AI基礎講座 第3話 第1次AIブーム 推論と探索 (1)

株式会社Ridge-i内の2019年度インターンシッププログラムで行った基礎講座。

第3話は人工知能第1次ブームの花形ともいえる推論/探索について。迷路を解くという課題を例に、古典的な探索アルゴリズムをさらっと紹介します。

対応する動画が https://youtu.be/8bqMeqLHL1A にアップロードされておりますので、ご興味があればご覧ください。恐れ入りますが、細かい文字も多い箇所なので、こちらのスライド必携となっております。

Transcript

1. Ridge-i インターンシッププログラム 人工知能・機械学習（AI/ML）基礎講座 第3話 第1次AIブーム 推論と探索 (1) Chief Research Officer 牛久 祥孝
2. 1.1.2. 推論と探索
3. 推論＝（ほぼ）探索 • 推論と探索は基本的に同じ • 本小節では、探索として以下の項目について解説する – 深さ優先探索 – 幅優先探索 – 最適探索 – 最良優先探索 – A*探索 – 動的計画法 – ミニマックス法 – アルファ・ベータ法 – モンテカルロ木探索
4. 迷路 • からまでロボットが到達 するような問題を考える
5. 迷路 • からまでロボットが到達 するような問題を考える • 迷路の次の位置にマークを おく – 分岐 – 行き止まり
6. 迷路 • からまでロボットが到達 するような問題を考える • 迷路の次の位置にマークを おく – 分岐 – 行き止まり • 行き来可能なマーク同士を 線で結ぶ
7. 迷路の探索＝グラフの探索 エッジ ノード
8. 深さ優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの先頭に追加 オープンリスト クローズドリスト
9. 深さ優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの先頭に追加 オープンリスト クローズドリスト
10. 深さ優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの先頭に追加 オープンリスト クローズドリスト
11. 深さ優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの先頭に追加 オープンリスト クローズドリスト
12. 深さ優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの先頭に追加 オープンリスト クローズドリスト
13. 深さ優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの先頭に追加 オープンリスト クローズドリスト
14. 深さ優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの先頭に追加 オープンリスト クローズドリスト
15. 深さ優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの先頭に追加 オープンリスト クローズドリスト
16. 深さ優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの先頭に追加 オープンリスト クローズドリスト
17. 深さ優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの先頭に追加 オープンリスト クローズドリスト
18. 深さ優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの先頭に追加 オープンリスト クローズドリスト：辿った順番
19. 幅優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの末尾に追加 オープンリスト クローズドリスト
20. 幅優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの末尾に追加 オープンリスト クローズドリスト
21. 幅優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの末尾に追加 オープンリスト クローズドリスト
22. 幅優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの末尾に追加 オープンリスト クローズドリスト
23. 幅優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの末尾に追加 オープンリスト クローズドリスト
24. 幅優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの末尾に追加 オープンリスト クローズドリスト
25. 幅優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの末尾に追加 オープンリスト クローズドリスト
26. 幅優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの末尾に追加 オープンリスト クローズドリスト
27. 幅優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの末尾に追加 オープンリスト クローズドリスト
28. 幅優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの末尾に追加 オープンリスト クローズドリスト
29. 幅優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの末尾に追加 オープンリスト クローズドリスト
30. 幅優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの末尾に追加 オープンリスト クローズドリスト
31. 幅優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの末尾に追加 オープンリスト クローズドリスト
32. 幅優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの末尾に追加 オープンリスト クローズドリスト：辿った順番
33. 深さ優先探索と幅優先探索 • 深さ優先探索 オープンリストに記憶されるノード数が比較的少なくて済むので、 大きなグラフの探索に適している  仮にスタートの近くにゴールがあっても、深さを優先して無駄な探索を 続ける可能性がある • 幅優先探索 初期ノードに近いところから探索するので、スタートから近いゴールを 発見するのに有効  グラフが横に大きいとオープンリストに多くのメモリが必要 • 共通すること – 未知の迷路でも動くが、無駄な行き来が多い
34. 無駄な行き来を減らすには • 最短何歩でゴールまでつけるか • • ()スタートから現在地までの最適経路での歩数（コスト）の総和 • ℎ() 現在地からゴールまでの最適経路での歩数（コスト）の総和 • � , � ℎ () それらの推定値 1歩 4歩 2歩 2歩 4歩 6歩 2歩 3歩 1歩 2歩
35. 最適探索 初期化：オープンリストにを入れる(コスト0) クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストに追加し、から 今のノードまでのコストの総和 � ()が小さ い順に並べる
36. 現在地からゴールまでの最適経路の歩数ℎ()？ まだ探索中なのに最適な 経路なんてわからない！ 別の情報があれば 推定はできるかも？ 例：座標が分かれば 最小歩数は出る ℎ(2 )=2+3=5
37. 最良優先探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの追加し、今の ノードからまでのコストの総和� ℎ()が小 さい順に並べる
38. A*探索 初期化：オープンリストにを入れる クローズドリストを空にする オープンリストに何かある限り以下を繰り返す 1. オープンリストから先頭のノードを取り出 し、クローズドリストの先頭に追加 2. 今のノードがであればゴール 3. 今のノードから辿れてリストにないノード をすべてオープンリストの追加し、今の ノードからまでのコストの総和 + � ℎ()が小さい順に並べる