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人工智能課件cumt-第三章-搜索策略-wenkub.com

2024-08-11 13:23 本頁(yè)面
   

【正文】 此過(guò)程生成一個(gè)明確的圖 G(搜索圖)和一個(gè) G的子集 T(搜索樹(shù))。對(duì)已經(jīng)在OPEN表上的每一個(gè) M成員,比較子節(jié)點(diǎn) ni經(jīng)由新、老父節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)函數(shù)值 f(n,ni)、 f(ni)。 ? 如何用評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) A算法 ? ( 掌握! ) 2022/8/21 101 啟發(fā)式搜索 ——( 掌握 ) ? A算法 的設(shè)計(jì)與 一般圖搜索 相同,劃分為二個(gè)階段: ? 初始化 ? 建立只包含初始狀態(tài)節(jié)點(diǎn) s的搜索圖 G:={s} ? OPEN:={s} ? CLOSE:={} ? 搜索循環(huán) ? MOVEFIRST(OPEN)取出 OPEN表首 的節(jié)點(diǎn) n ? ⑥ 擴(kuò)展出 n的子節(jié)點(diǎn) ,插入搜索圖 G和 OPEN表 ? ⑦ 適當(dāng)?shù)臉?biāo)記和修改指針( 子節(jié)點(diǎn) ?父節(jié)點(diǎn) ) ? ⑧ 排序 OPEN表( 評(píng)價(jià)函數(shù) f(n)的值排序) ? 通過(guò)循環(huán)地執(zhí)行該算法,搜索圖會(huì)因不斷有新節(jié)點(diǎn)加入而逐步長(zhǎng)大,直到搜索到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。 ? 和寬度優(yōu)先搜索一樣,它是最優(yōu)的,也是完備的。 2022/8/21 93 ? 寬度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索和迭代加深搜索都可以用于生成和測(cè)試算法。 ? 當(dāng)深度限制為 m時(shí),樹(shù)的深度為 m。 2022/8/21 89 改進(jìn)方法 : (迭代加深搜索) 先任意給定一個(gè)較小的數(shù)作為 dm,然后按有界深度算法搜索,若在此深度限制內(nèi)找到了解,則算法結(jié)束;如在此限制內(nèi)沒(méi)有找到問(wèn)題的解,則增大深度限制dm,繼續(xù)搜索。 ? 但是當(dāng) dm取得太小,解的路徑長(zhǎng)度大于 dm時(shí),則搜索過(guò)程中就找不到解,即這時(shí)搜索過(guò)程甚至是不完備的。 ?節(jié)點(diǎn)排序的盲目性 , 由于不采用領(lǐng)域?qū)iT(mén)知識(shí)去指導(dǎo)排序 , 往往會(huì)在白白搜索了大量無(wú)關(guān)的狀態(tài)節(jié)點(diǎn)后才碰到解答 , 所以也稱為 盲目搜索 。 寬度優(yōu)先搜索優(yōu)點(diǎn): 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)如果存在,用寬度優(yōu)先搜索算法總可以找到該目標(biāo)節(jié)點(diǎn),而且是最?。醋疃搪窂剑┑墓?jié)點(diǎn)。 If current=goal 成功返回并結(jié)束; Else do Begin 如果 current有子女,則 current的子女 以任意次序添加到隊(duì)列的尾部; End Until 隊(duì)列為空 End ?采用隊(duì)列結(jié)構(gòu),寬度優(yōu)先算法可以表示如下: 2022/8/21 82 ? 寬度優(yōu)先搜索算法原理: ? 如果當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)不是目標(biāo)節(jié)點(diǎn),則把當(dāng)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的子孫以任意順序增加到隊(duì)列的后面,并把隊(duì)列的前端元素定義為 current。 ? 寬度優(yōu)先 ——擴(kuò)展當(dāng)前節(jié)點(diǎn)后生成的子節(jié)點(diǎn)總是 置于OPEN表的后端 ,即 OPEN表 作為 隊(duì)列 , 先進(jìn)先出 ,使搜索優(yōu)先向橫向方向發(fā)展 。 主要問(wèn)題是可能搜索到了錯(cuò)誤的路徑上。 ? 遍歷 一棵樹(shù)的過(guò)程(下圖)。