人工智能第三章（1）——无信息搜索（盲目搜索） （附书本资料）

摘要

本章旨在讲清楚：1）搜索问题如何形式化；2）树搜索，图搜索，及算法评估；3）一些搜索策略：宽度优先，一致代价，深度优先，深度受限，迭代加深，双向搜索。

前言

这一章说的是Agent，但是是搜索Agent，所以主要讲的是各种搜索算法（search algorithms）。

这篇文章的意义在于哪里呢？
1）向大家展示如何形式化定义一个搜索问题，又如何去求解；
2）通过讲述各种盲目搜索算法，帮大家梳理无信息搜索的脉络。

不多说了，得进入正题了。

一、形式化一个搜索问题

1.1 问题的定义 [1]

用5个组件形式化定义一个search problem：
1）initial state 初始状态
2）Actions 行动
3）transition model 转移模型
4）goal test 目标测试
5）path cost 路径耗散

前三个直接定义了问题的状态空间（问题的解决方案通常就在这个状态空间里面）。

上述五个元素即定义了一个问题，通常把它们组织在一起成为一个数据结构，并以此作为问题求解算法的输入。

1.2 问题的解（solution）的定义

A solution to a problem is an action sequence that leads from the initial state to a goal state.

即：一个问题的解是：一个行动序列（注意：agent是能够通过感知环境，进行思考，然后采取行动的，所以这篇文章的题目叫搜索Agent）。

那最优解是什么呢？
答：解的质量由路径耗散函数度量，所有解里路径耗散最小的解即为最优解。

1.3 为什么要搜索算法？

因为状态空间太大啦。比如，8数码问题有362,880（排列组合， A89=362,880 A 9 8 = 362 , 880 ）个状态，15数码问题有 A1516=20922789888000 A 16 15 = 20 922 789 888 000 个状态，24数码就更加更加大了。

所以我们需要搜索算法（相当于一种求解模式吧，比那种“无头苍蝇”式的随便找解的 是要好得多的。）来在巨大状态空间中求解。

二、如何通过搜索求解呢（主要讲树搜索和图搜索）？

以罗马尼亚问题（即：如何从罗马尼亚的Arad走到Bucharest）为例，可能的行动序列（即问题的解）从搜索树中根节点的初始状态出发：连线表示行动，节点表示状态空间中的状态（该问题总共20个地点，故有20个状态）。搜索的过程就是从初始状态节点不断扩展节点（状态），指导goal test检测到达到目标为止。

那么，如何选择将要扩展的状态，对应的就是搜索策略（图搜索，树搜索）了。这里给出图搜索和树搜索的非形式化描述：

解释：对于树搜索，先从初始节点开始扩展，初始化边缘（frontier，即待扩展的叶节点的集合），如果边缘为空，就失败呗（因为没有能够扩展的节点了，自然GG），否则，从边缘中选择一个叶节点并且并且把它从边缘移除，如果这个叶节点包含目标状态，那就返回对应的解。否则，扩展这个叶节点，并且把扩展出来的节点放到边缘中（不断探索可能的解）

对于图搜索，基本和树搜索一样，但是图搜索有一个额外的处理重复状态的过程。（需要：初始化一个explored set，如果这个叶节点被探索过了，就丢到explored set中；如果这个叶节点的扩展子节点也被探索过了，那就不加到frontier）

2.2 搜索的数据结构

注意：树搜索和图搜索都是在“树”这一个数据结构上进行的，所以搜索算法需要一个数据结构来记录搜索树的构造过程。

所以对树中每个节点n，定义如下数据结构

• n.state:状态
• n.parent:父节点
• n.action:父节点生成该节点时采取的行动
• n.path-cost:代价，从初始节点到该节点的路径消耗，也叫g(n)

具体实现的时候，要用到
1）用队列来存放节点（FIFO，LIFO，优先级队列）
2）用哈希表存放已扩展节点表 （实现的好的话，插入和查找操作的时间消耗是常数）

2.3 问题求解算法的性能

四个方面：

• 完备性（当问题有解时，这个算法能否保证找到解）
• 最优性（搜索策略能否找到最优解）
• 时间复杂度（找到解要花多长时间） 也叫搜索代价
• 空间复杂度（在执行搜索的过程中需要多少内存）
  总代价=搜索代价+内存使用（空间复杂度）

三、无信息搜索（盲目搜索）策略

这些搜索策略是以节点扩展的次序来分类的（宽度优先，一致代价，深度优先，深度受限，迭代加深，双向搜索）。

3.1 宽度优先搜索 breadth-first search (BFS)

宽度优先搜索是一般图搜索算法的一个实例，每次总是扩展深度最浅的节点，这可以通过将边缘组织成FIFO队列来实现（即，新节点加入到队列尾，浅层的老节点会在深层节点之前被扩展）。

性能：是完备的（只要有解，肯定能搜到。当然，前提是最浅的目标节点处于一个有限深度d，分支因子b也是有限的）BFS找到的永远是最浅的目标节点，但不一定最优，只有当路径代价是基于节点深度的非递减函数时，BFS是最优的（最常见情况是所有行动要花费相同的代价）。
假设每个状态都有b个后继状态，解的深度为d，那么时间复杂度就是 O(bd) O ( b d ) ，空间复杂度也是 O(bd) O ( b d ) 。这种指数级的复杂度就太大了。
（一般而言，指数级别复杂度的搜索问题不能用无信息的搜索算法求解，除非是规模很小的实例）

