¿Cuáles son las limitaciones del algoritmo de escalada y cómo superarlas?


Respuestas:


6

Como @nbro ya ha dicho que Hill Climbing es una familia de algoritmos de búsqueda locales . Entonces, cuando dijiste Hill Climbing en la pregunta, asumí que estás hablando de la escalada estándar. La versión estándar de la escalada tiene algunas limitaciones y a menudo se atasca en el siguiente escenario:

  • Máxima local: algoritmo de escalada que alcanza en las proximidades un valor máximo local, se dibuja hacia el pico y se queda atascado allí, sin tener otro lugar a donde ir .
  • Crestas: son secuencias de máximos locales , lo que dificulta la navegación del algoritmo.
  • Mesetas: Esta es una región plana de espacio de estado . Como no hay que ir cuesta arriba, el algoritmo a menudo se pierde en la meseta.

Para resolver estos problemas, se han desarrollado muchas variantes de algoritmos de escalada. Estos son los más utilizados:

  • Stochastic Hill Climbing selecciona al azar de los movimientos cuesta arriba. La probabilidad de selección varía con la inclinación del movimiento cuesta arriba.
  • Escalada de primera elección implementa el anterior generando sucesores al azar hasta que se encuentre uno mejor.
  • Reinicio aleatorio de ascensiones en pendientes desde movimientos iniciales generados aleatoriamente hasta alcanzar el estado objetivo.

El éxito de los algoritmos de subida de colinas depende de la arquitectura del paisaje del estado-espacio. Siempre que haya pocos máximos y mesetas, las variantes de los algoritmos de búsqueda de ascenso en pendientes funcionan muy bien. Pero en el mundo real, los problemas tienen un paisaje que se parece más a una familia ampliamente dispersa de puercoespines calvos en un piso plano, con puercoespines en miniatura que viven en la punta de cada aguja de puercoespín (como se describe en el 4to Capítulo del libro Inteligencia Artificial: A Enfoque moderno). Los problemas NP-Hard generalmente tienen un número exponencial de máximos locales para atascarse.
Se han desarrollado algoritmos dados para superar este tipo de problemas:

  • Recocido Estimulado
  • Búsqueda de haz local
  • Algoritmos genéticos

Libro de referencia - Inteligencia artificial: un enfoque moderno


Hay más alternativas disponibles para superar los problemas de la escalada; a saber, grupos de permutación, bases de datos de patrones y búsqueda basada en gramática. Están utilizando conocimientos específicos de dominio para buscar más rápido en el espacio de estado.
Manuel Rodríguez

Sí @ManuelRodriguez. Los algoritmos que dependen del conocimiento específico del dominio dan excelentes resultados. Pero traté de mantener la respuesta a los problemas genéricos, mencionando algunas de las formas en que se pueden superar las limitaciones de Hill Climb Search.
Ugnes

5

La escalada no es un algoritmo, sino una familia de algoritmos de "búsqueda local". Los algoritmos específicos que entran en la categoría de algoritmos de "escalada" son 2-opt, 3-opt, 2.5-opt, 4-opt o, en general, cualquier N-opt. Consulte el capítulo 3 del documento " El problema del vendedor ambulante: un estudio de caso en optimización local " (por David S. Johnson y Lyle A. McGeoch) para obtener más detalles sobre algunos de estos algoritmos de búsqueda locales (aplicados al TSP).

Lo que diferencia a un algoritmo en esta categoría de otro es la "función de vecindario" que usan (en palabras simples, la forma en que encuentran soluciones vecinas a una solución dada). Tenga en cuenta que, en la práctica, este no es siempre el caso: a menudo estos algoritmos tienen varias implementaciones diferentes.

La limitación más evidente de los algoritmos de escalada es debido a su naturaleza, es decir, son algoritmos de búsqueda locales. Por lo tanto, generalmente solo encuentran máximos locales (o mínimos). Entonces, si alguno de estos algoritmos ya ha convergido a un mínimo local (o máximo) y, en la solución o en el espacio de búsqueda, existe, cerca de esta solución encontrada, una solución mejor, ninguno de estos algoritmos podrá encontrar esto Mejor solución. Básicamente estarán atrapados.

Los algoritmos de búsqueda locales generalmente no se usan solos. Se usan como subrutinas de otros algoritmos metaheurísticos, como el recocido simulado, la búsqueda local iterada o en cualquiera de los algoritmos de colonias de hormigas. Entonces, para superar sus limitaciones, generalmente no los usamos solos, sino que los usamos junto con otros algoritmos, que tienen una naturaleza probabilística y pueden encontrar mínimos o máximos globales (por ejemplo, cualquiera de los algoritmos de colonias de hormigas).


Buena respuesta (+1)! ¿Me puede recomendar un recurso (YouTube, publicación de blog, documento, libro) para aprender sobre algoritmos de colonias de hormigas? Nunca he oído hablar de eso y me gustaría tener una idea aproximada de ellos.
Martin Thoma

1
@ MartinThoma Me temo que realmente no conozco un tutorial muy bueno sobre ACS. Tal vez pueda comenzar con el siguiente breve tutorial y la implementación correspondiente: cleveralgorithms.com/nature-inspired/swarm/… . Si también está interesado en una implementación más seria, aplicada al TSP, eche un vistazo a esta: aco-metaheuristic.org/aco-code , implementada por Stützle (y otros), uno de los contribuyentes al desarrollo de estas técnicas
nbro

El autor de la pregunta sabe cuál es la definición formal de escalar montañas porque ha leído el artículo de Wikipedia. La pregunta va más en la dirección de cómo usarla para la Inteligencia Artificial. Se sabe que la escalada solo puede buscar en el espacio local, lo que dificulta los problemas relacionados con la IA. Por lo general, la búsqueda se atasca en un óptimo local, lo que significa que no se puede encontrar la ruta más corta en el problema del vendedor viajero.
Manuel Rodríguez

1
@MartinThoma De todos modos, también puedes echar un vistazo a los trabajos de investigación. Solo puedo contarte algunos investigadores importantes: Dorigo (el primero que introdujo estas técnicas, AFAIK), Gambardella y Stützle. Mira sus papeles. No estoy seguro de cuál sugerir. Además, hay un libro dedicado a la inteligencia de enjambre (por Bonabeau), si realmente quieres entrar en detalles.
nbro
Al usar nuestro sitio, usted reconoce que ha leído y comprende nuestra Política de Cookies y Política de Privacidad.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.