JPH01243176A - System for searching minimum and maximum values - Google Patents

System for searching minimum and maximum values

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JPH01243176A
JPH01243176A JP6942088A JP6942088A JPH01243176A JP H01243176 A JPH01243176 A JP H01243176A JP 6942088 A JP6942088 A JP 6942088A JP 6942088 A JP6942088 A JP 6942088A JP H01243176 A JPH01243176 A JP H01243176A
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JP
Japan
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minimum value
function
value
minimum
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
JP6942088A
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Japanese (ja)
Inventor
Ikuo Matsuba
松葉 育雄
Keiko Minami
南 恵子
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Priority to DE68928484T priority patent/DE68928484T2/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain the minimum value of a function in a short time by deciding a temperature so that a time, when the function is changed from an initial condition up to a condition to give the minimum value, can be made minimum. CONSTITUTION:At the time of obtaining the minimum value of a function E to have many extreme values, the maximization of exp(-E/T) is considered instead of the function E. A parameter T is called temperature, it is introduced in order to generate a random noise and to permit a probability-like management, and when an attainment to the minimum value of the E is executed, the T is brought to O, and it needs to be remain at the minimum value without an error. Then, the temperature T is decided so that the time from the initial condition up to the condition to give the minimum value which is a final goal can be made minimum. Thus, the minimum value can be surely and speedily obtained.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、与えられた関数の最小(又は最大)値を求め
ることに係り、特に多数の極値を持つ関数の最小(又は
最大)化に好適な最小・最大値枠索方式に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to finding the minimum (or maximum) value of a given function, and particularly to minimizing (or maximizing) a function that has a large number of extreme values. This invention relates to a minimum/maximum value frame search method suitable for.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

与えられたコスト関数Eの最小値(最大値)を求める場
合において、コスト関数が多数の極値を持つ場合には、
従来法である確定的な山登り法では、この最小値を求め
ることは一般に困難であった。なぜならば、初期値とし
である極値の近傍の値が与えられた時には、確定的が故
に近傍の極小値の落ち込み、そこからは脱出できない。
When finding the minimum value (maximum value) of a given cost function E, if the cost function has many extreme values,
In the conventional deterministic hill-climbing method, it is generally difficult to find this minimum value. This is because when a value near a certain extreme value is given as an initial value, the local minimum value falls because it is deterministic, and it is impossible to escape from there.

従って、最小限は求まらない。従来、この問題の解決の
ために、シミュレーテイッドアニーリング(Simul
a−ted Annealjng)と呼ばれる確定的な
山登り法が提案されてきた。単純な言い方をすれば、山
を登るだけではなくある確率で山を下ることも許す事に
より、最終目的地に達しようとするものである。
Therefore, the minimum cannot be determined. Traditionally, simulated annealing (Simultaneous annealing) has been used to solve this problem.
A deterministic method of mountain climbing called a-ted annealjng has been proposed. Simply put, it attempts to reach the final destination by allowing not only to climb a mountain but also to descend a mountain with a certain probability.

最もよく用いられている方法は、Eの最小値問題を例に
採ると、次のようになる。先ず、直接にコスト関数Eを
考えるがわりに、ボルツマン分布P −exp(−E 
/ T )の最大化を考える。ここに導入した、パラメ
ータTは温度と呼ばれ、ランダムr9) ノイズを発生させ確率的な取り扱いを許すために導入し
たものである。従って、Eの最小値に達した時には、T
をOにもってゆき、誤差なしにその最小値に停留させる
必要がある。Tを何のようにして低温にしてゆくかのス
ケジュール(Coolingschedule)を決め
ることが、シミュレーテインドア二一リングの最大の課
題である。
The most commonly used method is as follows, taking the minimum value problem of E as an example. First, instead of considering the cost function E directly, we consider the Boltzmann distribution P −exp(−E
/T). The parameter T introduced here is called temperature and was introduced to generate random r9) noise and allow stochastic handling. Therefore, when the minimum value of E is reached, T
It is necessary to bring it to O and stay at its minimum value without error. Deciding on a cooling schedule for how to lower T to a low temperature is the biggest challenge for the simulator indoor 21 ring.

従来から良く用いられているGeman兄第のスケジュ
ールはIEEE Transactj、on on P
atternAnalysis and Machin
e Intelligence、 vol、6゜pp、
721.−741.(1985)年で議論されているよ
うに、ボルツマン分布に従って状態を発生させ、TOを
正の定数として、T(t)=To/ Qog(t+1)
とするものである。ここに、tはモンテカルロシミュレ
ーションの回数に相当するもので、ここでは時間と定議
する。もちろん、tを大きくすると1.27′ T(t)は0になる。この方法でうまくいく例はすでに
いくつか報告されているが、必ずしも適用できない場合
も多い。また、最近Physics Letters。
The Geman brother schedule that has been commonly used is IEEE Transactj, on on P.
AtternAnalysis and Machine
eIntelligence, vol, 6゜pp,
721. -741. (1985), the states are generated according to the Boltzmann distribution, and TO is a positive constant, T(t)=To/Qog(t+1)
That is. Here, t corresponds to the number of Monte Carlo simulations, and is defined as time here. Of course, if t is increased, 1.27' T(t) becomes 0. Although some cases in which this method works successfully have already been reported, there are many cases in which it is not always applicable. Also, recently Physics Letters.

