›

Bài giảng Nhập môn trí tuệ nhân tạo - Chương 3: Không gian trạng thái và Các phương pháp tìm kiếm mù - Ngô Hữu Phúc

pdf 68 trang cucquyet12 3380
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Nhập môn trí tuệ nhân tạo - Chương 3: Không gian trạng thái và Các phương pháp tìm kiếm mù - Ngô Hữu Phúc", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_nhap_mon_tri_tue_nhan_tao_chuong_3_khong_gian_tran.pdf

Nội dung text: Bài giảng Nhập môn trí tuệ nhân tạo - Chương 3: Không gian trạng thái và Các phương pháp tìm kiếm mù - Ngô Hữu Phúc

  1. Trí tuệ nhân tạo Chương 3 Không gian trạng thái và Các phương pháp tìm kiếm mù Biên soạn: TS Ngô Hữu Phúc Bộ môn Khoa học máy tính ĐT: 098 56 96 580 eMail: ngohuuphuc76@gmail.com 1 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  2. Thông tin chung  Thông tin về nhóm môn học: TT Họ tên giáo viên Học hàm Học vị Đơn vị công tác (Bộ môn) 1 Ngô Hữu Phúc GVC TS BM Khoa học máy tính 2 Trần Nguyên Ngọc GVC TS BM Khoa học máy tính 3 Hà Chí Trung GVC TS BM Khoa học máy tính 4 Trần Cao Trưởng GV ThS BM Khoa học máy tính  Thời gian, địa điểm làm việc: Bộ môn Khoa học máy tính Tầng 2, nhà A1.  Địa chỉ liên hệ: Bộ môn Khoa học máy tính, khoa Công nghệ thông tin.  Điện thoại, email: 069-515-329, ngohuuphuc76.mta@gmail.com. 2 TTNT - Học viện Kỹ thuật Quân sự
  3. Cấu trúc môn học  Chương 1: Giới thiệu chung.  Chương 2: Logic hình thức.  Chương 3: Các phương pháp tìm kiếm mù.  Chương 4: Các phương pháp tìm kiếm có sử dụng thông tin.  Chương 5: Các chiến lược tìm kiếm có đối thủ.  Chương 6: Các bài toán thỏa rằng buộc.  Chương 7: Nhập môn học máy. 3 TTNT - Học viện Kỹ thuật Quân sự
  4. Bài 3: Tìm kiếm mù Chương 3, mục: 3.1 – 3.6 Tiết: 1-3; Tuần thứ: 4. Mục đích, yêu cầu: 1. Nắm được phương pháp giải quyết vấn đề. 2. Nắm được các khái niệm về không gian trạng thái. 3. Nắm được các phương pháp tìm kiếm yếu; qua đó nắm được ưu, nhược điểm của các phương pháp trên. Hình thức tổ chức dạy học: Lý thuyết. Thời gian: 3 tiết. Địa điểm: Giảng đường do Phòng Đào tạo phân công Nội dung chính: (Slides) 4 TTNT - Học viện Kỹ thuật Quân sự
  5. Nội dung bài học 1. Khái niệm về “Giải quyết một số vấn đề”. 2. Không gian trạng thái. 3. Phân loại vấn đề. 4. Các chiến lược tìm kiếm trên không gian trạng thái:  Tìm kiếm hướng từ dữ liệu (data – driven)  Tìm kiếm hướng từ mục tiêu (goal – driven). 5. Tìm kiếm trên không gian trạng thái:  Tìm kiếm rộng (breath – first search).  Tìm kiếm sâu (depth – first search).  Tìm kiếm sâu bằng cách đào sâu nhiều lần (depth – first search with iterative deepening). 6. Đồ thị and/or. 5 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  6. 1. Khái niệm về “Giải quyết một số vấn đề” Giải quyết vấn đề là gì?  Để giải quyết vấn đề: 1. Phát biểu chính xác bài toán  Hiện trạng ban đầu,  Kết quả mong muốn, 2. Phân tích bài toán. 3. Thu thập và biểu diễn dữ liệu, tri thức cần thiết để giải bài toán. 4. Lựa chọn kỹ thuật giải quyết thích hợp. 6 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  7. 2. Không gian trạng thái - Mở đầu  Khi biểu diễn một vấn đề như là một đồ thị không gian trạng thái, chúng ta có thể sử dụng lý thuyết đồ thị để phân tích cấu trúc và độ phức tạp của các vấn đề cũng như các thủ tục tìm kiếm. rb1 Riverbank1 b2 b4 b3 4 2 3 b1 i2 1 Island1 Island 2 i1 5 6 7 b6 b5 b7 Riverbank 2 rb2 Hệ thống cầu thành phố Konigsberg và biểu diễn đồ thị tương ứng (Leonhard Euler ) 7 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  8. 