(a)在日常生活中。
(b)在面对某种挑战时的问题求解过程中。
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(a) 在日常生活中,启发式方法可以帮助我们做出更明智的决策和解决问题。以下是三个启发式方法的例子,以及它们在日常生活中的应用:
(b) 在面对某种挑战时的问题求解过程中,启发式方法可以提供指导和帮助我们更高效地解决问题。以下是三个启发式方法的例子,以及它们在问题求解过程中的应用:
分而治之启发式:这种方法将复杂的问题分解为更小、更易解决的子问题,并逐个解决它们。例如,在编程中,我们可以使用分而治之的启发式方法来将一个大型的程序分解为多个模块,并分别实现和测试每个模块。
启发式搜索:这种方法通过启发函数来指导搜索方向,以快速找到解决问题的路径。例如,在寻找最短路径时,我们可以使用启发式搜索算法(如A*算法),通过估计每个节点到目标的距离来选择下一步的扩展节点,以减少搜索的时间和空间复杂度。
试错启发式:这种方法通过不断尝试和调整策略,通过错误和反馈来学习和改进解决问题的方法。例如,在解决复杂的数学问题时,我们可以使用试错启发式来尝试不同的方法和技巧,并根据错误和反馈来调整和改进我们的解决方法。
(a)描述你知道的其他一些“贪心”算法。
(b)最陡爬山法是如何改进爬山法的?最佳优先搜索是如何改进爬山法的?
爬山法(Hill Climbing)是一种基于局部搜索的优化算法,被归类为“贪心算法”的原因是它在每一步选择时都只考虑当前的最优解,而不考虑全局最优解。爬山法会从当前解开始,通过比较邻近解的优劣来选择下一步的移动方向,直到达到一个局部最优解。
(a) 其他一些“贪心”算法的例子包括:
(b) 最陡爬山法(Steepest Ascent Hill Climbing)是对爬山法的改进。最陡爬山法在每一步选择时,不仅考虑当前邻近解的优劣,还会考虑所有邻近解中最优解的方向。它会选择能够达到全局最优解的邻近解作为下一步的移动方向,而不仅仅是局部最优解。
(a)为传教士与野人问题建议一个可接受的启发值,这个启发值应该足够健壮,从而避免
不安全的状态。
(b)你的启发式方法能够提供足够的信息,以明显地减少 A*算法所要探索的库吗?
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(a) 传教士与野人问题是一个经典的问题,要求在一条河上将若干传教士和野人从一岸移动到另一岸,但要满足一定的条件。为了设计一个可接受的启发值,我们可以考虑以下因素:
综合考虑上述因素,一个可接受的启发值可以是当前岸上野人数量和传教士数量之差的绝对值,再加上离目标状态的距离。
(b) 启发式方法可以提供足够的信息,以明显地减少A*算法所要探索的空间。启发式方法通过启发函数来评估每个节点的优劣,并指导搜索方向。如果启发函数设计得好,它可以提供有用的信息,帮助算法更快地找到解决问题的路径。
在A算法中,启发函数用于估计每个节点到目标节点的代价。如果启发函数是一致的(admissible),即它对每个节点的估计都不会高估实际代价,那么A算法可以保证找到最优解,并且会明显减少搜索的空间。
然而,启发式方法的效果取决于问题的特性和启发函数的设计。某些问题可能存在启发函数无法提供足够信息的情况,导致A算法仍需探索大量的空间。因此,在设计启发函数时,需要结合问题的特性和启发函数的性质,以提供足够的信息,以明显减少A算法的搜索空间。
(a)提供适用于图形着色的启发值。
在图形着色问题中,我们需要为给定的图形的每个节点分配一个颜色,使得相邻节点的颜色不相同。启发值可以提供一种评估当前节点的优劣程度的方法。以下是一个适用于图形着色问题的启发值的示例:
启发值可以基于当前节点的相邻节点已经分配的颜色数量来评估。具体而言,可以使用以下启发值计算方法:
(a)从方块(1,1)开始,尝试解决骑士之旅问题。(提示:对于这个版本的骑士之旅问题,
你可能会发现需要大量内存来解决。因此,你可能需要确定一个启发式方法,以帮助引导搜索
过程。)
(b)尝试找到一种启发式方法,它能帮助初次求解器找到正确解
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(a) 骑士之旅问题是一个经典的组合优化问题,它要求马在棋盘上访问每个方块一次,并最终回到起始方块。对于一个完整的8×8棋盘,解决骑士之旅问题是非常困难的,因为搜索空间非常大。在这种情况下,需要使用一种启发式方法来引导搜索过程。
一种常见的启发式方法是Warnsdorff规则,它基于以下原则进行选择下一步的移动方向:选择那些具有最少可能移动目标的方块作为下一步的移动目标。具体步骤如下:
(b) 对于初次求解器找到正确解的启发式方法,可以考虑以下方法:
为了演示如何应用本章描述的主要启发式搜索算法,包括爬山法、集束搜索、最佳优先搜索、带有或不带有低估计值的分支定界法以及A*算法。请注意这只是一个简单的示例,具体的实现可能会有所不同,具体取决于编程语言和问题的特性。
# 导入所需的库
import heapq
# 定义问题的状态表示和启发函数
class State:
def __init__(self, value, heuristic):
self.value = value
self.heuristic = heuristic
# 定义问题的启发函数
def heuristic(state):