vol、123. pp、157−161.(1987
年)においてSzu とHar t 1 e yにより
論じられているように、Pの最大値への収束度を高める
ため、ボルツマン分布の代わりに分布の広がりが大きい
ローレンツ分布をもちいて、T (t )” To/ 
(t + 1− )なるスケジュールも提案されている
。しかし、これらのスケジュールに共通する欠点は、最
小化すべきコスト関数の関数形が全く考慮されていない
ことである。どの様なニス1〜障壁(極小値とその近傍
の極大値でのコストの差)をのぼり、いつ最終値に達す
るのか(いつ、TをOにするか)が、T (t、 )に
反映されていない。数字的には、両者とも無限時間経過
すれば、必ず所望のPの最大値に到達することが証明さ
れている。しかし、実際にはシミュレーション実行可能
な有限時間内に最小値に達する場合もあるが、そうでな
い場合も多いので、それらの利用価値は必ずしも高くな
い。
vol, 123. pp, 157-161. (1987
In order to increase the degree of convergence to the maximum value of P, we use the Lorentz distribution with a large distribution instead of the Boltzmann distribution, as discussed by Szu and Hartley in ”To/
A schedule of (t + 1-) has also been proposed. However, a common drawback of these schedules is that they do not take into account the functional form of the cost function to be minimized. What kind of barrier (difference in cost between the minimum value and the nearby maximum value) is climbed and when the final value is reached (when T is set to O) is reflected in T (t, ). It has not been. Numerically, it has been proven that both of them will definitely reach the desired maximum value of P after an infinite amount of time. However, in reality, although there are cases in which the minimum value is reached within a finite time in which simulation can be executed, there are many cases in which this is not the case, so their utility value is not necessarily high.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

以上のスケジュールに共通する欠点は、最小化すべきコ
スト関数の関数形が温度Tに反映されていないことであ
る。従って、実際にはシミュレージョン実行可能な有限
時間内において、最小値が求まらないことが非常に多い
。このような問題点を克服するために、温度Tが時間t
のみならず、関数Eにも依存するものとする。つまり、
T=T(t、E)とする。温度のE依存性を決めるため
には何等かの指針が必要であるが、ここでは、初期状態
から、最終目標である最小値を与える状態までに至る時
刻を最小にすることを要求する。
A common drawback of the above schedules is that the temperature T does not reflect the functional form of the cost function to be minimized. Therefore, in reality, the minimum value is very often not found within the finite time in which simulation can be executed. In order to overcome these problems, the temperature T is changed to the time t
In addition, it also depends on the function E. In other words,
Let T=T(t, E). Some kind of guideline is required to determine the E dependence of temperature, but here it is required to minimize the time from the initial state to the state that provides the final target minimum value.

tlを最終時刻として、このtzが最小になるようにE
を定めることである。
With tl as the final time, set E so that this tz is the minimum.
The purpose is to determine the

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

ボルツマン分布exp(−E / T )の1次元空間
での最大化問題を例に採ると、シミユレーテイツドアニ
ーリング法の基本手順は1次の様になる(第2図)。先
ず、exp(−E / T)=exp(−f (E (
x)/T)’dx)と書き直す。ここに、記号′は空間
変数についての微分を、f・・・dxは積分を表わす。
Taking the problem of maximizing the Boltzmann distribution exp(-E/T) in a one-dimensional space as an example, the basic procedure of the simulated annealing method is first-order (FIG. 2). First, exp(-E/T)=exp(-f(E(
Rewrite it as x)/T)'dx). Here, the symbol ' represents differentiation with respect to the spatial variable, and f...dx represents integration.

T h< tのみ関数とすると、この式は単なる等式で
ある。今、ある状態x(201)と次に発生した状態x
’(202)におけるコストの差をΔE=E(x’ )
−E(X)”FE(X)’ とすると(203)、X′
に移行する確率(204,)は、maX (1+exp
(−Δ(E/T)))となる。状態Xから状態X′への
移行を許すかどうかは、この値とOから1までの一様乱
数η(205)と比較することにより決める。従って、
もし、八E<Oであれば、必ずX′に移行し、ΔE≧O
であれば、つまり、より高いコストになったとしも、Δ
Eの値で定まる確率で移行を許すのである(206)、
 (207)。
If only T h<t is taken as a function, this equation is just an equation. Now, a certain state x (201) and the next state x
'(202) The difference in cost is ΔE=E(x')
-E(X)"FE(X)' (203), X'
The probability of transitioning to (204,) is maX (1+exp
(-Δ(E/T))). Whether or not to allow transition from state X to state X' is determined by comparing this value with a uniform random number η (205) from O to 1. Therefore,
If 8E<O, it will definitely shift to X' and ΔE≧O
In other words, even if the cost is higher, Δ
The transition is allowed with a probability determined by the value of E (206).
(207).

ある与えられた初期状態から、最大値に向かう動的過程
を次の時間発展微分方程式で規定する。
The dynamic process from a given initial state to the maximum value is defined by the following time-evolving differential equation.

d x(t)/d t=−rH’ (t、x)+ξ(x
)・・・(1) ここに、H(t、x)=E(x)/T(t、E)と定義
し、温度は一般にt、EあるいはXともに依存するもの
と仮定する。また、正のパラメータ「は。
d x(t)/d t=-rH' (t, x)+ξ(x
)...(1) Here, H(t, x)=E(x)/T(t, E) is defined, and it is assumed that temperature generally depends on both t, E, or X. Also, the positive parameter "is.

