人工智能05约束满足问题(PPT53页)

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《人工智能原理》-PPT P2C6-约束问题求解

《人工智能原理》-PPT P2C6-约束问题求解
❖ 解:该状态空间上的某个具有一致性和完备性的赋值。
❖ 一致性赋值:不违反任何约束的合法赋值。
❖ 完备性赋值:每个变量都被赋值,并且该赋值是一致的、完整的。
人工智能原理
15
约束满足问题
形式化
约束满足问题的值域
值域
离散
连续
有限
地图着色问题(Map coloring problem)

无限
整数或字符串集合(Set of integers or strings)
约束满足问题的实例化
约束传播
回溯搜索
局部搜索
问题的改进
13
约束满足问题
约束满足问题(Constraint Satisfaction Problems, CSPs)
一个约束满足问题可看作是一个可能世界中的一组对象(objects),其状态必须满足一些约
束。它将一个可能世界表征为一个对变量进行有限约束的同构集合,采用约束满足方法进行求

约束满足问题的约束
约束
一元约束
二元约束
n元约束
线性
, ≠ 3
1 , 2 , 1 ≠ 2
(1 , 2 , … , ), ∀≠ (1 , 2 , … , )
非线性
人工智能原理
算法不存在
16
约束满足问题
状态的表示
状态表示:约束满足问题 vs 经典搜索问题
❖ 经典搜索问题的状态:
局部搜索(local search)
人工智能原理
18
第6章 约束问题求解
目录








人工智能原理
约束问题
可能世界及其约束
约束满足问题

《约束推理》课件

《约束推理》课件

3
加强与其他领域的合作与交流,有助于推动约束 推理的跨学科发展。
06
CATALOGUE
总结与展望
约束推理的重要性和意义
约束推理是一种重要的推理方法,在人工智能 、自然语言处理、数据挖掘等领域具有广泛的 应用。
约束推理有助于解决复杂的问题,提高推理效 率和精度,为人工智能技术的发展提供了有力 支持。
约束推理在智能控制、智能诊断、智能规划等 领域也具有广泛的应用前景,能够为各行业提 供智能化解决方案。
目前研究的不足与未来发展方向
目前约束推理的研究还存在一些不足之处,如算法的 效率、可解释性等方面仍有待提高。
未来研究需要进一步探索约束推理的原理和机制,加 强算法的优化和改进,提高约束推理的应用效果和智
01
随着问题规模的扩大,求解大规模约束满足问题成为一项挑战 。
02
分布式计算、云计算等技术为大规模问题的求解提供了新的解
决方案。
优化算法、启发式搜索等策略在求解大规模问题中具有重要应
03
用价值。
约束推理在其他领域的应用拓展
1
约束推理在生产调度、物流优化等领域具有广泛 的应用前景。
2
拓展约束推理在其他领域的应用,需要深入了解 相关领域的具体问题和需求。
束条件下,寻找满足所有约束条件的解的问题。
02常Biblioteka 的约束满足问题包括排课表、工作分配、旅行商
问题等。
03
约束满足问题求解算法包括局部搜索、分支定界、遗
传算法等,旨在寻找满足所有约束条件的解。
启发式搜索算法
01
启发式搜索算法是一种基于启 发式信息的搜索算法,通过评 估解的质量来指导搜索方向, 以减少搜索空间。
能化水平。

