2.1.1. Поиск в пространстве состояний

Фундаментальная идея, которая появилась в результате этих первых опытов, получила наименование поиск в пространстве состояний. По существу, идея очень проста. Множество проблем можно сформулировать в терминах трех важнейших ингредиентов:

исходное состояние проблемы, например исходное состояние головоломки;

тест завершения — проверка, достигнуто ли требуемое конечное состояние или найдено решение проблемы (примером может послужить правило определения, собрана ли головоломка);

множество операций, которые можно использовать для изменения текущего состояния проблемы, например шаги или перемещения фигур при сборке головоломки.

Один из способов представления такого концептуального пространства состояний — граф, в котором состояниям соответствуют узлы, а операциям — дуги. Рассмотрим в качестве примера задачу построения слова из некоторого множества букв, как в игре Scrabble. Задавшись набором операций установки букв, можно сформировать пространство состояний.

Предположим, что множество доступных букв включает Т, С и А. На каждом уровне графа мы будем добавлять по одной определенной букве. Каждая ветвь, исходящая из узла, соответствует установке буквы в определенную позицию в последовательности, а эта последовательность должна образовать осмысленное слово (рис. 2.1). Если это произошло, то головоломка считается собранной (например, если образовалась комбинация "act" или "cat"). (Сейчас мы не будем стремиться собрать какое-нибудь сложное слово вроде "scrabble", которое может принести играющему больше очков.)

Рис. 2.1. Дерево пространства состояний головоломки Scrabble с буквами Т, С и А

Это пространство состояний обладает двумя интересными свойствами, которые присущи далеко не всем пространствам состояний:

оно конечно, поскольку существует только п! способов расставить я букв;

оно не содержит повторяющихся узлов, что может привести к образованию петель на графе.

Метод формирования анаграмм последовательным перечислением является примером применения алгоритма, получившего наименование generate-and-test (порождение и проверка).

(1) Генерировать новое состояние, модифицируя существующее; например, изменить последовательность букв, добавив новую в существующую последовательность.

(2) Проверить, не является ли образовавшееся состояние конечным (решением); например, проверить, не является ли образовавшаяся последовательность осмысленным словом. Если это так, то завершить, иначе перейти к шагу (1).

Множество решений, которые удовлетворяют условию на шаге (2), иногда называют пространством решений. В некоторых головоломках, например в уже упомянутой "8 ферзей", решений много, а в других существует всего несколько или только одно. Действительно, существует довольно много способов разместить восемь ферзей на шахматной доске так, чтобы ни один из них не оказался под боем, а вот для головоломки "8-Puzzle" существует единственное решение (см. упр. 7).

Алгоритм имеет два основных варианта: поиск в глубину (depth-first search) и поиск в ширину (breadth-first search). Отличаются варианты порядком формирования состояний на шаге (1). Действительные алгоритмы приведены в упр. 5, а здесь мы дадим только их неформальное описание.

Для любого данного узла N алгоритм поиска в глубину строит потомок этого узла, т.е. формирует состояние, которое образуется в результате применения операторов к узлу N, а потом переходит к формированию узла, ближайшего к N, на том же уровне графа ("соседу" N), т.е. формирует состояние, которое образуется в результате применения оператора к узлу-родителю N. Алгоритм поиска в ширину действует наоборот — сначала формируются все "соседи" узла N, а потом уже строятся его потомки. Таким образом, в алгоритме поиска в ширину просматриваются последовательно состояния, представленные узлами одного и того же уровня на графе (рис. 2.2), а в алгоритме поиска в глубину просматриваются состояния на одном пути, а затем происходит возврат назад на один уровень и формируется следующий путь (рис. 2.3).

Рис. 2.2. Граф пространства состояний при использовании алгоритма поиска в ширину

Рис. 2.3. Граф пространства состояний при использовании алгоритма поиска в глубину

На обоих рисунках числа на дугах графа указывают номер шага, на котором формируется тот узел (состояние), для которого эта дуга является входящей. Конечно, этот номер еще зависит и от того, в каком порядке используются операторы из имеющегося множества. В представленном примере сначала применяется оператор, добавляющий очередную букву в конец последовательности, затем оператор, добавляющий букву на предпоследнюю позицию, и т.д., а последним применяется оператор, добавляющий букву на первое место. Но ведь можно использовать и обратный порядок применения операторов.

Оба алгоритма завершат работу (найдут конечное состояние) после формирования узла "act", а не "cat". Но алгоритму поиска в ширину придется для этого "посетить" пять узлов (сформировать и проанализировать пять состояний), а алгоритму поиска в глубину — четыре.

Отметим, что свойства этих алгоритмов существенно отличаются.

Алгоритм поиска в ширину отыскивает решение, путь к которому на графе — кратчайший, если таковое существует. Другими словами, он находит кратчайший путь между исходным состоянием и решением. Алгоритмы, обладающие таким свойством, называются разрешимыми (admissible).

Алгоритм поиска в глубину может быстрее найти решение, особенно, если при его выполнении используются эвристики для выбора очередной ветви. Но этот алгоритм может никогда не закончиться, если пространство состояний бесконечно.