平均値0の加法的ガウス型ノイズξ(X)の分散値とす
る。この動的方程式は、すくなくとも定常状態において
ボルツマン分布exP(−H(t、x))を与えること
は次の様にして簡単に分かる。ある時刻しに状態がXな
る値をとる確率をP(t、x)とすると、式(1)に対
する確率微分方程式はaP(t、、x)/a t=I’
 a(H’ (t、x)P)/ax+「a”P/ax2 ・・・(2) となる。定常状態における分布Psは明らかに、exp
(−H)に比例する。従って、最大値の探索方法は、そ
のPの最大値近傍においては、シミユレーテイツドアニ
ーリングと同様にボルツマン分布を利用することになる
が、そこへの動的過程においては、以下に述べる様に、
ある意味においては、より効率的な確率分布を使用する
Let it be the variance value of additive Gaussian noise ξ(X) with a mean value of 0. It can be easily seen as follows that this dynamic equation gives the Boltzmann distribution exP(-H(t, x)) at least in the steady state. If the probability that the state takes the value X at a certain time is P (t, x), then the stochastic differential equation for equation (1) is aP (t,,
a(H'(t,x)P)/ax+"a"P/ax2 (2). The distribution Ps in the steady state is clearly exp
It is proportional to (-H). Therefore, the method of searching for the maximum value uses the Boltzmann distribution in the vicinity of the maximum value of P, similar to simulated annealing, but the dynamic process leading to that point uses the following method. To,
In a sense, it uses a more efficient probability distribution.

目的のH(t、、x)を決めるための方針として、先ず
、最小時間で探索することを要求する。つまり、 を最小にする。ここに、toは初期時刻、tlは最終時
刻である。tlは予め分からないので、ここでは未知の
数である。tlを最小にするには、直観的に言って、温
度Tを可能な限り高めておけば、容易に最大値近傍に到
達できる。しかし、問題となるのは、そこでの揺らぎが
5に比例して大きくなることである。すなわち、その近
傍にはすぐに到達できるが、真の最大値に抑えるために
は、逆にTを小さくしなければならない。このトレード
オフ的な関係を、最小化すべきコスト関数Jで表現する
と、たとえば、正の定数りを用いtl て、J=/  (L/2T2+1)dτ なる関数が適
t。
As a policy for determining the target H(t,,x), first, a search is required in the minimum time. In other words, minimize . Here, to is the initial time and tl is the final time. Since tl is not known in advance, it is an unknown number here. Intuitively speaking, in order to minimize tl, if the temperature T is made as high as possible, it can easily reach the vicinity of the maximum value. However, the problem is that the fluctuation there increases in proportion to 5. That is, although it is possible to quickly reach the vicinity, T must be made smaller in order to suppress it to the true maximum value. When this trade-off relationship is expressed by a cost function J to be minimized, for example, using a positive constant tl, the appropriate function is J=/(L/2T2+1)dτ.

切である。式(1)の中にはTではなく、Hが入ってい
るので、与えられたコストEとHを用いて。
It's urgent. Since equation (1) contains H instead of T, use the given costs E and H.

・・・(4) に拡張する。ここに、〈・・・〉は確率P(t、x)で
の平均を意味する。TがXに依存しない場合には、明ら
かに前述したコストに等しい。
...Expand to (4). Here, <...> means the average at probability P(t, x). If T does not depend on X, then clearly it is equal to the cost mentioned above.

問題を整理すると、式(1)に従う動的方程式に対し1
式(4)のコストを最小化するための最適な関数H*を
決めることである。
To summarize the problem, for the dynamic equation according to equation (1), 1
The purpose is to determine the optimal function H* for minimizing the cost of equation (4).

〔作用〕[Effect]

この問題に対する形式的な解は、次のようになることが
知られている。まず、Hの最適な関数H11は −aV (t + x )/ at =min(−rH’δ¥/ax+Y’a2V/δx2+
L/2(H’ /E’ )”)H’     ・・・(
5)の右辺の最小値を与えるように定まる。
It is known that the formal solution to this problem is as follows. First, the optimal function H11 of H is -aV (t + x)/at = min(-rH'δ\/ax+Y'a2V/δx2+
L/2(H'/E')")H'...(
5) is determined to give the minimum value on the right side.

H’ 零=L−”FE’ ”aV/ae    −(6
)一般に、温度は加法的ノイズとT=O(r)なる関係
にあることが分かつているので、a V / a x=
o (r ”)である。ここに、記号O(・・・)は・
・・の値のオーダを示す。これを、式(5)に代入する
と、■の従う方程式が −a V(t 、 x)/ a t =−1/2L−1F2E’ ”(aV/ax)2+Y’
a”V/ax2・・・(7) となる。また、初期条件は、 V(を工、x)=を工          ・・・(8
)で与えられる。この初期条件は最終時刻における値を
与えているので、取り扱いの簡単な初期値問題に書き換
えるために、τ=t1−tで新しい時間τに変換する。
H'zero=L-"FE'"aV/ae-(6
) In general, it is known that temperature has a relationship with additive noise as T=O(r), so a V / a x=
o (r ”).Here, the symbol O(...) is...
...indicates the order of the values. Substituting this into equation (5), the equation according to ■ becomes -a V(t, x)/at =-1/2L-1F2E'''(aV/ax)2+Y'
a”V/ax2...(7).In addition, the initial conditions are:
) is given by Since this initial condition gives a value at the final time, in order to rewrite it into an easy-to-handle initial value problem, it is converted to a new time τ with τ=t1−t.

そうすると、上式は aV(τ、X)/δt =−1/2L−”r”E’ ”(aVla x)”+r
 azV/a x”・・・(9) v(O5x)=0           ・・・(10
)となる。これが、■、つまり、H*を決定する最終的
な方程式である。
Then, the above formula is aV(τ,
azV/a x”...(9) v(O5x)=0...(10
). This is the final equation that determines ■, that is, H*.

結局、問題は式(9)と(10)の方程式を解き、■を
求めることである。もちろん、数値解法でも可能である
が、CPU時間がかかるし、また、実用的な手軽さもな
い。そこで、解析解が望まれるところである。ここでは
、rを微小なパラメータとする特異摂動法を利用して、
近似的に解析解を求める。Pの最大値を与える状態Xを
、α傘とする。
In the end, the problem is to solve equations (9) and (10) and find ■. Of course, a numerical solution is possible, but it takes CPU time and is not practical. Therefore, an analytical solution is desired. Here, using the singular perturbation method with r as a small parameter,
Obtain an approximate analytical solution. Let state X that gives the maximum value of P be an α umbrella.

