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文档简介

20/25差分进化回溯算法第一部分差分进化算法的原理及步骤 2第二部分回溯算法的基本概念及应用 4第三部分差分进化回溯算法的融合方法 7第四部分差分进化回溯算法的寻优策略 10第五部分差分进化回溯算法的收敛性分析 13第六部分差分进化回溯算法的参数设置及优化 16第七部分差分进化回溯算法在组合优化中的应用 18第八部分差分进化回溯算法的拓展及发展 20

第一部分差分进化算法的原理及步骤关键词关键要点【差分进化算法的原理】

1.种群初始化:随机生成一组候选解,形成初始种群。

2.差分算子:差分进化算法的核心操作之一,计算两个随机选择的个体的差异,并与第三个个体交叉。

3.变异算子:引入变异操作,在差分算子产生的新个体上随机扰动,提高算法的探索能力。

【差分进化算法的步骤】

差分进化算法的原理及步骤

差分进化(DE)算法是一种基于种群的随机搜索优化算法,灵感来源于生物进化中的差分变异机理。该算法通过利用种群中个体的差值信息来生成新的候选解,并通过选择、交叉和变异等操作不断进化,以搜索最优解。

原理

DE算法的主要原理是利用种群中个体之间的差值信息来生成新的候选解。给定一个D维的目标函数f(x),其中x=(x1,x2,...,xD)为决策变量,DE算法采用以下差分变异策略生成新的候选解:

```

v_i=x_r1+F*(x_r2-x_r3)

```

其中,v_i为第i个新候选解,x_r1、x_r2和x_r3为种群中随机选择的三个不同的个体,称为目标向量、差分向量和基础向量。F为一个控制变异幅度的参数,称为缩放因子。

步骤

DE算法的步骤如下:

1.初始化

*随机生成一个初始种群,其中每个个体表示一个决策变量向量。

*设置算法参数,包括种群规模、缩放因子F、交叉概率Cr和最大迭代次数。

2.评价

*计算每个个体的目标函数值f(x)。

3.差分变异

*根据上述差分变异策略生成新的候选解v_i。

4.交叉

*以交叉概率Cr为概率,将v_i和基础向量x_i进行交叉,生成试验向量u_i:

```

u_i=

v_i,ifrand(0,1)≤Cr

x_i,otherwise

}

```

5.选择

*比较试验向量u_i和基础向量x_i的目标函数值:

*如果f(u_i)≤f(x_i),则用u_i替换x_i;

*否则,保留x_i。

6.重复步骤3-5

*对所有个体重复步骤3-5,直到达到停止条件(例如,最大迭代次数或满足特定精度)。

7.输出

*输出进化过程中找到的最优解。

变体

DE算法有许多变体,旨在提高其性能和适应不同的优化问题。一些常见的变体包括:

*DE/rand/1/bin:使用随机选择的三个个体进行变异,并使用二进制交叉。

*DE/best/1/bin:使用种群中最佳个体而不是随机个体进行变异。

*DE/current-to-best/1/bin:使用当前个体到种群中最佳个体的差值进行变异。

*JADE:自适应缩放因子和交叉概率的DE变体。第二部分回溯算法的基本概念及应用回溯算法的基本概念

回溯算法是一种解决组合优化问题的经典算法,它通过系统地枚举所有可能的解,并根据约束条件修剪无效的解,最终得到最优解。

回溯算法的步骤:

1.初始化:设置初始解状态并确定搜索顺序。

2.探索:沿当前搜索路径探索下一个可行的解。

3.判断:检查当前解是否满足约束条件,如果是,则将其保存为候选解。

4.剪枝:如果当前解无法满足约束条件或不能得到更优解,则将该解从搜索路径中删除(剪枝)。

5.回溯:回到上一个解状态,继续探索其他路径。

6.终止:当所有可能的解都被探索后,算法终止并返回最优解。

回溯算法的特性:

*耗时:回溯算法的时间复杂度通常为指数级,对于大规模问题可能不可行。

*内存消耗:回溯算法需要存储搜索路径上的所有中间解,因此内存消耗可能很大。

*剪枝效率:剪枝规则是提高回溯算法效率的关键,有效的剪枝策略可以显著减少搜索空间。

*并行化潜力:回溯算法可以并行化,通过同时探索多个搜索路径来提高效率。

回溯算法的应用

回溯算法广泛应用于各种组合优化问题,包括:

*旅行商问题:寻找经过所有城市一次且成本最小的旅行路线。

*子集和问题:从一组整数中选择一个子集,使其和等于或最接近目标值。

*背包问题:在有限容量的背包中装入最大价值的物品。

*数独:在9x9格子的空单元中填入数字,使得每一行、每一列和每一个3x3子方阵中都含有数字1到9。

*迷宫求解:找到迷宫中从起点到终点的最短路径。

回溯算法的实例:

考虑一个旅行商问题,有4个城市需要访问。回溯算法的搜索树如下:

```

1

├──2

│├──3

││└──4

│└──4

└──3

├──2

│└──4

└──4

```

该搜索树中有12个叶子节点,每个叶子节点对应一个可能的旅行路线。通过回溯和剪枝,算法可以找到最短的旅行路线为:1->2->3->4。第三部分差分进化回溯算法的融合方法关键词关键要点【融合方法】:

1.增量式融合:将差分进化(DE)和回溯算法(BA)顺序执行,先使用DE搜索最佳解,再用BA对DE得到的解进行细化优化。

2.并行式融合:同时运行DE和BA,DE搜索全局最优,BA优化局部解,信息共享优化整体搜索过程。

3.协同进化式融合:DE和BA协同进化,DE产生新的候选解,BA评估和更新DE的进化策略,同时DE也影响BA的搜索范围。

【优化机制】:

差分进化回溯算法的融合方法

简介

差分进化回溯算法(DERA)是一种混合启发式算法,结合了差分进化(DE)算法和深度优先搜索(DFS)回溯算法,用于解决复杂优化问题。DE算法是一种种群优化算法,对目标函数的梯度信息不敏感,而DFS回溯算法是一种用于搜索解决方案空间的系统性方法。

融合方法

DERA算法融合DE和DFS算法的具体方法如下:

1.DE算法

*初始化种群:随机生成一组候选解,称为种群。

*变异:对每个候选解应用变异操作,生成一个新的候选解。变异操作通过从种群中选择三个不同的候选解,并利用它们的差分向量产生新的解。

*交叉:应用交叉操作,将变异后的候选解与原始候选解相结合,产生一个新的候选解。

*选择:将新的候选解与原始候选解进行比较,根据目标函数值选择较优的候选解。

*重复:重复上述步骤,直到达到预定的终止准则(例如,最大迭代次数或达到目标函数的最佳值)。

2.DFS回溯算法

*生成搜索树:从一个初始解开始,系统地生成一个解空间的搜索树。

*深度优先搜索:从根节点开始,沿着搜索树的一条分支向下搜索,直到遇到叶节点或不可行的解。

*回溯:如果遇到叶节点或不可行的解,则回溯到最近的可行解,并沿另一条分支继续搜索。

*终止:当所有搜索分支都已探索完毕或达到预定的终止准则时,算法终止。

DERA算法融合

DERA算法将DE算法和DFS回溯算法相结合,利用它们的优势来解决优化问题:

*DE算法:DE算法用于有效探索解空间的各个区域,并找到局部最佳解。

*DFS回溯算法:DFS回溯算法用于系统性地搜索解空间,并确保不会遗漏任何潜在的最佳解。

具体融合方法

具体融合方法如下:

*DE算法:用于生成一组候选解,作为DFS回溯算法的初始搜索空间。

*DFS回溯算法:从DE算法生成的初始种群开始,系统性地搜索解空间。

*叶子节点评估:当DFS回溯算法达到一个叶子节点时,对该解的质量进行评估,并根据目标函数值确定其可行性。

*回溯和DE探索:如果一个叶子节点被确定为不可行,则回溯到最近的可行解,并使用DE算法生成新的候选解继续搜索。

优点

DERA算法的融合方法具有以下优点:

*全局探索和局部开发:结合DE算法和DFS回溯算法,DERA算法能够同时进行全局探索和局部开发。

*避免局部最优:DFS回溯算法的系统性搜索有助于避免陷入局部最优,并找到更好的解。

*高效利用:DE算法的种群搜索机制确保算法有效利用计算资源,避免不必要的搜索。

应用

DERA算法已被成功应用于解决各种复杂优化问题,包括:

*组合优化

*连续优化

*多目标优化

*工程设计优化

*数据挖掘第四部分差分进化回溯算法的寻优策略关键词关键要点差分进化算法的基础

1.差分进化(DE)是一种基于种群的优化算法,它利用种群中个体的差异信息来指导搜索过程。

2.DE通过三个主要操作来进行进化:变异、交叉和选择。

3.变异操作产生新的候选解,而交叉操作将当前个体与变异体结合以产生新的候选解。

回溯算法的基础

1.回溯算法是一种系统地枚举解决方案的深度优先搜索算法。

2.回溯算法从根节点开始,并递归地探索所有可能的子树。

3.如果当前子树不能满足问题约束,则回溯到其父节点并探索其他路径。

差分进化回溯算法的结构

1.差分进化回溯算法(DERA)将DE与回溯相结合,以在搜索过程中有效地利用局部最优信息。

2.DERA使用DE来生成新候选解,并使用回溯机制来避免陷入局部最优。

3.回溯机制允许DERA回溯到之前探索的区域并继续搜索。

DERA的寻优策略

1.DERA使用DE的差异信息来指导回溯过程。

2.如果当前DE种群中的个体无法找到更好的解决方案,则DERA会触发回溯。

3.回溯到先前探索的区域后,DERA会重新初始化DE种群并继续搜索。

DERA的优势

1.DERA结合了DE的局部搜索能力和回溯的全局搜索能力。

2.DERA可以有效地避免局部最优,并探索更广阔的解空间。

3.DERA已成功应用于各种优化问题,并取得了令人满意的结果。

DERA的未来发展方向

1.探索并改进DERA的寻优策略,以提高其效率和精度。

2.将DERA与其他优化算法相结合,以创建更强大的混合算法。

3.研究DERA在大规模优化问题中的应用和扩展。差分进化回溯算法的寻优策略

差分进化(DE)是一种群体智能寻优算法,通过在当前候选解的基础上产生新的解,并根据适应度函数对解进行选择,从而实现优化目标的逼近。将回溯算法与DE相结合,形成了差分进化回溯算法(DESRA),旨在提高DE的寻优效率和鲁棒性。本文主要介绍DESRA中的寻优策略,包括:

#回溯策略

回溯策略是DESRA的核心机制,它允许算法在搜索过程中回溯到之前访问过的状态,以避免局部最优。当当前解的适应度值不能满足预先设定的终止条件时,算法将回溯到最近的一个可行解,从该解重新开始搜索。回溯的步长可以根据问题特点和算法性能进行调整。

#差分操作

差分操作是DE中产生新候选解的关键步骤。它通过对群体中的两个不同个体进行加权差分,生成一个新的个体作为扰动向量。具体来说,给定个体$x_i$,$x_j$和$x_k$,差分向量$v_i$计算为:

```

v_i=F*(x_j-x_k)

```

其中,$F$为缩放因子,用于控制差分向量的幅度。

#变异操作

变异操作对现有的个体进行扰动,以增加搜索空间的多样性。DESRA中的变异操作通常采用随机扰动,即在个体的每个维度上添加一个随机数,该随机数的范围由变异率控制。变异可以有效防止算法陷入局部最优,提高算法的全局搜索能力。

#选择策略

选择策略确定用于更新种群的个体。DESRA中的常见选择策略是贪婪选择,即选择具有更高适应度值的个体替换适应度值较低的个体。此外,还可以采用概率选择策略,例如轮盘赌选择或锦标赛选择,以引入随机性并减少选择压力。

#适应度函数

适应度函数评估候选解的优劣程度,并指导算法的搜索方向。在DESRA中,适应度函数通常与目标优化问题直接相关。例如,对于最小化问题,适应度函数可以定义为目标函数值的负值。适应度值较高的个体具有更高的生存概率,从而引导算法朝着更优的方向搜索。

#算法流程

DESRA算法流程如下:

1.初始化群体并设置算法参数(种群规模,缩放因子,变异率等)。

2.评估群体的适应度值,并选择最优个体作为当前解。

3.根据差分操作生成扰动向量,并执行变异操作。

4.根据选择策略更新群体。

5.检查终止条件是否满足。

6.如果终止条件不满足,则回溯到最近的可行解,并从步骤2重新开始。

#寻优策略总结

DESRA的寻优策略巧妙地结合了回溯机制、差分操作、变异操作和选择策略,形成了一个高效且鲁棒的寻优框架。通过回溯和差分操作,算法可以有效跳出局部最优,探索更为广阔的搜索空间。变异操作引入随机性,增强了算法的全局搜索能力。选择策略根据适应度值筛选个体,确保算法朝着更优的方向搜索。整体而言,DESRA的寻优策略充分利用了不同机制的优势,提高了算法的搜索效率和解的质量。第五部分差分进化回溯算法的收敛性分析关键词关键要点主题名称:差分进化回溯算法的局部收敛性

1.基本原理:差分进化回溯算法在局部收敛附近进行探索,通过回溯来跳出现有局部最优解,从而提高算法的全局搜索能力。

2.收敛条件:当种群的差异离散度满足一定条件时,算法将局部收敛;如果差异离散度保持较高,则算法可以逃逸局部收敛。

3.影响因素:局部收敛性受差分进化算子的选择、种群规模和回溯概率等因素的影响。

主题名称:差分进化回溯算法的全局收敛性

差分进化回溯算法的收敛性分析

差分进化回溯算法(DERA)是一种启发式算法,融合了差分进化和回溯搜索。其收敛性分析至关重要,因为它揭示了算法在解决优化问题时的有效性和效率。

几何收敛性

DERA的几何收敛性表明,在满足一定条件下,算法产生的解序列和最优解之间的距离将以指数速率收敛。在DERA中,可以通过分析种群多样性、变异策略和选择策略来证明几何收敛性。

*种群多样性:DERA中,种群多样性确保了探索空间的充分覆盖。通过计算种群中个体的平均距离或进化代数种群方差等指标,可以评估种群多样性。

*变异策略:DERA中的变异策略控制着解的扰动程度。适当的变异策略既能保持种群多样性,又能引导解向最优解收敛。

*选择策略:DERA中的选择策略决定了哪些个体被保留在下一代种群中。选择压力高的选择策略有利于保留最优个体,从而加速收敛。

渐近收敛性

DERA的渐近收敛性表明,在运行足够的时间后,算法将找到一个接近最优解的可接受解。渐近收敛性的分析通常基于马尔可夫链理论或概率分布的极限定理。

*马尔可夫链理论:将DERA建模为一个马尔可夫链,其中状态是由当前种群表示的。分析马尔可夫链的转移概率矩阵,可以确定链条是否收敛到稳态分布。

*极限定理:根据中心极限定理或大数定理,DERA产生的解序列的平均值可以收敛到最优解。

收敛速率

DERA的收敛速率衡量了算法达到可接受解所需的进化代数数量。收敛速率受多种因素影响,包括问题维度、种群规模、变异参数和选择压力。

*问题维度:较高维度的问题通常需要更多的进化代数来收敛。

*种群规模:较大的种群规模可以提供更大的探索空间和多样性,从而提高收敛速率。

*变异参数:较大的变异参数可以帮助算法探索更广泛的搜索空间,但可能会减慢收敛。

*选择压力:较高的选择压力可以加快收敛,但可能会导致过早收敛到局部最优解。

影响因素

影响DERA收敛性的其他因素包括:

*目标函数的特性:复杂、多峰的目标函数可能需要更多的进化代数来收敛。

*终止准则:DERA的终止准则(例如,最大进化代数或目标函数值阈值)会影响算法的收敛点。

*并行化:DERA的并行化可以显着加快收敛速率,但可能会引入其他复杂性。

结论

差分进化回溯算法的收敛性分析揭示了算法在解决优化问题的有效性和效率。DERA的几何收敛和渐近收敛特性表明,算法能够找到接近最优的可接受解。收敛速率受多种因素影响,可以通过经验调整算法参数来优化。通过理解收敛性分析,优化人员可以充分利用DERA的潜力,解决各种优化问题。第六部分差分进化回溯算法的参数设置及优化差分进化回溯算法的参数设置及优化

差分进化回溯算法(DERA)是一个混合算法,结合了差分进化(DE)和回溯搜索的优点。优化DERA参数至关重要,以实现算法的最佳性能。

主要参数

DERA的主要参数包括:

*DE参数:

*种群规模(NP):种群中个体的数量。

*变异因子(F):控制向量差异的因子。

*交叉概率(Cr):决定向量重组的概率。

*回溯参数:

*回溯深度(D):回溯搜索的深度。

*回溯阈值(T):用于终止回溯搜索的阈值。

优化方法

优化DERA参数可采用以下方法:

*经验法:根据经验值和试错确定参数。

*响应面法:使用响应面模型预测参数组合的性能。

*标签化算法:使用其他算法优化DERA参数。

*自适应调整:根据算法运行过程动态调整参数。

参数选择指南

*NP:通常为30-100。较大的NP可以提高收敛性,但也增加计算开销。

*F:通常为0.5-1.0。F=0.5有利于探索,而F=1.0有利于开发。

*Cr:通常为0.8-0.9。较大的Cr可以提高收敛速度,但可能导致过早收敛。

*D:通常为问题大小的函数。较大的D可以改善解决方案质量,但也增加计算时间。

*T:通常为算法终止条件的函数。较小的T可以提高算法效率,但可能导致次优解。

自适应调整

自适应调整参数可以提高DERA的性能。以下是一些常用的自适应调整方法:

*自适应NP:根据算法进度动态调整NP。

*自适应F:根据种群多样性调整F。

*自适应Cr:根据收敛速度调整Cr。

*自适应D:根据解决难度调整D。

优化技巧

优化DERA参数的附加技巧包括:

*平行计算:利用多核或GPU以并行方式执行DE和回溯搜索。

*精英保留:在演化过程中保留最佳个体,以避免信息丢失。

*多目标优化:将DERA与多目标优化算法相结合,以解决多目标问题。

实例研究

已在各种应用中对DERA的参数优化进行了研究。例如:

*在旅行商问题中,自适应调整NP和F显着提高了性能。

*在功能优化中,使用响应面法确定了DERA的最佳参数组合。

*在多目标优化中,多目标进化算法有效地优化了DERA的参数。

结论

DERA参数的优化对于实现算法的最佳性能至关重要。通过采用优化方法和自适应调整技术,可以根据特定问题和应用场景确定最佳参数组合。通过仔细的参数优化,DERA可以有效解决各种复杂优化问题。第七部分差分进化回溯算法在组合优化中的应用关键词关键要点【组合优化问题中的DE回溯算法】

1.DE回溯算法将差分进化算法的全局搜索能力与回溯算法的局部搜索能力相结合,解决组合优化问题。

2.DE回溯算法利用差分进化算法生成候选解,并通过回溯算法搜索解空间,提高求解效率。

3.DE回溯算法的优势在于兼顾了全局探索和局部开发,既能避免陷入局部最优,又能收敛于较优解。

【旅行商问题】

差分进化回溯算法在组合优化中的应用

差分进化回溯算法(DEH)是将回溯法与差分进化算法(DE)结合的一种混合优化算法,旨在解决组合优化问题。其原理是:

1.初始化:随机生成一群候选解作为当前解集。

2.差异演化:对每个候选解,利用差分进化算法生成新的候选解。

3.回溯:对每个新候选解,使用回溯法搜索其局部最优解。

4.选择:从回溯得到的局部最优解集中,选择最佳解更新当前解集。

5.终止:当满足终止条件(例如达到最大迭代次数或满足特定误差值)时,算法终止,输出最优解。

DEH算法的优点主要体现在以下几个方面:

1.搜索能力强:回溯法能够系统地探索解空间,找到局部最优解;而差分进化算法可以快速生成具有多样性的候选解,有利于逃离局部最优。

2.可并行化:差分进化算法中,不同候选解的进化过程可以并行进行,从而提高算法效率。

3.鲁棒性好:DEH算法对初值不敏感,即使从随机初值开始,也能获得较好的解。

DEH算法已成功应用于解决多种现实组合优化问题,包括:

#旅行商问题(TSP)

TSP是求解一个带权图中一组城市最小总距离回路的问题。DEH算法已被证明在处理大规模TSP问题时具有优异的性能。例如,在解决包含100个城市的TSP问题时,DEH算法比传统的回溯法快一个数量级,并且获得了更好的解。

#背包问题

背包问题是求解如何将一组物品装入有限容量的背包中,使背包中物品的总价值最大。DEH算法在解决背包问题时表现出了强大的全局搜索能力,能够有效地找到问题的最优解。

#资源分配问题

资源分配问题是指将有限的资源分配给一组任务,以最大化任务的收益。DEH算法已被成功应用于解决背包问题、车辆路径问题和生产调度问题等各种资源分配问题。

#车辆路径问题(VRP)