Нетрудно заметить, что число узлов растет экспоненциально по мере увеличения числа уровней на графе. Это явление часто называют комбинаторным взрывом и оно представляет очень серьезную проблему при программировании таких задач, например при "грубом" переборе всех возможных вариантов позиций в игре в шахматы (см. врезку 2.1). Поскольку человеческий мозг слабее компьютера при решении задач, связанных с перебором вариантов, естественно предположить, что серьезный шахматист решает эту задачу каким-то другим способом. Скорее всего он использует свой опыт, воображение и аналитические способности, во-первых, для формирования общей стратегии игры, а во-вторых, для выбора наилучшего очередного хода. Вот такой-то способ решения мы и называем "интеллектуальным", в отличие от "грубого перебора".

В игровых программах также используется поиск в пространстве состояний, но стратегия поиска более избирательна, чем в случае прямого применения алгоритма generate-and-test. Кроме того, нужно принимать во внимание и то, что в игре, как правило, принимают участие две противоборствующие стороны. Были разработаны довольно неплохие программы для игры в шашки, нарды и шахматы. Созданные программы игры в шахматы нельзя отнести к классу систем, основанных на знаниях, а скорее к классу программ, обладающих способностью избирательно анализировать пространство состояний, что значительно повышает скорость и эффективность анализа. Методы и алгоритмы этого класса в данной книге рассматриваться не будут.

Другая задача, которая занимала умы исследователей в области искусственного интеллекта в середине 50-х годов, — доказательство теорем. Смысл задачи доказательства состоит в том, чтобы показать, как некоторое утверждение, которое требуется доказать (теорема), логически следует из декларированного множества других утверждений или аксиом (которые полагаются истинными или являются такими априори).

2.1. Комбинаторный взрыв

Исследованием вычислительной обозримости (или необозримости) проблем занимается теория сложности. Для начала нам потребуется только знать, что существуют классы проблем, решение которых требует ресурсов, экспоненциально возрастающих при линейном увеличении размерности задачи. Например, время, необходимое для отыскания пути в лабиринте, экспоненциально увеличивается при увеличении количества разветвлений в лабиринте. Аналогично, время, необходимое для поиска доказательства теоремы исчислением утверждений, растет экспоненциально по отношению к количеству переменных. Такие проблемы являются в общем случае необозримыми и называются NP-hard. Читателей, которые ими заинтересуются, мы отсылаем к специальной литературе, в частности книге Хопкрофта и Ульмана [Hopcroft and Ullman, 1979].

Проблемы, время решения которых связано с размерностью задачи полиномиальной функции, считаются обозримыми. Например, проверка заданного маршрута в лабиринте или проверка правильности доказательства некоторой теоремы — обозримые проблемы. Но можно показать, что, к сожалению, большинство проблем, которые интересуют нас в области искусственного интеллекта, относятся к классу NP-hard. Поэтому такое важное значение придается использованию эвристических методов при их решении.

Прекрасное изложение теории вычислительной сложности, рассчитанное на читателя, несклонного к излишнему теоретизированию, можно найти в работе Паунд-стоуна [Poundstone, 1988, Chapter 9].

Рассмотрим такой пример. Пусть имеются две аксиомы, представленные на некотором формальном языке:

"Если компьютер может ошибаться, он ошибется" и

"Мой компьютер может ошибаться".

Тогда, используя механизм исчислений только правил влияния, мы можем показать, что справедлива теорема.

"Мой компьютер ошибется".

Это утверждение логически следует из заданных аксиом в том смысле, что оно не может быть ложным, если истинны исходные утверждения (аксиомы). Корректности такого следствия легко доказываются компьютером — все, что от него требуется, так это обработать выражения в форме логической зависимости:

(любой Х)(F(X)) G(X))

F(a) / [G(a){X/a}]

которое читается следующим образом:

"Все элементы F являются элементами G, а входит в F, следовательно, F есть G".

Как и в случае с головоломками, некоторые концепции и методы, разработанные в области машинного доказательства теорем (иногда эту область исследований называют automated reasoning — машинным поиском логического вывода), весьма помогут студентам при решении практических проблем. Итак, знания, касающиеся решения некоторой проблемы, можно представить как набор аксиом, т.е. теорию, а процесс поиска решения проблемы можно рассматривать как попытку доказать теорему, каковой является искомое решение (подробнее об этом — в главе 8). Другими словами, поиск решения среди сформулированных теорем аналогичен поиску пути на графе в пространстве состояний и для его анализа можно использовать тот же аппарат.

К сожалению, процесс порождения всех возможных теорем, вытекающих из заданного множества аксиом, имеет все черты комбинаторного взрыва, поскольку на основе первичных теорем, непосредственно вытекающих из аксиом, можно сформулировать новое множество теорем и т.д. Поиск решения посредством доказательства теорем может повлечь за собой такое количество вычислений, с которым не справится никакой мыслимый компьютер, и можно доказать, что некоторые из таких вычислений даже теоретически никогда не смогут завершиться. В области машинного поиска логического вывода существенные успехи достигнуты в направлении, которое связано с генерацией формальных математических доказательств, но эти методы с трудом приложимы к менее формализованным областям. Поскольку большинство человеческих особей не обладают выдающимися способностями в области построения логических выводов, да еще принимая во внимание комбинаторные сложности, вряд ли стоит рассчитывать на существенное влияние участия человека в формальных рассуждениях такого рода. Скорее помощь может проявиться в том, что человек сможет делать более правдоподобные предположения или порождать более вероятные гипотезы, носящие неформальный характер. Это именно тот вид заключений, который используется при моделировании путей поиска решения реальных проблем в экспертных системах.