この値そのものは未知数であるが、その近傍での解の挙
動は調べることができる。そこで、aV/ax=o(「
−2)に注意し、式(9)の右辺の「に関する大きさを
見積る。いま、状態Xが、α傘からEだけしか離れてい
ない近傍(内部領域;X=α傘+0(5)とすると、第
1項がo (r”)で第2項がO(「”/2)なので、
第2項が重要である。一方、状態Xが、α掌からFO以
上離れている場合(外部領域=x=α中+0(1))に
は、第1項が○(r”)で第2項がO(I’−”) f
tノテ、第1項が支配項となる。従って、これらの領域
に対し、別々に解を求め、両者をスムーズに結合すれば
よい。以下では、各領域において、o < J7 )ま
での近似解を構成する。
Although this value itself is unknown, the behavior of the solution in its vicinity can be investigated. Therefore, aV/ax=o('
-2), and estimate the size of the right-hand side of equation (9). Now, state X is in a neighborhood (internal region; Then, the first term is o (r”) and the second term is O (“”/2), so
The second term is important. On the other hand, if state ”) f
Note, the first term is the dominant term. Therefore, it is sufficient to obtain solutions for these regions separately and to smoothly combine the two. In the following, approximate solutions up to o < J7 are constructed in each region.

(1)内部領域;x=αψ+0(5) この領域は、τ=0でほぼ達成されるものと考えられる
ので、初期条件かられかるように、■の値が小さく、第
一項は近似的に省略できる。この領域での解をViと記
すと、○(E)までの近似方程式は、 a V i (τ、X)/aτ= 「a”V i / 
a x”・・・(11) なる拡散方程式になる。式(11)の条件を満たす解は
容易に求まり、 Vi(t、x)=r’texp(−(x−α*)z/2
1”τ)・・・(12) となる。τ→0で明らかにvi(0,x)→Oになる。
(1) Internal region; can be abbreviated to Letting the solution in this region be Vi, the approximate equation up to ○(E) is a Vi (τ, X)/aτ= “a”V i /
a x”...(11) The solution that satisfies the condition of equation (11) can be easily found, and Vi(t, x)=r'texp(-(x-α*)z/2
1”τ)...(12) When τ→0, clearly vi(0,x)→O.

ここで、α中は未知なので、実はこの式はそのままでは
用いらないが、あとでこの意味を明らかにする。
Here, since α inside is unknown, this formula is not actually used as is, but its meaning will be clarified later.

(2)外部領域冨X=α傘十0(1) この領域での解をvOと記すと、○(E)までの近似方
程式は、 aVo(τ、X>/aτ = −1,/ 2 L−2F2E’ 2(a V o/
 a x)2・・・(13) である。この解を、変数分離法で求める。いま、τのみ
の関数A(τ)と、Xのみの関数B(x)を用意し、 V o (τ、  x)=A(τ)B(X)     
  =−(14)とおく。これを、式(13)に代入す
ると、d A(τ)/ d τ/ A2= −1/ 2
 L−”r2E’ ”B’ ”/ B2・−(15)を
得る。両辺はそれぞれ独立した変数の関数なので、両辺
は定数でなければならない。Cを定数として、便宜上両
辺を1/2L−’r”Cとおく。そうすると、各関数に
対して、 dA(τ)/dτ=−1/2L−’r”CB’ Z=C
B”/E’ Z           ・(16)なる
微分分程式を得る。これらの解を求めると、次の様にな
る。
(2) External domain depth L-2F2E' 2(a V o/
a x)2...(13). This solution is found using the variable separation method. Now, prepare a function A (τ) of only τ and a function B (x) of only X, and get V o (τ, x) = A (τ) B (X)
=-(14). Substituting this into equation (13), dA(τ)/dτ/A2=-1/2
Obtain L-"r2E'"B'"/B2・-(15). Both sides are functions of independent variables, so both sides must be constants. With C as a constant, both sides are expressed as 1/2L-' for convenience. Let it be r”C. Then, for each function, dA(τ)/dτ=-1/2L-'r"CB' Z=C
We obtain the differential equation B''/E' Z ・(16). When these solutions are found, we get the following.

A(τ)=1/(1/Am+1/2L−’17”Ct)
B(x)=C/4(71/E’ d x+ct)” −
417)ここに、Am、Czは積分定数で、次に述べる
内部と外部における解(12)、 (17)の接続条件
から決まる。
A(τ)=1/(1/Am+1/2L-'17"Ct)
B(x)=C/4(71/E' d x+ct)” −
417) Here, Am and Cz are integral constants, which are determined from the connection conditions of internal and external solutions (12) and (17) described below.

(3)解の接続条件 内部領域での解(12)と外部領域での解(17)をス
ムーズに接続し、全領域で−様な解を求めるためには、
境界位置xb=α拳+O(〜/i)で、各領域での解の
関数値とその空間微分値を等しくすれば良い。
(3) Connection condition for solutions In order to smoothly connect the solution (12) in the inner region and the solution (17) in the outer region and find a −-like solution in the entire region,
At the boundary position xb=α+O(~/i), the function value of the solution in each region and its spatial differential value may be made equal.