# 返回状态的启发值
return state.heuristic
# 定义爬山法
def hill_climbing(initial_state):
current_state = initial_state
while True:
neighbors = generate_neighbors(current_state)
best_neighbor = max(neighbors, key=heuristic)
if heuristic(best_neighbor) <= heuristic(current_state):
return current_state
current_state = best_neighbor
# 定义集束搜索
def beam_search(initial_state, beam_width):
current_states = [initial_state]
while True:
neighbors = []
for state in current_states:
neighbors.extend(generate_neighbors(state))
neighbors.sort(key=heuristic)
current_states = neighbors[:beam_width]
if heuristic(current_states[0]) == 0:
return current_states[0]
# 定义最佳优先搜索
def best_first_search(initial_state):
frontier = []
heapq.heappush(frontier, (heuristic(initial_state), initial_state))
while frontier:
_, current_state = heapq.heappop(frontier)
if heuristic(current_state) == 0:
return current_state
neighbors = generate_neighbors(current_state)
for neighbor in neighbors:
heapq.heappush(frontier, (heuristic(neighbor), neighbor))
# 定义带有低估计值的分支定界法
def branch_and_bound_with_underestimate(initial_state):
best_solution = None
frontier = [initial_state]
while frontier:
current_state = frontier.pop(0)
if heuristic(current_state) == 0:
if not best_solution or current_state.heuristic < best_solution.heuristic:
best_solution = current_state
else:
neighbors = generate_neighbors(current_state)
frontier.extend(neighbors)
return best_solution
# 定义A*算法
def a_star(initial_state):
frontier = []
heapq.heappush(frontier, (heuristic(initial_state), initial_state))
while frontier:
_, current_state = heapq.heappop(frontier)
if heuristic(current_state) == 0:
return current_state
neighbors = generate_neighbors(current_state)
for neighbor in neighbors:
heapq.heappush(frontier, (heuristic(neighbor) + current_state.heuristic, neighbor))
# 生成邻居状态的函数,根据具体问题进行定义
def generate_neighbors(state):
# 根据当前状态生成邻居状态
pass
# 主函数
def main():
# 初始化问题的初始状态
initial_state = State(initial_value, initial_heuristic)
# 应用不同的启发式搜索算法
result_hill_climbing = hill_climbing(initial_state)
result_beam_search = beam_search(initial_state, beam_width)
result_best_first_search = best_first_search(initial_state)
result_branch_and_bound = branch_and_bound_with_underestimate(initial_state)
result_a_star = a_star(initial_state)
# 打印结果
print("Hill Climbing:", result_hill_climbing)