人工智能的约束满足和优化问题

人工智能的约束满足和优化问题

人工智能的约束满足和优化问题在当今科技领域已经成为一个热门话题。

随着人工智能技术的不断发展,人们对于如何在人工智能应用中处理约束条件和优化问题提出了更高的要求。

本文将从理论和实践两方面探讨,并就相关应用领域进行案例研究。

首先,我们来介绍人工智能中的约束满足问题。

在人工智能应用中,约束满足是指在一定条件下,使得问题的解满足一定的约束条件。

在一些现实生活中的问题中,约束是必要的,比如在资源分配问题中,约束能够保证资源的合理利用;在生产计划问题中,各种约束条件可以保证生产过程的正常进行。

在人工智能领域,如何解决约束满足问题成为一个重要的挑战。

人工智能中的约束满足问题可以通过多种方式解决,其中较为常见的是约束满足优化问题。

优化问题通过寻找最优解来满足约束条件。

例如,在机器学习中,我们可以使用优化算法来优化模型的目标函数,同时保证模型满足一定的约束条件。

常见的优化算法包括梯度下降算法、遗传算法等。

在实践中,应用广泛。

下面我们以交通流控制和供应链管理两个应用场景进行案例研究。

首先是交通流控制。

在城市交通管理中,如何合理控制交通流量是一个重要的问题。

传统的方法往往采用固定的信号灯控制方案,但是由于交通流量的变化以及路面情况的复杂性,传统的方法容易导致交通堵塞。

可以通过学习交通数据,并使用优化算法来找到最优的信号灯控制方案。

例如,可以使用遗传算法来优化信号灯的配时方案,并考虑交通流量、路况等因素的约束条件,以满足交通流量控制的需求。

通过这种方法,可以提高交通效率,减少交通拥堵。

其次是供应链管理。

在现代供应链管理中,如何有效地调配资源,满足需求,是一个重要的挑战。

传统的供应链管理往往采用固定的生产计划方案,但是由于需求的变化以及供应链各个环节的复杂性,固定方案容易导致资源的浪费或者供应链断裂。

可以通过学习供应链数据,并使用优化算法来找到最优的生产计划方案。

例如,可以使用线性规划算法来优化供应链各个环节的资源分配方案,并考虑需求、生产能力等因素的约束条件,以满足供应链管理的需求。

《无约束极值问题》课件

《无约束极值问题》课件
《无约束极值问题》PPT 课件
人们在探索并解决无约束极值问题上付出了大量努力,因为这是数学、物理、 经济以及机器学习等领域中最具有挑战性的问题之一。
什么是无约束极值问题
定义和概念
无约束极值问题是在没有约束条件下,寻找多元函数的最大值或最小值。
举例说明
例如,在机器学习领域,我们需要寻找一组参数,使得模型对数据的拟合误差最小。
大规模数据集中的无约束极值 问题
2
出了更高的要求,因为它们通常涉及 到高维权重空间。
由于现在拥有更大规模的数据集,如 何在更短的时间内解决无约束极值问
题是当前的研究方向之一。
挑战与机会
无约束极值问题的解决可以为现实世界中的许多领域带来极大的机会,也面临许多挑战。
常见的求解方法
1
牛顿法
2
,需要计算函数的一阶以及二
阶导数。
3
梯度下降法
该方法通过计算函数梯度,并将参数 移动到梯度方向的相反方向上,来搜 索函数极值。
拟牛顿法
该方法是基于牛顿法的一种迭代算法, 用来求解高维非线性优化问题,通常 比牛顿法更加鲁棒。
应用场景
机器学习中的无约束极 值问题
例如,在神经网络学习中,我 们需要优化权重和偏移,来最 小化模型的损失函数。
经济学中的无约束极值 问题
例如,在微观经济学中,我们 需要找到一个解决方案,以最 大化厂商的利润。
物理学中的无约束极值 问题
例如,在理论物理学中,我们 需要用最小作用量原理来描述 自然界中许多现象。
解决无约束极值问题的挑战
1 局部极值点
很多情况下,算法会陷入局部最优,并无法找到全局最优解。
2 收敛性问题
一些算法可能需要大量的时间和额外的控制来保证其收敛性。

约束满足问题(CSP)的算法探索

约束满足问题(CSP)的算法探索

约束满足问题(CSP)的算法探索约束满足问题(Constraint Satisfaction Problem,CSP)是人工智能领域中的一个重要问题类型,涉及到在一组变量上的取值,同时满足一系列约束条件。

CSP在实际生活中有着广泛的应用,比如在排课、时间表安排、资源分配等领域都可以看到CSP的身影。

为了解决CSP问题,人们提出了各种不同的算法,本文将对CSP问题及其相关算法进行探索和介绍。

### 什么是约束满足问题(CSP)?约束满足问题是指一组变量,每个变量有一定的取值范围,同时还有一系列约束条件限制这些变量的取值。

CSP的目标是找到一组取值,使得所有约束条件都得到满足。

通常来说,CSP可以用一个三元组表示:CSP = (X, D, C),其中:- X = {X1, X2, ..., Xn} 表示一组变量;- D = {D1, D2, ..., Dn} 表示每个变量对应的取值范围;- C = {C1, C2, ..., Cm} 表示约束条件的集合。

### CSP的经典问题CSP问题有许多经典的应用场景,下面介绍几个常见的CSP问题:1. **地图着色问题**:给定一张地图和一定数量的颜色,要求每个地区用一种颜色着色,相邻的地区不能使用相同的颜色。

2. **八皇后问题**:在8×8的国际象棋棋盘上放置8个皇后,使得它们互相不能攻击到对方。

3. **数独问题**:填充一个9×9的网格,使得每一行、每一列和每个3×3的子网格中的数字都是1到9且不重复。

### CSP的求解算法为了解决CSP问题,人们提出了多种求解算法,常见的包括回溯算法、约束传播算法和启发式搜索算法等。

下面分别介绍这几种算法: #### 1. 回溯算法回溯算法是解决CSP问题最常用的方法之一。

其基本思想是逐步尝试每个变量的取值,并检查是否满足约束条件,如果不满足则回溯到上一步重新选择取值。

回溯算法的优点是简单易懂,但在处理大规模问题时效率较低。

约束满足问题(高校排课问题)