Vib、xb)=Vo(τ、xb) δVj、(τ、xb)/ax=δVo(t、 xb)/
ax  −(18)まず、Amを決める。式(12)は
Pの最大値近傍での状態を記述するので、本来てか小さ
な領域で成立する式である。しかし、外部領域での解と
の接続するため、領域を拡張し、τの大きい領域での解
の漸近形を求めると、V i (τ、xb)〜r/2 
(−1+2で)となる。同様に、τの大きな領域で成立
する式(17)のτの小さな領域での解の漸近形は、V
 o (t 、 x b)〜−Am (−1+1/2L
 ’「2CAmτ)B(xb)となる。従って、両辺を
比較することにより、A m = 4 L Im−”C
−”と定まる。故に、 A(τ)=4L17 ”C−’/(1+2r)〜2Lr
 ”C”/τ     ・・・(19)と決まる。ここ
に、τが大きいことを利用して、1を省略した。式(1
2)と(17)を式(18)に代入すると。
Vib, xb) = Vo(τ, xb) δVj, (τ, xb)/ax = δVo(t, xb)/
ax - (18) First, determine Am. Since Equation (12) describes the state near the maximum value of P, it is an equation that originally holds true in a small area. However, in order to connect with the solution in the external region, if we expand the region and find the asymptotic form of the solution in the region where τ is large, then V i (τ, xb) ~ r/2
(-1+2). Similarly, the asymptotic form of the solution in a small τ region of equation (17) that holds in a large τ region is V
o (t, x b) ~ -Am (-1+1/2L
'2CAmτ)B(xb). Therefore, by comparing both sides, A m = 4 L Im-'C
-”. Therefore, A(τ)=4L17 “C-’/(1+2r)~2Lr
"C"/τ...(19) is determined. Here, 1 is omitted by taking advantage of the fact that τ is large. Formula (1
2) and (17) into equation (18).

xb I’τexp(−I’/2T) =A(τ)C/4・(
/  1/E’ dx+ct)”xb −「τexp(−「/2τ)=A(τ)C/2・げ 1
/E’dx+Cz)/E’ (xb) ・・・(20,) これらの方程式を解くと、定数C1および、接続する時
の時刻τも同時に決まる。
xb I'τexp(-I'/2T) =A(τ)C/4・(
/ 1/E'dx+ct)"xb - "τexp(-"/2τ)=A(τ)C/2・ge 1
/E'dx+Cz)/E' (xb) (20,) When these equations are solved, the constant C1 and the time τ at the time of connection are determined at the same time.

xb Ct=2τ/E’ (xb)  f  1/E’ dx
1/τ=−2+4LP−8exp(r’/2τ)/(E
’ (xb))”・・・(21) これらの値を外部領域でに解に用いると、結局、Vo(
τ、x)=LI’−”/2τ・(f1/E’ dx−2
t/E’ (xb)Pb ・・・(22) ここで、求めたい量は■のXに関する微分なので、上式
の最後の項2τ/E’(xb)は省略できる。
xb Ct=2τ/E' (xb) f 1/E' dx
1/τ=-2+4LP-8exp(r'/2τ)/(E
'(xb))''...(21) When these values are used for the solution in the external domain, Vo(
τ, x) = LI'-"/2τ・(f1/E' dx-2
t/E' (xb)Pb (22) Here, since the desired quantity is the differential of ■ with respect to X, the last term 2τ/E'(xb) in the above equation can be omitted.

V o (τ、x)=L I’−”/ 2 τ(/1/
E’ d x)”・・・(23) が得られる。
V o (τ, x)=L I'-"/2 τ(/1/
E' d x)''...(23) is obtained.

式(6)から、求めるべきE′傘は Hi’ *=−L−’I”(E’ (x))”(x−α
t)exp(−(X−αすz/2「τ) Ho’ 拳=(r τ)−工E’ (x)/ 1/E’
 d x   ・・・(24)となる。
From equation (6), the E' umbrella to be found is Hi'*=-L-'I"(E'(x))" (x-α
t)exp(-(X-αz/2'τ) Ho' fist=(r τ)-E'(x)/1/E'
d x ...(24).

使い易さを考慮すると、H’ =(E/T)’ =E 
’ / Toptとなる温度Toptを定義したほうが
、便利が良い。なぜならば、Hの変化分を直接計算しな
くとも、コストEの変化分だけを計算すればよいからで
ある。上式をこの温度を用いて書きなおすと、各領域に
おいて次式を得る。
Considering ease of use, H' = (E/T)' = E
It is more convenient to define the temperature Topt as ' / Topt. This is because it is only necessary to calculate the change in cost E without directly calculating the change in H. If the above equation is rewritten using this temperature, the following equation is obtained in each region.

Tiopt=−Lr’−”((x−a傘)E’  (x
))・exp((x−aす”/2r’t)Toopt=
Fτ/(f 1/E’ d x)          
・・・C25)最後の式はオーダ的には、内部領域にお
いてE′二〇(〜r正)ニ注意スルト、Tiopt =
 O(r ) 。
Tiopt=-Lr'-"((x-a umbrella)E' (x
))・exp((x-asu”/2r’t)Toopt=
Fτ/(f 1/E' d x)
...C25) In terms of order, the last equation is E'20 (~r positive) in the internal region, Tiopt =
O(r).

Toopt =○(r)になり、温度の定義に矛盾しな
い。
Toopt=○(r), which does not contradict the definition of temperature.