2. Không gian trạng thái Khái niệm về Không gian trạng thái Một KGTT (state space) là 1 bộ [N, A, S, GD] trong đó:  N (node) là các nút hay các trạng thái của đồ thị.  A (arc) là tập các cung (hay các liên kết) giữa các nút.  S (start) là một tập chứa các trạng thái ban đầu của bài toán.(S  N  S )  GD (Goal Description) chứa các trạng thái đích của bài toán (S  N  S ). Các trạng thái trong GD được mô tả theo một trong hai đặc tính:  Đặc tính có thể đo lường được các trạng thái gặp trong quá trình tìm kiếm. VD: Tic-tac- toe, 8-puzzle,  Đặc tính của đường đi được hình thành trong quá trình tìm kiếm. VD: TSP  Đường đi của lời giải (solution path) là một con đường đi qua đồ thị này từ một nút thuộc S đến một nút thuộc GD. 8 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  9. 2. Không gian trạng thái Một phần KGTT triển khai trong Tic-tac-toe Đồ thị có hướng không lặp lại (directed acyclic graph - DAG) 9 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  10. 2. Không gian trạng thái Trò đố 8 ô hay 15 ô Trạng thái ban đầu Trạng thái đích  Trò đố 15 ô 11 14 4 7 1 2 3 4 10 6 5 12 13 14 5 1 2 13 15 11 15 6 9 12 8 3 10 9 8 7  Trò đố 8 ô 2 8 1 2 3 3 5 7 8 4 6 2 1 7 6 5  Cần biểu diễn KGTT cho bài toán này như thế nào? 10 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  11. 2. Không gian trạng thái Không gian trạng thái của bài toán 8 ô số sinh Có khả năng xảy ra ra bằng phép “di chuyển vòng lặp không? ô trống” 11 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  12. 2. Không gian trạng thái Biểu diễn không gian trạng thái bài toán người đưa thư  Cần biểu diễn KGTT cho bài toán này như thế nào? 12 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  13. 2. Không gian trạng thái Mỗi cung được đánh dấu bằng tổng giá của con đường từ nút bắt đầu đến nút hiện tại. 13 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  14. 2. Không gian trạng thái Các yếu tố xác định không gian trạng thái 1. Trạng thái. 2. Hành động. 3. Kiểm tra trạng thái thoả đích. 4. Chi phí cho mỗi bước chuyển trạng thái. 14 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  15. 3. Phân loại vấn đề Các đặc trưng của vấn đề 1. Tính khả tách. 2. Có thể huỷ bỏ hay lần ngược bước giải? 3. Không gian bài toán có đoán định được trước? (sau mỗi bước giải). 4. Cần lời giải tốt hay tối ưu? 5. Lời giải là trạng thái hay dãy chuyển trạng thái? 6. Vai trò của tri thức? 7. Quá trình giải có cần tương tác người máy? 15 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  16. 3. Phân loại vấn đề Đơn định/nắm toán bộ Đơn định/nắm được bộ không gian trạng thái phận trong không gian trạng thái Không đơn định/nắm Không đơn định/không được một bộ phận của nắm được bộ phận của không gian trạng thái không gian trạng thái 16 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  17. 4. Các chiến lược cho TK-KGTT 1. TK hướng từ dữ liệu (Data-driven Search)  Suy diễn tiến (forward chaining) 2. TK hướng từ mục tiêu (Goal-driven Search)  Suy diễn lùi (backward chaining) 17 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  18. 4. Các chiến lược cho TK-KGTT 1. TK hướng từ dữ liệu (Data-driven Search)  Việc tìm kiếm đi từ dữ liệu đến mục tiêu  Thích hợp khi:  Tất cả hoặc một phần dữ liệu được cho từ đầu.  Có nhiều mục tiêu, nhưng chỉ có một số ít các phép toán có thể áp dụng cho một trạng thái bài toán.  Rất khó đưa ra một mục tiêu hoặc giả thuyết ngay lúc đầu. 18 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  19. 