索和一般搜索准则最不同的地方，算法的优化也关键在这里。 伪码表达： procedure tabu search; begin initialize a string vc at random,clear up the tabu list; cur:=vc; repeat select a new string vn in the neighborhood of vc; if va>best_to_far then {va is a string in the tabu list} begin cur:=va; let va take place of the oldest string in the tabu list; best_to_far:=va; end else begin cur:=vn; let vn take place of the oldest string in the tabu list; end; until (termination-condition); end; 以上程序中有关键的几点：

基于随机匹配的非局部相似块搜索算法

2016 年 第25卷 第3期 https://www.360docs.net/doc/ab11777108.html, 计 算 机 系 统 应 用 Software Technique ·Algorithm 软件技术·算法 209 基于随机匹配的非局部相似块搜索算法① 余文森, 吴 薇 (武夷学院 数学与计算机学院, 武夷山 354300) 摘 要: 针对非局部相似块搜索问题, 提出一个基于随机匹配的k 近邻块匹配算法. 在基于Jump Flooding 传播的块匹配算法基础上, 改进其候选参考块的产生方式, 增加从查询块的局部邻域中随机产生候选参考块这一方式. 这一改进提高了候选参考块匹配的可能性, 进而提高了算法的匹配精确度. 实验结果表明改进算法在时间效率和并行性上, 与原算法相差不大, 但在匹配精确度上, 要优于原算法. 关键词: 随机匹配; 非局部相似块搜索; k 近邻块匹配; 非局部自相似性; 局部自相似性 Non-Local Similar Patch Search Algorithm Based on Random Match YU Wen-Sen, WU Wei (College of Mathematics and Computer Science, Wuyi University, Wuyishan 354300, China) Abstract : A k-nearest neighbor patch match algorithm based on random match was proposed to solve the non-local similar patch search problem, which is an improvement of the patch match algorithm based on jump flooding. On the basis of the origin algorithm, the improved algorithm proposed an additional way to randomly generate candidate reference patch from the local neighborhood of each query patch, which raises the possibility of matching candidate patch to query patch and improves the matching accuracy. Experimental results show that the improved algorithm is comparable with the origin algorithm in time efficiency and parallelism, and outperforms the origin algorithm in matching accuracy. Key words : random match; non-local similar patch search; k-nearest neighbor patch match; non-local self-similarity; local self-similarity 非局部自相似性是指一个图像的局部结构模式可能在整个图像中重复自己, 即一个局部图像块, 在整个图像范围内可能存在多个相似块与之对应. 近年来, 图像的这一属性被许多图像处理任务所利用, 如图像去噪[1], 图像修复[2], 图像超分辨率重建[3]等. 利用这一属性一般要包含一个非局部相似块的搜索过程, 即在整个图像范围内搜索每个局部块的相似块. 非局部相似块搜索本质上是一个k 近邻搜索问题. 在这一搜索问题中, 参考块集合和查询块集合是一样的, 都是由同一幅图像中所有可能的局部块组成. 相似块搜索就是从参考块集合中搜索距离查询集合中各查询块最 近的k 个块. 然而这一搜索过程极度耗时, 难以应用于实际的图像处理任务. 在实际应用中, 许多学者提出了一些近似精确匹配结果的算法, 这些算法通过局部搜索[4,5]、降低维度[6]等方法减少距离计算的次数或复杂度, 从而达到提高计算效率的目的. 最近, Barnes 等人[7]提出一个基于随机匹配的近似最近邻域块匹配算法. 该算法基于“相邻块的最近邻域块很可能也是相邻的”这一假设, 利用前面已确定的相邻块的匹配结果减少下一个块的计算量. 与已提出的近似最近邻域块匹配算法相比, Barnes 等人的算法获得了极大的加速. 随后, 他们[8]进一步将该算法 ① 基金项目:国家自然科学基金(60802013);福建省自然科学基金(2015J01669);福建省省属高校专项(JK2014054);福建省中青年教师教育科研项目 (JB14103) 收稿时间:2015-07-24;收到修改稿时间:2015-10-08

人工智能原理 局部搜索与群体智能 4-2-1 局部搜索算法

Local Search Algorithms

Contents ?4.2.1. Hill-Climbing Search ?4.2.2. Local Beam Search ?4.2.3. Tabu Search

Hill-Climbing 爬山法 ?A mathematical optimization technique which belongs to the family of local search. 是一种属于局部搜索家族的数学优化方法。 ?It is an iterative algorithm: ?starts with an arbitrary solution to a problem, ?then incrementally change a single element of the solution, ?if it’s a better solution, the change is made to the new solution, ?repeating until no further improvements can be found. 是一种迭代算法：开始时选择问题的一个任意解，然后递增地修改该解的一个元素，若得到一个更好的解，则将该修改作为新的解；重复直到无法找到进一步的改善。 ?Most basic local search algorithm without maintaining a search tree. 大多数基本的局部搜索算法都不保持一棵搜索树。

State-Space Landscape 状态空间地形图?It can be explored by one of local search algorithms. 可通过局部搜索算法对其进行搜索。 ?A complete local search algorithm always finds a goal if one exists. 一个完备的局部搜索算法总能找到一个存 在的目标。 ?an optimal local search algorithm always finds a global minimum or maximum. 一个最优的局部搜索算法总能找到一个全 局的最小或最大值。

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