3.2 一致代价搜索 Uniform-cost search (UCS)

一致代价搜索扩展的是路径消耗g(n)（从初始状态到当前状态的路径耗散）最小的节点n。（可以通过将边缘节点组织成按g值排序的队列来实现）

一致代价搜索和宽度优先搜索的区别：1）目标检测应用于节点被选择扩展时，而不是在节点生成的时候。原因：一致代价搜索希望在替换代价更小的节点后再确认解；2）如果边缘中的节点有更好的路径到达该节点，那么会引入一个测试。

性能：是最优的。如果每一步的代价都大于等于某个小的正常数，那么就是完备的。

一致代价的复杂度较高： O(b1+[C∗/e]) O ( b 1 + [ C ∗ / e ] ) ,其中 C∗ C ∗ 是最优解的代价，每个行动的代价至少为e，所以最坏情况下，这个复杂度要比BFS的复杂度 bd b d 大的多。（因为一致代价搜索在探索包含代价大的行动之前，经常会探索代价小的行动步骤所在的很大的搜索树）

当所有单步耗散都相等时，复杂度变为 bd+1 b d + 1 。这种情况下，由于一致代价搜索和BFS的第一个区别，一致代价搜索会在深度d上做更多无用功（因为他是在选择节点的时候才判断是不是目标达到）。

3.3 深度优先 depth-first search (DFS)

深度优先总是扩展搜索树的当前边缘节点集 中最深的节点（搜索直接推到最深层）。如果最深层节点扩展完了，就回溯到下一个还有未扩展节点的深度稍浅的节点。

DFS使用LIFO队列（最新生成的节点最早被扩展），而且要调用自己的递归函数来实现DFS算法。（有深度界限的递归深度优先搜索算法）

性能：
DFS的搜索效率严重依赖于使用的是图搜索还是树搜索。
如果是图搜索（避免了重复状态和冗余路径），那么DFS在有限状态空间就是完备的。
如果是树搜索，则不完备，因为会出现死循环（DFS算法本身是没有explored set的）。

不是最优的。

复杂度：时间复杂度受限于状态空间的规模，为： O(bm) O ( b m ) ，m是任一节点的最大深度。这比d（最浅解的深度）要大的多。
但是空间复杂度很给力，为 O(bm) O ( b m ) 。所以DFS在AI的很多领域成为工作主力。

此外，还有一种变形叫做回溯搜索（backtracking search）：每次只产生一个后继而不是生成所有后继，每个被部分扩展的节点要记住下一个要生成的节点。这样，内存只需要O(m)而不是O(mb)。

3.4 深度受限

设置界限l来避免DFS在无限状态空间下搜索失败的尴尬情况。即，深度为l的节点被当做最深层节点（没有后继节点）来对待。

3.5 迭代加深的深度优先算法 iterative deepening search（IDS）

IDS = DFS + BFS。
可以说是结合了宽度优先和深度优先的优点了：1）空间复杂度：O(bd) （和DFS一样）；2）在分支因子有限时完备，在路径待机时节点深度的非递减函数时最优（和BFS一样）。

3.6 双向搜索

一个从初始状态开始搜，一个从目标状态开始搜，当边缘有交集，就说明找到了解。

好处：如果两个都用BFS，那么复杂度就变成了
O(bd/2)+O(bd/2) O ( b d / 2 ) + O ( b d / 2 ) ，这肯定是要远远小于 O(bd) O ( b d ) 的。所以说减小了复杂度。

四、总结

写的有点累，因为知识点很多，而且我觉得也很难讲清楚。毕竟这些知识都是“硬知识”，如果要讲的非常生动，我觉得可能就不是我一上午（花了3个小时）能做完的事情了。

所以当然还是有点遗憾的，我也希望讲的各种生动形象，但是如果真要生动形象的话，这一章里面每一个知识点拿出来，都可以洋洋洒洒一大篇锦绣文章。我觉得可以做到，但是时间的确不允许。以后有机会，会重点将一些有针对性的知识点。

但是这篇文章的意义在于哪里呢？
1）向大家展示如何形式化定义一个搜索问题，又如何去求解；
2）通过讲述各种盲目搜索算法，帮大家梳理无信息搜索的脉络。（直接放在文章开头是不错的选择）

所以还是有些价值的。希望以后能够不断进步，写出更好的文章。

五、资料分享

这次没有去找什么资料，我就参考了[1]的第三章，当然这也是一本神书了，AI界大佬Stuart Russell的大作。文件太大（有300多兆），我就不上传到CSDN了，这里给出网址（参考[2]），感兴趣的同学可以自己去下。

参考文献

[1] StuartJ.Russell, PeterNorvig, 诺维格,等. 人工智能:一种现代的方法[J]. 2013.
[2] 人工智能 一种现代的方法（第3版）. http://www.aibbt.com/a/16340.html