4. Các chiến lược cho TK-KGTT 2. TK hướng từ mục tiêu (Goal-driven Search)  Việc tìm kiếm đi từ mục tiêu trở về dữ liệu.  Thích hợp khi:  Có thể đưa ra mục tiêu hoặc giả thuyết ngay lúc đầu.  Có nhiều phép toán có thể áp dụng trên 1 trạng thái của bài toán → sự bùng nổ số lượng các trạng thái.  Các dữ liệu của bài toán không được cho trước, nhưng hệ thống phải đạt được trong quá trình tìm kiếm. 19 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  20. 5. Chiến lược tìm kiếm trên đồ thị KGTT Phương pháp đánh giá chiến lược tìm kiếm trên đồ thị KGTT:  Chiến lược tìm kiếm là chiến lược lựa chọn thứ tự xét các nodes tạo ra.  Các tiêu chuẩn để đáng giá chiến lược :  đủ : Liệu có tìm được lời giải (nếu có)?  độ phức tạp thời gian: số lượng node phải xét.  độ phức tạp lưu trữ: Tổng dung lượng bộ nhớ phải lưu trữ (các nodes trong quá trình tìm kiếm.  tối ưu: Có luôn cho lời giải tối ưu.  Độ phực tạp thời gian và lưu trữ của bài toán có thể được đo bằng:  b: Độ phân nhánh của cây  d: Độ sâu của lời giải ngắn nhất  m: Độ sâu tối đa của không gian trạng thái (có thể vô hạn). 20 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  21. 5. Chiến lược tìm kiếm trên đồ thị KGTT Các chiến lược tìm kiếm mù (weak/uninformed/blind search)  Những chiến thuật tìm kiếm chỉ sử dụng thông tin từ định nghĩa của bài toán: 1. Tìm kiếm theo chiều rộng 2. Tìm kiếm đều giá (uniform-cost search). 3. Tìm kiếm theo chiều sâu. 4. Tìm kiếm theo chiều sâu có hạn 5. Tìm kiếm sâu dần. 21 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  22. 5.1. Tìm kiếm theo chiều rộng  Tìm kiếm theo từng tầng. Phát triển các node gần nút nhất.  Cài đặt:  L (danh sách các node đã được sinh ra và chờ được duyệt) được cài đặt dưới dạng danh sách FIFO, i.e., Các node con được sinh ra (bởi EXPAND) sẽ được đặt ở dưới cùng của L. 22 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  23. 5.1. Tìm kiếm theo chiều rộng  Tìm kiếm theo từng tầng. Phát triển các node gần nút nhất.  Cài đặt:  L (danh sách các node đã được sinh ra và chờ được duyệt) được cài đặt dưới dạng danh sách FIFO, i.e., Các node con được sinh ra (bởi EXPAND) sẽ được đặt ở dưới cùng của L. 23 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  24. 5.1. Tìm kiếm theo chiều rộng  Tìm kiếm theo từng tầng. Phát triển các node gần nút nhất.  Cài đặt:  L (danh sách các node đã được sinh ra và chờ được duyệt) được cài đặt dưới dạng danh sách FIFO, i.e., Các node con được sinh ra (bởi EXPAND) sẽ được đặt ở dưới cùng của L. 24 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  25. 5.1. Tìm kiếm theo chiều rộng  Tìm kiếm theo từng tầng. Phát triển các node gần nút nhất.  Cài đặt:  L (danh sách các node đã được sinh ra và chờ được duyệt) được cài đặt dưới dạng danh sách FIFO, i.e., Các node con được sinh ra (bởi EXPAND) sẽ được đặt ở dưới cùng của L. 25 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  26. 5.1. Tìm kiếm theo chiều rộng Cài đặt thuật toán tìm kiếm theo chiều rộng Thuật toán tìm kiếm theo bề rộng được mô tả bởi thủ tục sau: procedure Breadth_First_Search; begin 1. Khởi tạo danh sách L chỉ chứa trạng thái ban đầu; 2. loop do 2.1 if L rỗng then {thông báo tìm kiếm thất bại; stop}; 2.2 Loại trạng thái u ở đầu danh sách L; 2.3 if u là trạng thái kết thúc then {thông báo tìm kiếm thành công; stop}; 2.4 for mỗi trạng thái v kề u do { Đặt v vào cuối danh sách L; father(v) ← u} end; Trong thuật toán, sử dụng hàm father(v) để lưu lại cha của mỗi đỉnh trên đường đi, father(v)=u nếu u là cha của đỉnh v. 26 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  27. 