這種改進(jìn)的方法叫做迭代加深搜索 。 2022/8/21 69 狀態(tài)空間搜索 —— ( 2)一般圖搜索算法 ? OPEN表中節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單的排序方式 : ? 深度優(yōu)先 ——擴(kuò)展當(dāng)前節(jié)點(diǎn)后生成的子節(jié)點(diǎn)總是 置于OPEN表的前端 ,即 OPEN表 作為 棧 , 后進(jìn)先出 ,使 搜索優(yōu)先向縱深方向發(fā)展 。 狀態(tài)空間搜索 —— 節(jié)點(diǎn) ni 節(jié)點(diǎn)ni+1 節(jié)點(diǎn) nj 2022/8/21 43 狀態(tài)空間搜索 —— ( 1)搜索術(shù)語(yǔ) ? 路徑代價(jià) ?目標(biāo)狀態(tài)節(jié)點(diǎn) ng 節(jié)點(diǎn) ni 節(jié)點(diǎn) nk C(nk,ng) C(ni,nk) C(ni,ng) ?2022/8/21 44 狀態(tài)空間搜索 —— ( 2)一般圖搜索算法 ? 符號(hào)說(shuō)明: ? s初始狀態(tài)節(jié)點(diǎn) ? G搜索圖 ? OPEN存放 待擴(kuò)展節(jié)點(diǎn) 的表 ? CLOSE存放 已被擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn) 的表 ? MOVEFIRST(OPEN)取 OPEN表首的節(jié)點(diǎn) 作為 當(dāng)前要被擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn) n,同時(shí) 將節(jié)點(diǎn) n移至 CLOSE表 ? 一般圖搜索算法劃分為二個(gè)階段: ? 初始化 ? 搜索循環(huán) 2022/8/21 45 狀態(tài)空間搜索 —— ( 2)一般圖搜索算法 ? 算法劃分為二個(gè)階段: ? 初始化 ? 建立 只包含初始狀態(tài)節(jié)點(diǎn) s的搜索圖 G:={s} ? OPEN:={s} ? CLOSE:={} ? 搜索循環(huán) ? MOVEFIRST(OPEN)取出 OPEN表首的節(jié)點(diǎn) n作為擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn),同時(shí)將其移到 close表 ? 擴(kuò)展出 n的子節(jié)點(diǎn) ,插入 搜索圖 G和 OPEN表 ? 適當(dāng)?shù)臉?biāo)記和修改指針 ? 排序 OPEN表 ? 通過(guò)循環(huán)地執(zhí)行該算法, 搜索圖 G會(huì)因不斷有新節(jié)點(diǎn)加入而逐步長(zhǎng)大,直到搜索到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。 ? 僅需 4個(gè)操作算子 ? 第三步:設(shè)計(jì)搜索引擎 ? 問(wèn)題狀態(tài)空間的大小 與 問(wèn)題涉及的元素 個(gè)數(shù)是程 指數(shù)級(jí)爆炸式增長(zhǎng) (即, 組合爆炸問(wèn)題 ) ? 如,棋盤(pán)布局(問(wèn)題狀態(tài))總共有 9!=362880個(gè) ? 研究焦點(diǎn) 是 解決組合爆炸問(wèn)題 , 通過(guò)壓縮搜索空間 , 提高搜索效率 。 ? 狀態(tài)空間 一般都表示為 或圖 ( 一般圖 ) ? 搜索圖 ——在 搜索解答路徑 的過(guò)程中畫(huà)出搜索時(shí)涉及到的節(jié)點(diǎn)和弧線 , 構(gòu)成所謂的 搜索圖 。 ? 解答路徑 ——初 目變遷過(guò)程中 的 狀態(tài)序列 或相應(yīng)的 操作算子調(diào)用序列 。從而 ,問(wèn)題求解任務(wù)可描述為 (1, 1, 1, 1) (0, 0, 0, 0) ? 由于問(wèn)題簡(jiǎn)單 ,狀態(tài)空間中可能的狀態(tài)總數(shù)為 2 2 2 2 = 16,由于要遵從安全限制 ,合法的狀態(tài)只有 (除初、目狀態(tài)外 ): 1110, 1101, 1011, 1010, 0101, 0001, 0010, 0100; 不合法狀態(tài)有 : 0111,1000,1100,0011,0110,1001 ? 設(shè)計(jì)二類(lèi)操作算子 :Lx、 Rx,x為 m、 f、 s、 v時(shí)分別指示農(nóng)夫獨(dú)自 ,帶狐貍 ,帶小羊 ,帶菜過(guò)河;狀態(tài)空間圖如下所示 .由于Lx和 Rx是互逆操作 ,故而解答路徑可有無(wú)數(shù)條 ,但最近的只有二條 。