これは、外部領域において、極大値を超すために、温度
は大きくし、加法ノイズの大きさを大きくし、調整して
いるものと考えられる。ここで、温度に対する制約条件
Topt>Oを仮定する。式(25)の第−式は、α傘
近傍でE(x)〜(X−α*)zとなるので、常に負で
ある。そこで、内部領域においてはTiopt=Q  
とする。この要請は、極値においてゆらぎを小さくする
ことを意味し、特に、最小値を与える状態においては、
ゆらぎを無くすることを意味する。さらに、時間依存性
においても、その状態ではτ=Oになる。従って、両者
の領域をまとめて、次の様に書くことができる。
This is considered to be because the temperature is increased and the magnitude of the additive noise is increased and adjusted in order to exceed the local maximum value in the external region. Here, it is assumed that the temperature constraint Topt>O. The -th equation of equation (25) is always negative because it becomes E(x) to (X-α*)z near the α umbrella. Therefore, in the internal region Tiopt=Q
shall be. This requirement means reducing fluctuations at extreme values, especially in the state that gives the minimum value.
It means eliminating fluctuations. Furthermore, also in terms of time dependence, τ=O in that state. Therefore, both areas can be combined and written as follows.

Topt= rτe [:1/(f1/E’ d x)
) −(26)ここに、導入した関数θは、その引き数
が正の時にはその値を、負の時には0となる関数である
Topt= rτe [:1/(f1/E' d x)
) -(26) Here, the function θ introduced here is a function whose value becomes 0 when its argument is positive and 0 when it is negative.

ここで、11が未知なので、τ=ti−t  を直接計
算できない。しかし、rが小さいことを積極的に利用す
ると、Fτの変化はわずかなものとなるので、この量を
定数として扱っても近似的には、Toptは有効に働く
と思われる。
Here, since 11 is unknown, τ=ti−t cannot be calculated directly. However, if the fact that r is small is actively utilized, the change in Fτ will be slight, so it seems that Topt will work effectively even if this quantity is treated as a constant.

〔実施例〕〔Example〕

ここでは、簡単な1次元のコスト関数を例に、ここで提
案した新しいスケジュールToptの有効性を確認する
。kを正の定数として、コスト関数の微分E′として。
Here, we will use a simple one-dimensional cost function as an example to confirm the effectiveness of the new schedule Topt proposed here. Let k be a positive constant and be the differential E' of the cost function.

E’  (x)=kn(x−αi)      =42
7)を考える。式(26)の積分を実行するために、E
′の逆数を次のように書き換える。
E' (x)=kn(x-αi) =42
Consider 7). To perform the integration of equation (26), E
Rewrite the reciprocal of ′ as follows.

17E’(x)=にΣyi/(x−αi)  −(28
)そうすると、積分は簡単に実行でき、Toptは次の
ように求まる。
17E'(x) = Σyi/(x-αi) −(28
) Then, the integration can be easily performed and Topt can be found as follows.

γ1 Topt=1’ τke (1/IT(Qogl x−
αi l +q))yi ・・・(29) ここに、q=−QogIxb−ailである。この式に
はまだ未定の定数qが含まれているが、これらはパラメ
ータとして扱う。実際の計算においては、q=Qとして
も十分良好な結果が得られた。
γ1 Topt=1' τke (1/IT(Qogl x-
αi l +q))yi (29) Here, q=-QogIxb-ail. Although this equation still includes an undetermined constant q, these are treated as parameters. In actual calculations, sufficiently good results were obtained even when q=Q.

また、rτ=1.0 とした。Further, rτ = 1.0.

上記のコスト関数の例として、 E(x)=β(−(7) X)”−1/ 3 ・(1)
 x)”+ 1/4 ・Cp x)’)・・・(30) を考える。これは、二つの極小値を、α1=2/ρ、α
1=2/ρ に持つ。この内、α五が最小値を与える。
As an example of the above cost function, E(x)=β(-(7)X)"-1/3 ・(1)
x)"+ 1/4 ・Cp
1=2/ρ. Among these, α5 gives the minimum value.

そして、越えるべきコスト障壁は5β/12である。T
optの計算に必要なパラメーターはγ1=−ρ2/2
.γ2=ρ2/6.γ8=ρ2/3である。
The cost barrier to be overcome is 5β/12. T
The parameters required to calculate opt are γ1=-ρ2/2
.. γ2=ρ2/6. γ8=ρ2/3.

第3図に、従来法のT(t)=To/Qog(t+1)
;To=3と、Toptを用いて行ったシミュレーショ
ン結果の比較を示す。先ず、第一に、従来法と異なり、
最小値においてほとんどゆらぎが生じない。また、最小
値への収束が早い(a)〜(d)。
Figure 3 shows the conventional method T(t)=To/Qog(t+1)
; Comparison of simulation results performed using To=3 and Topt is shown. First of all, unlike the conventional method,
Almost no fluctuation occurs at the minimum value. Moreover, convergence to the minimum value is fast (a) to (d).

極端な例(e)、(f)では、従来法では最小値に達し
ない場合でも、本方法では、到達可能である。尚、この
結果は100回シミュレーションを実行し、その平均値
を示したものである。
In extreme examples (e) and (f), even if the conventional method cannot reach the minimum value, the present method can reach it. Note that this result shows the average value obtained by executing the simulation 100 times.

更に複雑な例に対して、適用する。この場合には、式(
26)の積分を直接求められないので、以下に示す様な
近似最適スケジュールを用いる。上記の例で示したスケ
ジュールから分かる大きな特長は、超えるべきコストの
障壁に接近したところで、大きな値をとり、極値近傍で
は○なる値を採ることである。このことから、コスト関
数の2階微分2E が負になるときに最大値に設定して
おけば、最適スケジュールの本質を捉えることができる
と考えられる。そこで、 Topt=Φ〔2E(X))         −(3
1)なる近似スケジュールを提案する。ここに、Φは、
その引き数が正の時は、十分大きな正の定数Φm、負の
時は、0とする。つまり、2階微分が負の時だけ、温度
を高め、付加ノイズを大きくして、極大値を容易に飛び
超えるようにした。この場合のシミユレーテイツドアニ
ーリングのアルゴリズムの全体概念図を第1図に示す。
Apply to more complex examples. In this case, the expression (
Since the integral of 26) cannot be directly obtained, an approximate optimal schedule as shown below is used. The major feature of the schedule shown in the above example is that it takes a large value when approaching the cost barrier to be exceeded, and takes a value of ○ near the extreme value. From this, it is thought that the essence of the optimal schedule can be captured by setting it to the maximum value when the second derivative 2E of the cost function becomes negative. Therefore, Topt=Φ[2E(X)) −(3
1) We propose an approximate schedule. Here, Φ is
When the argument is positive, a sufficiently large positive constant Φm is set; when the argument is negative, it is set to 0. In other words, only when the second-order differential is negative, the temperature is increased and the additional noise is increased so that the maximum value can be easily exceeded. An overall conceptual diagram of the simulated annealing algorithm in this case is shown in FIG.

