人工智能： 一种现代方法 第五章 对抗搜索

前言

人工智能： 一种现代方法 第五章 对抗搜索

5.1 博弈

• 竞争环境：每个Agent的目标之间是冲突的
• 狭义理解，人工智能中的博弈，通常指在完全可观察的环境中，两个Agent
• 轮流执行确定性动作的零和博弈

在博弈搜索中，由于搜索图（树）庞大，A*搜索效率较低。为了提高搜索效率，引入剪枝和启发式评估函数。剪枝允许忽略不影响最终决策的部分，减少搜索空间；启发式评估函数通过估计状态的真实效用值，快速指导搜索方向。综合应用剪枝和启发式评估函数，可以加速博弈搜索，找到较优解决方案

二人博弈
两名玩家：MAX先手，MIN后手

博弈问题的的6个元素：

• s：状态
• Player(s)：状态s对应的下棋玩家
• Actions(s)：状态s的可选动作集
• Result(s,a)：转移模型，下棋动作的结果
• Terminal-Test(s)：状态s满足终止测试，游戏结束
• Utility(s,p)：玩家p在终止状态s的效用函数值

再次说一句搜索问题两个重要的部分是状态如何定义，以及状态如何转移

井字棋

井字棋游戏的博弈搜索树

5.2博弈中的决策优化

给定一棵博弈树，最优策略可以通过检查每个结点的极小极大值来决定，记为MINIMAX(n)。假设两个游戏者始终按照最优策略行棋，那么结点的极小极大值就是对应状态的效用值(对于 MAX 而言)。显然地，终止状态的极小极大值就是它的效用值自身。更进一步，对于给定的选择，MAX 喜欢移动到有极大值的状态，而 MIN 喜欢移动到有极小值的状态。所以得到如下公式:

$MinMax(s)：$

• $Utility(s)，s为终止状态$
• $Ma{x}_{ainActions(s)}MinMax(Result(s,a))，s为MAX结点$
• $Mi{n}_{ainActions(s)}MinMax(Result(s,a))，s为MIN结点$

5.2.1 极大极小值搜索

def minimax(node, maximizing_player):
    if node.is_terminal_node():
        return node.evaluate()  # 评估当前节点的得分

    if maximizing_player:
        best_value = float('-inf')
        for child_node in node.get_children():
            value = minimax(child_node, False)
            best_value = max(best_value, value)
        return best_value
    else:
        best_value = float('inf')
        for child_node in node.get_children():
            value = minimax(child_node, True)
            best_value = min(best_value, value)
        return best_value

性能分析

m为搜索树的最大深度，b为平均分支因子

• 时间复杂度：O(b^m)
• 空间复杂度 :
  一次性生成所有后继结点：O(bm)
  每次生成一个后继结点：O(m)

5.2.2多人博弈

最简单实现方式：让函数UTILITY返回一个向量

5.3 alpha- beta剪枝

alpha= 到目前为止路径上发现的MAX的最佳(即极大值)选择
beta = 到目前为止路径上发现的 MIN 的最佳即极小值)选择
alpga-beta搜索中不断更新alpha 和beta 的值，并且当某个结点的值分别比目前的 MAX 的alpha 或者 MIN的beta 值更差的时候剪裁此结点剩下的分支(即终止递归调用)将这一点应用到极大极小值搜索

def alpha_beta(node, alpha, beta, maximizing_player):
    if node.is_terminal_node():
        return node.evaluate()  # 评估当前节点的得分

    if maximizing_player:
        value = float('-inf')
        for child_node in node.get_children():
            value = max(value, alpha_beta(child_node, alpha, beta, False))
            alpha = max(alpha, value)  # 更新alpha值，记录最佳极大值选择
            if alpha >= beta:
                break  # 执行剪枝，停止继续搜索该节点的兄弟节点
        return value
    else:
        value = float('inf')
        for child_node in node.get_children():
            value = min(value, alpha_beta(child_node, alpha, beta, True))
            beta = min(beta, value)  # 更新beta值，记录最佳极小值选择
            if alpha >= beta:
                break  # 执行剪枝，停止继续搜索该节点的兄弟节点
        return value

普通MaxMin算法：O(b^m)
alpha-beta剪枝最佳情况：O(b^(m/2))

5.4 实时决策

博弈搜索通常要求在合理的时间范围内行棋，需要增加博弈搜索树的深度限制
以alpha_beta为例

def alpha_beta(node, depth, alpha, beta, maximizing_player):
    if depth == 0 or node.is_terminal_node():
        return node.evaluate()  # 评估当前节点的得分

    if maximizing_player:
        value = float('-inf')
        for child_node in node.get_children():
            value = max(value, alpha_beta(child_node, depth - 1, alpha, beta, False))
            alpha = max(alpha, value)  # 更新alpha值，记录最佳极大值选择
            if alpha >= beta:
                break  # 执行剪枝，停止继续搜索该节点的兄弟节点
        return value
    else:
        value = float('inf')
        for child_node in node.get_children():
            value = min(value, alpha_beta(child_node, depth - 1, alpha, beta, True))
            beta = min(beta, value)  # 更新beta值，记录最佳极小值选择
            if alpha >= beta:
                break  # 执行剪枝，停止继续搜索该节点的兄弟节点
        return value
        

好的评估函数

• 评估函数对终止状态的排序：获胜的评估值好于平局，平局的评估值好于落败
• 评估函数的计算本身的时间开销不能太大
• 对于非终止状态，评估函数值应与获胜几率密切相关
• 实际应用中，通常采用特征的线性加权函数 ：Eval(s)=w1f1(s)+w2f2(s)+…+wnfn(s)

5.5 随机博弈

西洋双陆棋

西洋双陆棋的博弈树中除了MAX和 MIN 结点之外还必须包括机会结点。在图 5.11 中机会结点用圆圈表示。每个机会结点的子结点代表可能的掷骰子结果;每个分支上标记着骰子数及其出现的概率。

ExpectMinMax(s)：

• $Utility(s)，s为终止状态$
• $Ma{x}_{a}ExpectMinMax(Result(s,a))，s为MAX结点$
• $Mi{n}_{a}ExpectMinMax(Result(s,a))，s为MIN结点$
• $\sum rP(r)ExpectMinMax(Result(s,r))，s为机会结点$

本章小结

对抗搜索是一种解决竞争性环境下决策问题的搜索算法。传统的对抗搜索算法如Minimax和Alpha-Beta剪枝通过构建博弈树和回溯剪枝来找到最优决策。随机对抗搜索引入随机因素，考虑对手的随机行为，增加决策的多样性。实时对抗搜索针对实时决策问题，在有限时间内进行部分搜索并权衡时间和质量，以找到最佳决策。这些扩展形式使对抗搜索更加灵活和适应不同的竞争环境和需求，提供了更好的决策策略和性能优化。