5.1. Tìm kiếm theo chiều rộng Nhận xét về thuật toán tìm kiếm theo chiều rộng.  Trong thuật toán tìm kiếm theo chiều rộng, trạng thái nào được sinh ra trước sẽ được phát triển trước, do đó danh sách L được sử dụng là hàng đợi. Trong bước 2.3, ta cần kiểm tra xem u có là trạng thái kết thúc không. Nói chung, các trạng thái kết thúc được xác đinh bởi điều kiện nào đó.  Nếu bài toán có nghiệm (tồn tại đường đi từ trạng thái đầu tới trạng thái kết thúc), thì thuật toán sẽ tìm được nghiệm. 27 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  28. 5.1. Tìm kiếm theo chiều rộng Đánh giá tìm kiếm BFS  Tính đủ?  có (nếu b là hữu hạn).  Thời gian?  1+b+b2+b3+ +bd + b(bd-1) = O(bd+1).  Không gian trạng thái?  O(bd+1) (lưu mọi node của cây).  Tính tối ưu?  có (giải thiết giá của mỗi bước chuyển là 1)  Nhận xét chung: Không gian lưu trữ hết sức tốn kém là vấn đề lớn nhất đối với phương pháp tìm kiếm theo chiều rộng! 28 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  29. 5.2. Tìm kiếm đều giá (uniform-cost search)  Ý tưởng: Xét node có giá tìm kiếm nhỏ nhất trước.  Cài đặt:  L = Hàng đợi có ưu tiên (bằng nghịch dấu giá thành)  Nhận xét chung: Tương đương với BFS nếu các node có giá như nhau.  Đánh giá phương pháp:  Tính đủ?  Có nếu cost ≥ ε  Thời gian?  Số lượng nodes với g ≤ giá của lời giải tối ưu, O(bceiling(C*/ ε)) trong đó C* là giá của lời giải tối ưu.  Không gian trạng thái?  Số lượng nodes với g ≤ giá của lời giải tối ưu, O(bceiling(C*/ ε)).  Tính tối ưu?  Có – nodes được EXPAND theo thứ tự tăng dần của g(n). 29 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  30. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu  Phát triển các node chưa xét ở sâu nhất.  Cài đặt:  L = danh sách kiểu LIFO, i.e., Đẩy các nodes con sinh bởi quá trình phát triển vào đầu L. 30 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  31. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu  Phát triển các node chưa xét ở sâu nhất.  Cài đặt:  L = danh sách kiểu LIFO, i.e., Đẩy các nodes con sinh bởi quá trình phát triển vào đầu L. 31 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  32. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu  Phát triển các node chưa xét ở sâu nhất.  Cài đặt:  L = danh sách kiểu LIFO, i.e., Đẩy các nodes con sinh bởi quá trình phát triển vào đầu L. 32 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  33. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu  Phát triển các node chưa xét ở sâu nhất.  Cài đặt:  L = danh sách kiểu LIFO, i.e., Đẩy các nodes con sinh bởi quá trình phát triển vào đầu L. 33 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  34. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu  Phát triển các node chưa xét ở sâu nhất.  Cài đặt:  L = danh sách kiểu LIFO, i.e., Đẩy các nodes con sinh bởi quá trình phát triển vào đầu L. 34 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  35. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu  Phát triển các node chưa xét ở sâu nhất.  Cài đặt:  L = danh sách kiểu LIFO, i.e., Đẩy các nodes con sinh bởi quá trình phát triển vào đầu L. 35 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  36. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu  Phát triển các node chưa xét ở sâu nhất.  