详解Minimax算法与α-β剪枝

在局面确定的双人对弈里,常采用博弈树搜索。我方追求更大的赢面,而对方会设法降低我方的赢面。由于局面确定,因此可以对赢面进行评估。我方往较大赢面的方向走,同时考虑对方的走法。由于对方的走法不确定,就假设对方会选择最大程度降低我方赢面的方向走,我方应规避那些对方可以大幅降低我方赢面的走法。

Minimax算法

称我方为MAX,对方为MIN,图示如下:

详解Minimax算法与α-β剪枝_第1张图片

例如,对于如下的局势,假设从左往右搜索,根节点的数值为我方赢面(倒推值):

详解Minimax算法与α-β剪枝_第2张图片

我方应选择中间的路线。因为,如果选择左边的路线,最差的赢面是3;如果选择中间的路线,最差的赢面是15;如果选择右边的路线,最差的赢面是1。虽然选择右边的路线可能有22的赢面,但对方也可能使我方只有1的赢面,假设对方会选择使得我方赢面最小的方向走,那么经过权衡,显然选择中间的路线更为稳妥。

详解Minimax算法与α-β剪枝_第3张图片

实际上,在看右边的路线时,当发现赢面可能为1就不必再去看赢面为12、20、22的分支了,因为已经可以确定右边的路线不是最好的。这个过程就是剪枝,可以避免不必要的计算。

α − β \alpha-\beta αβ 剪枝

例如,对于如下的局势,假设从左往右搜索:

详解Minimax算法与α-β剪枝_第4张图片

若已知某节点的所有子节点的倒推值,则可以算出该节点的倒推值:对于MAX节点,取最大倒推值;对于MIN节点,取最小倒推值。

若已知某节点的部分子节点的倒推值,虽然不能算出该节点的倒推值,但可以算出该节点的倒推值的取值范围。同时,利用该节点的倒推值的取值范围,在搜素其子节点时,如果已经确定没有更好的走法,就不必再搜索剩余的子节点了。

v v v 为节点的倒推值,且 α ≤ v ≤ β \alpha \leq v \leq \beta αvβ,即 α \alpha α 为最大下界, β \beta β 为最小上界。当 α ≥ β \alpha \geq \beta αβ 时,该节点剩余的分支就不必继续搜索了(也就是可以进行剪枝了)。注意,当 α = β \alpha = \beta α=β 时,也可以剪枝,这是因为不会有更好的结果了,但可能有更差的结果。

详解Minimax算法与α-β剪枝_第5张图片

初始化时,令 α = − ∞ \alpha = -\infty α= β = + ∞ \beta = +\infty β=+ ,也就是 − ∞ ≤ v ≤ + ∞ -\infty \leq v \leq +\infty v+。到节点A时,由于左子节点的倒推值为3,而节点A是MIN节点,试图找倒推值小的走法,于是将 β \beta β 值修改为3,这是因为3小于当前的 β \beta β 值( β = + ∞ \beta = +\infty β=+)。然后节点A的右子节点的倒推值为17,此时不修改节点A的 β \beta β 值,这是因为17大于当前的 β \beta β 值( β = 3 \beta = 3 β=3)。之后,节点A的所有子节点搜索完毕,即可计算出节点A的倒推值为3。

详解Minimax算法与α-β剪枝_第6张图片

节点A是节点B的子节点,计算出节点A的倒推值后,可以更新节点B的倒推值范围(也就是 α \alpha α β \beta β 值)。由于节点B是MAX节点,试图找倒推值大的走法,于是将 α \alpha α 值修改为3,这是因为3大于当前的 α \alpha α值( α = − ∞ \alpha = -\infty α=)。之后搜索节点B的右子节点C,并将节点B的 α \alpha α β \beta β 值传递给节点C。

详解Minimax算法与α-β剪枝_第7张图片

对于节点C,由于左子节点的倒推值为2,而节点C是MIN节点,于是将 β \beta β值修改为2。此时 α ≥ β \alpha \geq \beta αβ,故节点C的剩余子节点就不必搜索了,因为可以确定,通过节点C并没有更好的走法。然后,节点C是MIN节点,将节点C的倒推值设为 β \beta β ,也就是2。由于节点B的所有子节点搜索完毕,即可计算出节点B的倒推值为3。

详解Minimax算法与α-β剪枝_第8张图片

计算出节点B的倒推值后,节点B是节点D的一个子节点,故可以更新节点D的倒推值范围。由于节点D是MIN节点,于是将 β \beta β 值修改为3。然后节点D将 α \alpha α β \beta β 值传递给节点E,节点E又传递给节点F。对于节点F,它只有一个倒推值为15的子节点,由于15大于当前的 β \beta β 值,而节点F为MIN节点,所以不更新其 β \beta β 值,然后可以计算出节点F的倒推值为15。

详解Minimax算法与α-β剪枝_第9张图片

计算出节点F的倒推值后,节点F是节点E的一个子节点,故可以更新节点E的倒推值范围。节点E是MAX节点,更新 α \alpha α,此时 α ≥ β \alpha \geq \beta αβ,故可以剪去节点E的余下分支。然后,节点E是MAX节点,将节点E的倒推值设为 α \alpha α ,也就是15。此时,节点D的所有子节点搜索完毕,即可计算出节点D的倒推值为3。

详解Minimax算法与α-β剪枝_第10张图片

计算出节点D的倒推值后,节点D是节点H的一个子节点,故可以更新节点H的倒推值范围。节点H是MAX节点,更新 α \alpha α。然后,按搜索顺序,将节点H的 α \alpha α β \beta β 值依次传递给节点I、J、K。对于节点K,其左子节点的倒推值为2,而节点K是MIN节点,更新 β \beta β,此时 α ≥ β \alpha \geq \beta αβ,故可以剪去节点K的余下分支。然后,将节点K的倒推值设为2。

详解Minimax算法与α-β剪枝_第11张图片

计算出节点K的倒推值后,节点K是节点J的一个子节点,故可以更新节点J的倒推值范围。节点J是MAX节点,更新 α \alpha α,但是,由于节点K的倒推值小于 α \alpha α,所以节点J的 α \alpha α 值维持3保持不变。然后,将节点J的 α \alpha α β \beta β 值传递给节点L。由于节点L是MIN节点,更新 β = 3 \beta = 3 β=3,此时 α ≥ β \alpha \geq \beta αβ,故可以剪去节点L的余下分支,由于节点L没有余下分支,所以此处并没有实际剪枝。然后,将节点L的倒推值设为3。

详解Minimax算法与α-β剪枝_第12张图片

此时,节点J的搜索子节点搜索完毕,计算出节点J的倒推值为3。由于节点J是节点I的子节点,故可以更新节点I的倒推值范围。节点I是MIN节点,更新 β = 3 \beta = 3 β=3,此时, α ≥ β \alpha \geq \beta αβ,故可以剪去节点I的余下分支。然后,将节点I的倒推值设为3。

参考链接

CS 161 Recitation Notes - The Minimax Algorithm

CS 161 Recitation Notes - Minimax with Alpha Beta Pruning

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