VRP是求解在满足容量限制和时间窗口约束的情况下,为一组车辆规划最佳行驶路线的问题。DEH算法在解决VRP问题时,能够有效地平衡全局和局部搜索能力,找到满足约束条件下的优质解。

#遗传演算法(GA)

DEH算法也被用于优化其他元启发式算法,例如遗传算法(GA)。在解决TSP和背包问题时,结合DEH算法的GA比传统的GA表现得更好,产生了更优的解并减少了计算时间。

此外,DEH算法还应用于其他领域,例如图像处理、复杂系统建模和机器学习。其强大的搜索能力和并行性使其成为解决复杂组合优化问题的有效工具。第八部分差分进化回溯算法的拓展及发展关键词关键要点【差分进化回溯算法的并行化】

1.并行化策略:通过将种群划分为子种群并分配给不同处理器来实现并行化,提高计算效率。

2.通信机制:设计有效的通信机制,使子种群之间能够交换信息,确保算法的全局收敛性。

3.负载均衡:采用动态负载均衡策略,根据子种群的计算量分配任务,提高并行效率。

【差分进化回溯算法的混合化】

差分进化回溯算法的拓展及发展

差分进化回溯算法(DESA)是一种结合了差分进化(DE)和回溯法的优化算法。在过去的研究中,DESA已被成功应用于解决各种优化问题。为了进一步提高DESA的性能和适用性,研究人员对算法进行了拓展和发展,提出了多种改进版本。

拓展和改进

1.自适应变异策略

经典DESA中的变异策略采用固定的尺度因子。为了提高算法的灵活性,自适应变异策略被提出。这种策略允许尺度因子根据搜索过程的进展动态调整。自适应变异策略可以避免算法陷入局部极小值,提高算法的全局搜索能力。

2.多种群拓扑

DESA的基本结构是一个全局种群。为了提高算法的多样性,研究人员提出了多种群拓扑,例如主从拓扑和岛屿模型。多种群拓扑可以促进种群之间的信息交换,从而提高算法的搜索效率。

3.动态种群规模

DESA的种群规模通常是固定的。然而,在某些情况下,固定种群规模可能无法适应问题的复杂度。动态种群规模策略可以根据搜索过程的进展动态调整种群规模。动态种群规模策略可以提高算法的效率,尤其是在解决大规模问题时。

4.混合策略

DESA可以与其他优化算法结合使用形成混合策略。例如,DESA已与粒群优化(PSO)和遗传算法(GA)结合,形成混合算法。混合策略可以利用不同算法的优势,提高算法的性能和鲁棒性。

5.多目标优化

经典DESA只能解决单目标优化问题。为了扩展算法的适用性,研究人员提出了多目标DESA算法。多目标DESA算法可以同时优化多个目标函数,满足实际问题的需求。

发展方向

1.并行化

随着计算机技术的飞速发展,并行化已成为优化算法发展的重要趋势。并行DESA算法可以在多核处理器或分布式计算环境中运行,大幅提高算法的计算效率。

2.约束优化

在实际应用中,优化问题通常受到各种约束条件的限制。研究人员正在开发具有约束处理能力的DESA算法,使算法可以有效地解决约束优化问题。

3.大数据优化

近年来,大数据时代的到来对优化算法提出了新的挑战。研究人员正在探索DESA算法在大数据环境下的应用,以解决大规模优化问题。

4.人工智能集成

人工智能技术正在迅速发展,为优化算法的改进提供了新的机会。研究人员正在探索将人工智能技术,例如深度学习和强化学习,集成到DESA算法中,以提高算法的智能化和自适应能力。

结论

差分进化回溯算法是一种强大的优化算法,已成功应用于解决各种优化问题。通过拓展和发展,DESA算法的性能和适用性得到了进一步提高。随着研究的不断深入,DESA算法有望在更广泛的领域发挥重要作用。关键词关键要点主题名称:回溯算法的基本原理

关键要点:

1.回溯法是一种逐层搜索所有可能解的算法,即从根节点开始,向下搜索,如果当前路径不可行,则回溯到上一层,尝试另

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