Cài đặt:  L = danh sách kiểu LIFO, i.e., Đẩy các nodes con sinh bởi quá trình phát triển vào đầu L. 36 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  37. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu  Phát triển các node chưa xét ở sâu nhất.  Cài đặt:  L = danh sách kiểu LIFO, i.e., Đẩy các nodes con sinh bởi quá trình phát triển vào đầu L. 37 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  38. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu  Phát triển các node chưa xét ở sâu nhất.  Cài đặt:  L = danh sách kiểu LIFO, i.e., Đẩy các nodes con sinh bởi quá trình phát triển vào đầu L. 38 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  39. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu  Phát triển các node chưa xét ở sâu nhất.  Cài đặt:  L = danh sách kiểu LIFO, i.e., Đẩy các nodes con sinh bởi quá trình phát triển vào đầu L. 39 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  40. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu  Phát triển các node chưa xét ở sâu nhất.  Cài đặt:  L = danh sách kiểu LIFO, i.e., Đẩy các nodes con sinh bởi quá trình phát triển vào đầu L. 40 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  41. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu  Phát triển các node chưa xét ở sâu nhất.  Cài đặt:  L = danh sách kiểu LIFO, i.e., Đẩy các nodes con sinh bởi quá trình phát triển vào đầu L. 41 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  42. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu Cài đặt thuật toán tìm kiếm theo chiều sâu Procedure Depth_First_Search; begin 1. Khởi tạo danh sách L chỉ chứa trạng thái ban đầu u0; 2. loop do 2.1. if L rỗng then {thông báo thất bại; stop}; 2.2. Loại trạng thái u ở đầu danh sách L; 2.3. if u là trạng thái kết thúc then {thông báo thành công; stop}; 2.4. for mỗi trạng thái v kề u do {Đặt v vào đầu danh sách L;}; end; 42 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  43. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu Nhận xét thuật toán tìm kiếm theo chiều sâu  Đối BFS: luôn tìm ra nghiệm nếu bài toán có nghiệm.  Đối với DFS: không phải với bất kỳ bài toán có nghiệm nào thuật toán tìm kiếm theo chiều sâu cũng tìm ra nghiệm. (với bài toán có nghiệm và không gian tìm kiếm hữu hạn mới tìm được nghiệm).  Lý do?  Trong trường hợp không gian trạng thái là vô hạn, thì có thể nó không tìm ra nghiệm vì ta luôn đi sâu xuống, nếu ta đi theo nhánh vô hạn mà nghiệm không nằm trên nhánh đó thì thuật toán sẽ không dừng. 43 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  44. 5.3. Tìm kiếm theo chiều sâu Đánh giá tìm kiếm DFS  Tính đủ?  Không đủ (không gian vô hạn hoặc loop)  Nếu sửa để tránh trùng lặp → đủ trong không gian hữu hạn.  Thời gian?  O(bm)  Rất xấu nếu m lớn hơn nhiều so với d.  Nhưng nếu mật độ lời giải trong không gian lớn thì có thể nhanh hơn BFS.  Không gian trạng thái?  O(bm), i.e., Độ phức tạp tuyến tính  Tính tối ưu?  Không 44 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  45. 5.4. Tìm kiếm với độ sâu giới hạn Là thuật toán DFS với độ sâu giới hạn là d, i.e., nodes tại độ sâu d không có node con (hàm successor trả về rỗng).  Cài đặt: 45 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  46. 5.4. Tìm kiếm với độ sâu giới hạn Procedure Depth_Limited_Search(d); begin 1. Khởi tạo danh sách L chỉ chứa trạng thái ban đầu u0; depth(u0) ← 0; 2. loop do 2.1. if L rỗng then {thông báo thất bại; stop}; 2.2. Loại trạng thái u ở đầu danh sách L; 2.3. if u là trạng thái kết thúc then {thông báo thành công; stop}; 2.4. if depth(u) <= d then for mỗi trạng thái v kề u do {Đặt v vào đầu danh sách L; depth(v) ← depth(u) + 1}; end; 46 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  47. 