假設(shè)船太小,農(nóng)夫每次只能帶一樣?xùn)|西過(guò)河;考慮到安全,無(wú)農(nóng)夫看管時(shí),狐貍和小羊不能在一起,小羊和那籃菜也不能在一起。這樣,在從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)變到目標(biāo)狀態(tài)時(shí),就可能存在多個(gè)操作序列 (即得到多個(gè)解 )。 ? 問(wèn)題的求解過(guò)程是一個(gè) 不斷把操作作用于狀態(tài)的過(guò)程 。 ? Nm=0且 0≤Nc≤N (右岸沒(méi)有傳道士,左岸一定安全 )。 現(xiàn)在的 問(wèn)題 是:對(duì)于指定的 初始棋局 和 目標(biāo)棋局 ,給出 數(shù)碼的移動(dòng)序列 。 ? 節(jié)點(diǎn) ? 狀態(tài) ? 有向弧 ? 狀態(tài)的變遷 ? 弧上的標(biāo)簽 ? 導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)變遷的操作算子 用 狀態(tài)空間搜索 來(lái)求解問(wèn)題的系統(tǒng)均定義一個(gè) 狀態(tài)空間 ,并通過(guò)適當(dāng)?shù)?搜索算法 在 狀態(tài)空間 中搜索 解答路徑 。 ? 對(duì)于啟發(fā)式搜索,在計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)之前無(wú)法確定先選擇哪個(gè)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展 ,這種搜索一般也稱為 非確定 的。 在樹(shù)的最深一層的節(jié)點(diǎn)中擴(kuò)展一個(gè)節(jié)點(diǎn)。 ?啟發(fā)式搜索 是在搜索過(guò)程中加入了 與問(wèn)題有關(guān)的啟發(fā)式信息 ,用于指導(dǎo)搜索朝著最有希望的方向前進(jìn),加速問(wèn)題的求解并找到最優(yōu)解。搜索空間通常是指一系列狀態(tài)的匯集,因此稱為 狀態(tài)空間 。 其中,初始狀態(tài)集合和操作符集合定義了問(wèn)題的搜索空間。(執(zhí)行階段) ? 因此,求解問(wèn)題包括: ?目標(biāo)表示 ?搜索 ?執(zhí)行 2022/8/21 5 ( 1)初始狀態(tài)集合:定義了初始的環(huán)境。 ?基于給定的問(wèn)題,問(wèn)題求解的第一步是目標(biāo)的表示。 ?搜索就是找到智能系統(tǒng)的 動(dòng)作序列的過(guò)程 。 ( 2)操作符集合:把一個(gè)問(wèn)題從一個(gè)狀態(tài)變換為另一個(gè)狀態(tài)的動(dòng)作集合。 ?一般給定問(wèn)題就是確定該問(wèn)題的一些基本信息,一個(gè)問(wèn)題由 4部分組成 : 2022/8/21 6 ? 和通常的搜索空間不同,人工智能中大多數(shù)問(wèn)題的狀態(tài)空間在問(wèn)題求解之前不是全部知道的。 2022/8/21 7 ?所以,人工智能中的搜索可以分成兩個(gè)階段: ? 狀態(tài)空間的生成階段 ? 在該狀態(tài)空間中對(duì)所求問(wèn)題狀態(tài)的搜索 ?搜索可以根據(jù)是否使用啟發(fā)式信息分為 ?盲目搜索 ?啟發(fā)式搜索 2022/8/21 8 ?盲目搜索 只是可以區(qū)分出哪個(gè)是目標(biāo)狀態(tài)。 2022/8/21 9 ? 根據(jù)問(wèn)題的表示方式分為 ? 狀態(tài)空間搜索 ? 與或圖搜索 狀態(tài)空間搜索是用狀態(tài)空間法來(lái)求解問(wèn)題所進(jìn)行的搜索 與 /或圖搜索是指用問(wèn)題規(guī)約方法來(lái)求解問(wèn)題時(shí)所進(jìn)行的搜索。只有當(dāng)搜索遇到一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)(非目標(biāo)節(jié)點(diǎn)并且是無(wú)法擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn))的時(shí)候,才返回上一層選擇其他的節(jié)點(diǎn)搜索。 2022/8/21 12 ? 完備性: ? 如果存在一個(gè)解答,該策略是否保證能夠找到? ? 時(shí)間復(fù)雜性: ? 需要多長(zhǎng)時(shí)間可以找到解答? ? 空間復(fù)雜性: ? 執(zhí)行搜索需要多少存儲(chǔ)空間? ? 最優(yōu)性: ? 如果存在不同的幾個(gè)解答,該策略是否可以發(fā)現(xiàn)最高質(zhì)量的解答? 