まず初期状態(101)を設定し、シミユレーテイツド
アニーリング(102)により次の状態(103)を決
定し、終了条件(104)がNoの場合はこれらの過程
をくり返す。アニーリングにおける最適温度(107)
は、与えられた関数(105)の微分式(31)から決
める。この近似スケジュールの有効性を確認するために
、つぎの問題に適用する。変数Xi  (こコニ、j=
1.2.−、N(N=100X100)で、iは2次元
平面格子上の点において定義する)は±1の2値をとる
ものとする。最小値すべきコスト関数Eとして、 E((x))=Σ(−ΣX i Xj +h X i 
) ・・・(32)iコ が与えられているものとする。最初のΣは全ての変数に
ついての和、次のΣは平面上において第1番目の変数に
隣接する変数についての和を表わす6hは正の定数で、
ここでは0.1  に設定する。また、Xiの初期状態
はランダムに与えられているものとする。この問題の困
難さは、変数Xiが2値しかとらないことから、多数の
極小値が存在することにある。2値変数のままでも最小
化は可能であるが、ここでは、より低いコストが実現可
能なホップフィールド(Hopfield and T
ank。
First, an initial state (101) is set, a next state (103) is determined by simulated annealing (102), and if the end condition (104) is No, these processes are repeated. Optimal temperature in annealing (107)
is determined from the differential equation (31) of the given function (105). In order to confirm the effectiveness of this approximate schedule, we apply it to the following problem. Variable Xi (Kokoni, j=
1.2. −, N (N=100×100, where i is defined as a point on a two-dimensional plane grid) take two values of ±1. As the cost function E that should be the minimum value, E((x))=Σ(-ΣX i Xj + h X i
)...(32) Assume that i is given. The first Σ represents the sum of all variables, the second Σ represents the sum of variables adjacent to the first variable on the plane, and 6h is a positive constant.
Here, it is set to 0.1. Further, it is assumed that the initial state of Xi is randomly given. The difficulty of this problem lies in the fact that since the variable Xi takes only two values, there are many local minimum values. Minimization is possible even with binary variables, but here we use Hopfield and T
ank.

Biologica]、 Cybernetics、 
vol、 52. p、142.(1985年))の定
式化に則り、2値を連続値に変換してシミュレーション
を実行する。このため、元の変数Xiを X i =tanh(F j、 / B )     
    −(33)と変換する。明らかに、Fiは一■
から十のまでの連続量になり、Fi=±ωはX i =
±1に対応する。ここで、収束性を高めるために、定数
Bは0.01 に設定した。
Biologica], Cybernetics,
vol, 52. p, 142. (1985)), the binary values are converted into continuous values and the simulation is performed. For this reason, the original variable Xi is changed to X i = tanh(F j, / B )
-(33). Obviously, Fi is one
It becomes a continuous quantity from to 10, and Fi = ±ω is X i =
Corresponds to ±1. Here, in order to improve convergence, constant B was set to 0.01.

比較のため、以下に示す異なる3種類のスケジュールで
式(32)で定義した関数の最小値を求めた。
For comparison, the minimum value of the function defined by equation (32) was determined using three different schedules shown below.

(A)T (t )” To/ fl og(t + 
1 )(B)T(t)=一定 (C)Topt=Φ 〔2E〕 、Φm = 5   
 − (34)モンテカルロシミュレーションの回数を
記号tで表わし、tの最大値t maxは1000回と
した。
(A)T (t)” To/fl og(t +
1) (B) T (t) = constant (C) Topt = Φ [2E], Φm = 5
- (34) The number of Monte Carlo simulations is represented by the symbol t, and the maximum value t max of t is 1000 times.

また、比較のためToptの最小値は0ではなく、(A
)のTのt’mayにおける値である1/n oH(t
 max+ 1 )に設定した。シミュレーション結果
を第4図に示す。(A)の従来法において、To=1.
0と4.0 でシミュレーションを実行した。初期の時
刻においては多少異なる値を示すが、tmaxにおける
コストとして両者ともほぼ同じ値である−=−0,63
を与える。しかし、(C)では、明らかに、他の方法よ
りもかなり低いコストである−0.90 を得ることが
できた。しかし、(C)の方法では単に温度を上げたこ
とにより、低コストが得られたものと思われるが、事情
は全く異なる。このことを見るために、(B)で、T(
1:)=5.0  なる高温でシミュレーションを実行
した。結果は、大きなノイズのために従来法よりもさら
に悪くなった。
Also, for comparison, the minimum value of Topt is not 0, but (A
) is the value of T at t'may, 1/n oH(t
max+1). Figure 4 shows the simulation results. In the conventional method (A), To=1.
Simulations were performed with 0 and 4.0. Although they show slightly different values at the initial time, both have almost the same cost at tmax -=-0,63
give. However, in (C) we were able to obtain −0.90, which is clearly a much lower cost than the other methods. However, although method (C) seems to have achieved low cost simply by increasing the temperature, the circumstances are completely different. To see this, in (B), T(
The simulation was performed at a high temperature of 1:)=5.0. The results were even worse than the conventional method due to large noise.

