Алгоритм оценочных (штрафных) функций
Умело подобранные оценочные функции (в некоторых источниках - штрафные функции) могут значительно сократить полный перебор и привести к решению достаточно быстро в сложных задачах. В нашей задаче о людоедах и миссионерах в качестве самой простой целевой функции при выборе очередного состояния можно взять число людоедов и миссионеров, находящихся "не на месте" по сравнению с их расположением в описании целевого состояния. Например, значение этой функции f=x+y для исходного состоянияf0=6, а значение для целевого состояния f1=0.
Эвристические процедуры поиска на графе стремятся к тому, чтобы минимизировать некоторую комбинацию стоимости пути к цели и стоимости поиска. Для задачи о людоедах введем оценочную функцию:
f(n) = d(n) + w(n)
где d(n) - глубина вершины n на дереве поиска и w(n) - число находящихся не на нужном месте миссионеров и людоедов. Эвристика заключается в выборе минимального значения f(n). Определяющим в эвристических процедурах является выбор оценочной функции.
Рассмотрим вопрос о сравнительных характеристиках оценочных целевых функций на примере функций для игры в "8" ("пятнашки"). Игра в "8" заключается в нахождении минимального числа перестановок при переходе из исходного состояния в конечное (терминальное, целевое).
| 2 | 8 | 3 |
| 1 | 6 | 4 |
| 7 | * | 5 |
| 1 | 2 | 3 |
| 8 | * | 4 |
| 7 | 6 | 5 |
Рассмотрим две оценочные функции:
h1(n) & = Q(n) h2(n) & = P(n) + 3S(n),
где Q(n) - число фишек не на месте; P(n) - сумма расстояний каждой фишки от места в ее целевой вершине; S(n) - учет последовательности нецентральных фишек (штраф +2 если за фишкой стоит не та, которая должна быть в правильной последовательности; штраф +1 за фишку в центре; штраф 0 в остальных случаях).
Сравнение этих оценочных функций приведено в таблица 3.1.
|
h1 S0 S1 |
5 >18 |
13 100-8!(=40320) |
8 | Поиск в ширину | ||||
|
h2 S0 S1 |
5 18 |
11 43 |
8*2+8+1+1 | Поиск в глубину |
На основе сравнения этих двух оценочных функций можно сделать выводы.
- Основу алгоритма поиска составляет выбор пути с минимальной оценочной функцией.
- Поиск в ширину, который дает функция h1, гарантирует, что какой-либо путь к цели будет найден. При поиске в ширину вершины раскрываются в том же порядке, в котором они порождаются.
- Поиск в глубину управляется эвристической компонентой 3S(n) в функции h2 и при удачном выборе оценочной функции позволяет найти решение по кратчайшему пути (по минимальному числу раскрываемых вершин). Поиск в глубину тем и характеризуется, что в нем первой раскрывается та вершина, которая была построена самой последней.
- Эффективность поиска возрастает, если при небольших глубинах он направляется в основном в глубь эвристической компонентой, а при возрастании глубины он больше похож на поиск вширь, чтобы гарантировать, что какой-либо путь к цели будет найден. Эффективность поиска можно определить как E=K/L*N*S, где K и S (трудоемкость) - зависят от оценочной функции, L - длина пути,N - число вершин, открытых при нахождении пути. Если договориться, что для оптимального пути E=1, то K=L0*N0*S0.
