Поиск с возвратом

Иногда приходится иметь дело с задачей поиска оптимального решения, когда невозможно применить ни один из известных методов, способных помочь отыскать оптимальный вариант решения, и остается прибегнуть к последнему средству — полному перебору. Приведем систематическое описание метода полного перебора, называемого поиском с возвратом.

Рассмотрим игры двух лиц, которые обычно описываются множеством «позиций» и совокупностью правил перехода из одной позиции в другую, причем предполагается, что игроки ходят по очереди. Будем считать, что правилами разрешены лишь конечные последовательности позиций и что в каждой позиции имеется лишь конечное число разрешенных ходов. Тогда для каждой позиции p найдется число N(p) такое, что никакая игра, начавшаяся в p, не может продолжаться более N(p) ходов.

Терминальными называются позиции, из которых нет разрешенных ходов. На каждой из них определена целочисленная функция f(p), задающая выигрыш того из игроков, которому принадлежит ход в этой позиции; выигрыш второго игрока считается равным -f(p).

Рисунок 24. Дерево игры «крестики-нолики»

Если из позиции p имеется d разрешенных ходов p₁, …, p_d, возникает проблема выбора лучшего из них. Будем называть ход наилучшим, если по окончании игры он приносит наибольший возможный выигрыш при условии, что противник выбирает ходы, наилучшие для него (в том же смысле). Пусть f(p) есть наибольший выигрыш, достижимый в позиции p игроком, которому принадлежит очередь хода, против оптимальной защиты. Так как после хода в позицию p_i выигрыш этого игрока равен -f(p_i), имеем

Эта формула позволяет индуктивно определить f(p) для каждой позиции p.

Функция f(p) равна тому максимуму, который гарантирован, если оба игрока действуют оптимально. Следует, однако, заметить, что она отражает результаты весьма осторожной стратегии, которая не обязательно хороша против плохих игроков или игроков, действующих согласно другому принципу оптимальности. Пусть, например, имеются два хода в позиции p₁ и p₂, причем p₁ гарантирует ничью (выигрыш 0) и не дает возможности выиграть, в то время, как p₂ дает возможность выиграть, если противник просмотрит очень тонкий выигрывающий ход. В такой ситуации можно предпочесть рискованный ход в p₂, если только нет уверенности в том, что противник всемогущ и всезнающ. Очень возможно, что люди выигрывают у шахматных программ таким именно образом.

Нижеследующий алгоритм, называемый поиском с возвратом, вычисляет f(p).

function BackSearch(p: position): integer;

{оценивает и возвращает выигрыш f(p) для позиции p}

var

m,i,t,d: integer;

begin

Определить позиции p₁,...,p_d, подчиненные p;

if d = 0 then BackSearch := f(p)

else begin

m := -;

for i:= 1 to d do begin

t := - BackSearch(p_i);

if t > m then m:= t;

end;

BackSearch := m;

end;

end;

Здесь + обозначает число, которое не меньше abs(f(p)) для любой терминальной позиции p; поэтому - не больше f(p) и -f(p) для всех p. Этот алгоритм вычисляет f(p) на основе «грубой силы» – для каждой позиции он оценивает все возможные продолжения.

Если рассмотреть сложную игру (например, шахматы), в которой дерево игры, являясь, в принципе, конечным, столь огромно, что любые попытки оценить его по данному методу обречены на неудачу.

Проблема для наиболее интересных игр состоит в том, что размер этого дерева является чрезвычайно огромным, порядка W^L, где W – среднее количество ходов в позиции, а L – количество уровней дерева. Перебор всего дерева невозможен, главным образом из-за недостатка времени, даже на самых быстрых вычислительных машинах. Все практические алгоритмы поиска являются некоторыми приближениями полного перебора.