print("Beam Search:", result_beam_search)
print("Best First Search:", result_best_first_search)
print("Branch and Bound:", result_branch_and_bound)
print("A*:", result_a_star)
# 运行主函数
if __name__ == '__main__':
main()
在这个示例程序中,你需要根据具体问题定义generate_neighbors
函数,用于生成邻居状态。另外,你还需要根据具体问题定义initial_value
和initial_heuristic
,作为问题的初始状态和启发值。
以下是一个解决8皇后问题的Python程序示例:
def solve_n_queens(n):
def backtrack(row, queens):
if row == n:
result.append(queens)
return
for col in range(n):
if is_valid(row, col, queens):
backtrack(row + 1, queens + [col])
def is_valid(row, col, queens):
for i in range(row):
if queens[i] == col or \
queens[i] - i == col - row or \
queens[i] + i == col + row:
return False
return True
result = []
backtrack(0, [])
return result
# 解决8皇后问题
solutions = solve_n_queens(8)
# 打印解决方案
for solution in solutions:
board = [['.' for _ in range(8)] for _ in range(8)]
for row, col in enumerate(solution):
board[row][col] = 'Q'
for row in board:
print(' '.join(row))
print()
这个程序使用回溯法来解决8皇后问题。首先定义了一个回溯函数backtrack
,它逐行放置皇后,并检查当前位置是否有效。如果遍历到最后一行,则将当前解决方案添加到结果列表中。然后定义了一个辅助函数is_valid
,用于检查当前位置是否受到攻击。最后,调用solve_n_queens
函数来解决8皇后问题,并打印所有解决方案。
骑士之旅问题是一个经典的问题,目标是找到一个骑士在国际象棋棋盘上完成一次遍历所有格子的路径。
在练习10.b中,我们可以使用启发式方法(如 Warnsdorff’s rule)来尝试解决该问题。然而,当限制骑士的移动次数为64次时,启发式方法可能无法找到解决方案。
在64次移动的情况下,骑士将遍历棋盘上的每个格子一次。这意味着每个格子都将成为路径的一部分,而不会有任何选择。因此,无论我们选择哪个点作为起始点,最终的路径都将是相同的。
因此,在64次移动的情况下,我们不需要使用启发式方法来选择起始点。我们可以简单地选择棋盘上的任意一个格子作为起始点,然后使用回溯法来找到一条满足条件的路径。
以下是一个使用回溯法解决64次移动的骑士之旅问题的Python程序示例:
def solve_knight_tour(n):
def is_valid_move(x, y):
return 0 <= x < n and 0 <= y < n and not visited[x][y]
def backtrack(x, y, move_count):
visited[x][y] = True
path.append((x, y))
if move_count == n * n:
return True
for dx, dy in moves:
next_x = x + dx
next_y = y + dy
if is_valid_move(next_x, next_y):
if backtrack(next_x, next_y, move_count + 1):
return True
visited[x][y] = False
path.pop()
return False
moves = [(-2, 1), (-1, 2), (1, 2), (2, 1),
(2, -1), (1, -2), (-1, -2), (-2, -1)]
visited = [[False] * n for _ in range(n)]
path = []
# 选择任意一个起始点
start_x, start_y = 0, 0
backtrack(start_x, start_y, 1)
return path
# 解决64次移动的骑士之旅问题
path = solve_knight_tour(8)
# 打印路径
for x, y in path:
print(f'({x}, {y})')
上述程序使用回溯法来找到一条满足条件的路径。我们选择了棋盘上的任意一个格子作为起始点,并使用递归函数backtrack
来进行回溯搜索。当移动次数达到64次时,我们找到了一条完整的路径,并将其打印出来。