搜索策略評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) : 2022/8/21 13 有許多智力問(wèn)題 (如梵塔問(wèn)題、旅行商問(wèn)題、八皇后問(wèn)題、農(nóng)夫過(guò)河問(wèn)題等 )和實(shí)際問(wèn)題(如路徑規(guī)劃、機(jī)器人行動(dòng)規(guī)劃等)都可以歸結(jié)為 狀態(tài)空間搜索 。 2022/8/21 16 例 1: 走迷宮 是人們熟悉的一種游戲 。 該問(wèn)題稱為 八數(shù)碼問(wèn)題 。 2022/8/21 23 設(shè) 初始狀態(tài) 下傳教士、野人和船都在左岸, 目標(biāo)狀態(tài) 下這三者均在右岸, 問(wèn)題狀態(tài) 以 ( m,c,b) 表示。如果在使用某個(gè)操作后得到的新?tīng)顟B(tài)是目標(biāo)狀態(tài),就得到了問(wèn)題的一個(gè)解。那么,其中 使用操作最少或較少的解才為最優(yōu)解 (因?yàn)橹挥性谑褂貌僮鲿r(shí)所付出的代價(jià)為最小的解才是最優(yōu)解 )。請(qǐng)為該問(wèn)題的解決設(shè)計(jì)狀態(tài)空間,并畫(huà)出狀態(tài)空間圖。都是 7個(gè)操作步 . ? 思考:為什么不把船的狀態(tài)放到狀態(tài)空間中去? 2022/8/21 30 解析 :四元組 (m、 f、 s、 v) 2022/8/21 31 狀態(tài)空間搜索 —— (3)狀態(tài)空間的搜索 ? 狀態(tài)空間的搜索記為 SE,可表示為五元組: ? SE=(S,O,E,I,G); ? E——搜索引擎; ? I——問(wèn)題的初始狀態(tài), I ∈ S; ? G——問(wèn)題的目標(biāo)狀態(tài)集合, G ? S。 2022/8/21 32 狀態(tài)空間搜索 —— ? 或圖(一般圖) ? 一個(gè)狀態(tài) 可以 有多個(gè)可供選擇 的操作算子; ? 操作算子間的選擇是一種 “ 或 ” 的關(guān)系 。 狀態(tài)空間搜索 一般圖搜索 2022/8/21 34 狀態(tài)空間搜索 —— (3)狀態(tài)空間的搜索 ? 狀態(tài)空間 、 搜索圖 和 解答路徑 之間的關(guān)系 S0 Sg 2022/8/21 35 狀態(tài)空間搜索 —— (4)一般圖搜索例子 ——八數(shù)碼游戲 ? 求解的問(wèn)題: ? 給定初始布局 (即 初始狀態(tài) )和目標(biāo)布局 (即 目標(biāo)狀態(tài) ), ? 如何移動(dòng)數(shù)碼才能從初始布局到達(dá)目標(biāo)布局 ? ? 解答 ? 就是一個(gè)合法的 棋牌走步序列 。 2022/8/21 39 狀態(tài)空間搜索 —— 狀態(tài)空間 、 搜索圖 和 解答路徑 之間的關(guān)系 S0 Sg 2022/8/21 40 狀態(tài)空間搜索 —— ( 1)搜索術(shù)語(yǔ) ? 節(jié)點(diǎn)深度 ? 根節(jié)點(diǎn) 指示 初始狀態(tài) ,令其深度為 0; ? 搜索圖中的其他節(jié)點(diǎn)的 深度 dn就可以遞歸地定義為其 父節(jié)點(diǎn)深度 dn1加 1: dn= dn1+1。 2022/8/21 46 以下面的八數(shù)碼為例,看一般圖的搜索算法 初始布局 目標(biāo)布局 移動(dòng)數(shù)碼 5674832158642731狀態(tài)空間搜索 —— 2022/8/21 47 初 始 化開(kāi) 始O P E N 表 = { }失 敗是取 得 待 擴(kuò) 展 節(jié) 點(diǎn) nn : = M O V E F I R S T ( O P E N )否n 是 目 標(biāo) 狀 態(tài) 節(jié) 點(diǎn)成 功是擴(kuò) 展 節(jié) 點(diǎn) n 的 子 節(jié) 點(diǎn)插 入 搜 索 圖 G 和 O P E N 表 否標(biāo) 記 和 修 改 指 針重 新 排 序 O P E N 表??????????5864273012022/8/21 48 初 始 化開(kāi) 始O P E N 表 = { }失 敗是取 得 待 擴(kuò) 展 節(jié) 點(diǎn) nn : = M O V E F I R S T ( O P E N )否n 是 目 標(biāo) 狀 態(tài) 節(jié) 點(diǎn)成 功是擴(kuò) 展 節(jié) 點(diǎn) n 的 子 節(jié) 點(diǎn)插 入 搜 索 圖 G 和
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