5.5. Tìm kiếm sâu dần  Độ sâu giới hạn (depth bound):  Giải thuật TK sâu sẽ quay lui khi trạng thái đang xét đạt đến độ sâu giới hạn đã định.  TK Sâu bằng cách đào sâu nhiều lần:  TK sâu với độ sâu giới hạn là 1, nếu thất bại, nó sẽ lặp lại giải thuật TK sâu với độ sâu là 2,  Giải thuật tiếp tục cho đến khi tìm được mục tiêu, mỗi lần lặp lại tăng độ sâu lên 1.  Giải thuật này có độ phức tạp về thời gian cùng bậc với tìm kiếm theo chiều rộng và tìm kiếm theo chiều sâu. 47 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  48. 5.5. Tìm kiếm sâu dần d =0 48 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  49. 5.5. Tìm kiếm sâu dần d =1 49 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  50. 5.5. Tìm kiếm sâu dần d =2 50 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  51. 5.5. Tìm kiếm sâu dần d =3 51 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  52. 5.5. Ví dụ: Trò chơi ô đố 8-puzzle The 8-puzzle searched by a production system with loop detection and depth bound 5 52 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  53. 5.5. Tìm kiếm sâu dần Cài đặt thuật toán tìm kiếm sâu dần Procedure Depth_Deepening_Search; Begin For d← 0 to max do {Depth_Limited_Search(d); If thành công then exit} End; 53 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  54. 5.5. Tìm kiếm sâu dần Nhận xét về tìm kiếm sâu dần:  Số lượng nodes được sinh trong giới hạn độ sâu d với độ phân nhánh b: 0 1 2 d-2 d-1 d NDLS = b + b + b + + b + b + b  Số lượng nodes được sinh trong tìm kiếm sâu dần với độ sâu d độ phân nhánh b: 0 1 2 d-2 d-1 d NIDS = (d+1)b + d b + (d-1)b + + 3b +2b + 1b  Ví dụ b = 10, d = 5,.  NDLS = 1 + 10 + 100 + 1,000 + 10,000 + 100,000 = 111,111.  NIDS = 6 + 50 + 400 + 3,000 + 20,000 + 100,000 = 123,456.  Tỷ lệ (123,456 - 111,111)/111,111 = 11% 54 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  55. 5.5. Tìm kiếm sâu dần Đánh giá tìm kiếm sâu dần  Tính đủ ?  Có.  Thời gian?  (d+1)b0 + d b1 + (d-1)b2 + + bd = O(bd).  Không gian trạng thái?  O(bd).  Tính tối ưu?  Có, nếu giá mỗi bước = 1. 55 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  56. Tóm tắt các chiến lược tìm kiếm 56 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  57. 5.6. Trạng thái bị trùng lặp  Việc không xử lý tốt các trạng thái bị lặp nhiều lần có thể làm cho độ phức tạp (thời gian, không gian) bị bùng nổ tổ hợp.  Giải pháp:  Khi phát triển đỉnh u, không sinh ra các đỉnh trùng với cha của u.  Khi phát triển đỉnh u, không sinh ra các đỉnh trùng với một đỉnh nào đó nằm trên đường dẫn tới u.  Không sinh ra các đỉnh mà nó đã được sinh ra, tức là chỉ sinh ra các đỉnh mới. (giải pháp tốt, nhưng tốn kém không gian lưu trữ) 57 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  58. 5.6. Chia để trị  Thông thường, các bài toán được quy về việc tìm đường trong không gian trạng thái.  Để giải quyết vấn đề, có thể chia nhỏ bài toán thành các vấn đề con. Việc này được thực hiện lặp lại nhiều lần đến khi các vấn đề này có thể giải quyết được.  Một số ví dụ về phương pháp chia để trị. 58 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  59. 5.6. Ví dụ về phương pháp: Tính tích phân  Tính tích phân:  Để tính được tích phân này có thể sử dụng mô hình sau: xe x x3 dx 59 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  60. 