第5図は、本発明を利用した画像処理システムの概要を
模式的に示す。被観測物5]をITVカメラ52により
撮像して得られた電気信号は、少なくともプロセッサと
メモリを有する画像処理装置60に送られ、アナログ・
ディジタル変換及び量子化装置53によりディジタル画
像データに変換され、原始画像データとしてファイル5
4に格納される。この原始画像データには、ITVカメ
ラ52に非線形特性に起因する誤差の他に、種々の要因
による雑音が混入している。次いで、原始画像データは
、ファイル54から読出され、例えば確率的な画像処理
装置55に送られる。この処理において、エツジの鈍化
なしに雑音の除去するなどの処理は、一般に、原始画像
データから構成される画像のエネルギーを最小にするこ
とにより達成される。この最小化は本発明による最小・
最大値探索装置56で行われる。処理は第1図、第2図
に従って反覆法により行なわれ、中間結果はファイル5
7に格納される。処理された画像データは、ファイル5
8に蓄積され、その後、必要に応じて読出され、他の画
像処理を受け、あるいは、ディジタルアナログ変換59
装置に送られた後。
FIG. 5 schematically shows an outline of an image processing system using the present invention. The electrical signal obtained by imaging the object to be observed 5 with the ITV camera 52 is sent to an image processing device 60 having at least a processor and a memory, and is processed as an analog signal.
It is converted into digital image data by the digital conversion and quantization device 53, and the file 5 is converted as original image data.
It is stored in 4. This original image data contains noise due to various factors in addition to errors caused by the nonlinear characteristics of the ITV camera 52. The original image data is then read from the file 54 and sent to, for example, a probabilistic image processing device 55. In this process, processing such as noise removal without edge blunting is generally achieved by minimizing the energy of the image comprised of the original image data. This minimization is achieved by the minimization according to the present invention.
This is performed by the maximum value search device 56. The processing is carried out by the iterative method according to Figures 1 and 2, and the intermediate results are in file 5.
7 is stored. The processed image data is file 5.
8 and then read out as needed, subjected to other image processing, or digital-to-analog conversion 59
After being sent to the device.

表示装置60上に表示される。It is displayed on the display device 60.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

多数の極値を持つ関数の最小値(最大値)を求める場合
、関数Eの代わりにexp(E / T )の最大化を
考え、シミユレーテイツドアニーリングと呼ばれる確率
的山登り法が提案されている。ここに導入した、パラメ
ータTは温度と呼ばれ、ランダムノイズを発生させ確率
的な取り扱いを許すために導入したものである。従って
、Eの最小値に達した時には、Tを0にもってゆき、誤
差なしにその最小値に停留させる必要がある。Tをどの
ようにして低温にしてゆくかを決めることが、シミユレ
ーテイツドアニーリングの最大の課題である。
When finding the minimum (maximum) value of a function that has many extreme values, a stochastic hill-climbing method called simulated annealing has been proposed, considering the maximization of exp(E/T) instead of the function E. ing. The parameter T introduced here is called temperature, and was introduced to generate random noise and allow stochastic handling. Therefore, when the minimum value of E is reached, it is necessary to bring T to 0 and stay at that minimum value without error. Deciding how to lower T to a low temperature is the biggest challenge in simulated annealing.

このため、初期状態から最終目標である最大値を与える
状態までに至る時刻を最小にする様に、温度を決定した
。シミュレーション実験の結果、多数の独立変数ももつ
複雑な非線形関数に対しても、従来の方法よりも低い最
小値を得ることが確認できた。これにより、最小値を確
実に素早く求めることが可能となった。
For this reason, the temperature was determined so as to minimize the time from the initial state to the state giving the maximum value, which is the ultimate goal. As a result of simulation experiments, it was confirmed that the method can obtain lower minimum values than conventional methods even for complex nonlinear functions with many independent variables. This makes it possible to quickly and reliably find the minimum value.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例である最小最大値探索装置の
アルゴリズムの全体概念図、第2図はシミユレーテイツ
ドアニーリングの計算方法、第3図および第4図は本発
明の応用例を示す。第5図は、本発明を画像処理に利用
した場合の画像処理システムを示す。 102・・・シミュレーテイッドアニーリング、107
・・最適温度(スケジュール)。
Fig. 1 is an overall conceptual diagram of the algorithm of the minimum-maximum value search device which is an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a calculation method of simulated annealing, and Figs. 3 and 4 are applications of the present invention. Give an example. FIG. 5 shows an image processing system in which the present invention is utilized for image processing. 102...Simulated annealing, 107
...Optimal temperature (schedule).

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1、シミユレーテイツドアニーリングと呼ばれる確率的
山登り法により多数の極値を持つ関数E又は(−E)の
最小値を求める場合において、確率的に扱うために導入
した温度Tを用いて雑音を発生させ、与えられた関数E
の代わりにexp(−E/T)の最大化を考え、初期状
態から最小値を与える状態までに至る時刻を最小となる
ようにすくなくともEの形状を考慮して温度Tを決定し
、最小値に達した時には0にし、誤差なくそこに停留さ
せることを特徴とする最小・最大値探索方式。
1. When finding the minimum value of a function E or (-E) that has many extreme values using a stochastic hill-climbing method called simulated annealing, the temperature T introduced for stochastic handling is used to calculate noise. and the given function E
Instead, consider maximizing exp(-E/T), consider at least the shape of E, and determine the temperature T so as to minimize the time from the initial state to the state that gives the minimum value. A minimum/maximum value search method that is characterized by setting it to 0 when it reaches , and stopping it there without error.
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