5.6. Ví dụ về phương pháp: Tìm đường  Giả sử có bản đồ một thành phố như sau:  Cần tìm đường đi từ A đến B. Như vậy, có thể có 2 trường hợp:  Đường đi từ A đến B qua E,  Đường đi từ A đến B qua G. 60 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  61. 5.6. Ví dụ tìm đường (tiếp)  Như vậy, bài toán tìm đường từ A đến B qua E có thể quy về các bài toán con:  Tìm đường từ A đến E (và),  Tìm đường từ E đến B.  Bài toán tìm đường từ A đến B qua G có thể quy về các bài toán con:  Tìm đường từ A đến G (và),  Tìm đường từ G đến B.  Các quá trình trên được minh họa bằng đồ thị (đồ thị và/hoặc) để giải quyết bài toán. 61 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  62. 5.6. Đồ thị và/hoặc (and/or graph)  Ví dụ về đồ thị và/hoặc cho bài toán tìm đường từ A đến B. 62 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  63. 5.6. Quy tắc xây dựng đồ thị và/hoặc.  Mỗi bài toán ứng với một đỉnh của đồ thị.  Nếu có một toán tử quy một bài toán về một bài toán khác, ví dụ R: a→b, thì trong đồ thị có cung gán nhãn đi từ đỉnh a tới đỉnh b.  Đối với mỗi toán tử quy một bài toán về một số bài toán con, ví dụ R: a→b,c,d, ta đưa một đỉnh mới a1, đỉnh này biểu diễn tập các bài toán con {b,c,d} và bài toán R: a→b,c,d được xây dựng như sau: 63 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  64. 5.6. Ví dụ về đồ thị và/hoặc Xét bài toán sau:  Trạng thái ban đầu (bài toán cần giải) là a.  Tập các toán tử quy gồm:  R1: a→d,e,f  R2: a→d,k  R3: a→g,h  R4: d→b,c  R5: f→i  R6: f→c,j  R7: k→e,l  R8: k→h  Tập các trạng thái kết thúc (các bài toán sơ cấp) là T={b,c,e,j,l} 64 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  65. 5.6. Ví dụ về đồ thị và/hoặc 65 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  66. 5.6. Tìm kiếm trên đồ thị và/hoặc  Thông thường, sử dụng tìm kiếm theo chiều sâu để tìm lời giải cho bài toán.  Tìm đến đỉnh u, đỉnh này có thể giải được hay không tùy thuộc nó thuộc lớp bài toán nào. Hàm Solvable sau sẽ trả về TRUE nếu giải được, nếu không là FALSE. Function Solvable(u); Begin If u là đỉnh kết thúc then {Solvable(u) ← true; stop } If u không là đỉnh kết thúc và không có đỉnh kề then {Solvable(u) ← false; stop } For mỗi toán tử R áp dụng được tại u do { Ok ← true; For mỗi v kề u theo R do If Solvable(v) = false then {Ok ← false; exit } If Ok then Solvable(u) ← true; Operator(u) ← R; stop} Solvable(u) ← false; End; 66 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  67. 5.6. Tìm kiếm trên đồ thị và/hoặc(tiếp)  Biến Ok: với mỗi toán tử R áp dụng được tại u, biến Ok nhận giá trị true nếu tất cả các đỉnh v kề u theo R đều giải được, và Ok nhận giá trị false nếu có một đỉnh v kề u theo R không giải được.  Hàm Operator(u) ghi lại toán tử áp dụng thành công tại u, tức là Operator(u) = R nếu mọi đỉnh v kề u theo R đều giải được. 67 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù
  68. 5.7. Tóm tắt chương 2  Để giải quyết vấn đề cần phân tích các đặc trưng và yêu cầu của vấn đề.  Việc biểu diễn dùng không gian trạng thái giúp biến quá trình giải quyết vấn đề thành một quá trình tìm kiếm (trên không gian trạng thái).  Các chiến lược tìm kiếm khác nhau: chiều rộng, đều giá, chiều sâu, sâu dần.  Tìm kiếm sâu dần có độ phực tạp không gian tuyến tính và độ phức tạp thời gian không quá kém so với tìm kiếm chiều rộng, chiều sâu. 68 Chương 3: Không gian trạng thái và Tìm kiếm mù