约束满足问题(高校排课问题)

最小剩余值启发式+前向检验的 改进回溯算法
S1 获取课程、教师、班级、教学场地、教学时间及约束信息,建立排课任务并 根据自约束确定各排课任务变量的值域,如存在值域为空,则问题无解; S2 i=1( i为当前待排课任务序号); S3 如果i大于排课任务数量,则得到问题解而终止; S4 采用最小剩余值启发式,按值域空间大小对剩余排课任务进行升序排列,即 优先安排可选资源少的排课任务; S5 逐次考察排课任务变量 X i 值域中的元素,直至利用关系约束的前向检验,检 测到所有剩余排课任务均存在可选资源; S6 如果变量X i 的值域已越界,则i=i-1;否则,对排课任务X i 赋值,并修改相 关剩余排课任务的值域,i=i+1,并转S3; S7 如果i=0,则问题无解而终止;否则,恢复由 X i 引发的对相关排课任务值域 的修改,取消 X i 的赋值并转S4。
优化约束与解的质量
高校排课问题具有多个优化目标,将目标通过约束表征 而得到高质量解的间接求解方法,通常是有效的。 优化约束是针对高校排课问题的优化目标而建立的约束。 它可以是自约束,也可以是关系约束。当排课问题的解满 足连同优化约束在内的全部约束条件时,则可以认为解是 高质量的。
BOOLEAN C3=(|Ti .教学时间.星期-Tj .教学时间.星期| ≥ 间隔天数)
谢谢
高校排课问题
在高校排课问题中,一个排课任务是指为一次教学任务做出的场地 及时间的选择,这种选择必须满足教学任务自身的条件需求,并且不 能与其他排课任务发生冲突。 这里,排课任务是变量,可供选取的资源为问题的值域,而需求与 冲突就是约束。 由上可见,排课问题可以看做一个约束满足问题,问题的求解表现 为对各排课任务寻找满足约束的资源,解的优劣也可以通过约束来表 征。

人工智能原理第2章搜索技术下ppt课件

人工智能原理第2章搜索技术下ppt课件
2.5.5 关于失败变量的启发式
第2章 搜索技术
2.5.1 约束满足问题的定义
• 约束满足问题(Constraint Satisfying Problem, CSP)由一个变量集合{X1~Xn}和一个约束集 合{C1~Cm}定义
• 每个变量都有一个非空可能值域Di • 每个约束指定了包含若干变量的一个子集内各
5
第2章 搜索技术
2.4.1 局部搜索与最优化问题
• 局部搜索算法的优点:
• 只使用很少的内存(通常是一个常数) • 经常能在不适合系统化算法的很大或无限的
状态空间中找到合理的解
• 最优化问题—根据一个目标函数找到最佳 状态 / 只有目标函数,而不考虑(没有) “目标测试”和“路径耗散”
• 局部搜索算法适用于最优化问题
T
{WA=R, NT=G, Q=R, SA=
B, NSW=G, V=R, T=R}
28
第2章 搜索技术
例2:密码算术问题(1)
• 算式
TWO
+ TWO
——————— FOUR
• 直观地求解此问题:
• F=1 如不考虑O/U有进位,则R/U/O为偶数 R={4,6,8} O={2?,3?,4!}
• R=8/O=4则T=7(由O/R/U/W共同限制)
下一步 • 随机重新开始爬山法—随机生成初始状态,进
行一系列爬山法搜索—这时算法是完备的概率 接近1
12
第2章 搜索技术
2.4.3 模拟退火搜索
• 将爬山法(停留在局部山峰)和随机行走 以某种方式结合,以同时获得完备性和 效率
• 模拟退火的思想
• 想象在不平的表面上如何使一个乒乓球掉到 最深的裂缝中—如果只让其在表面滚动,则 它只会停留在局部极小点 / 如果晃动平面, 可以使乒乓球弹出局部极小点 / 技巧是晃 动足够大使乒乓球弹出局部极小点,但又不 能太大把它从全局极小点中赶出

05工程优化第4章-1无约束最优化方法解析精品PPT课件

05工程优化第4章-1无约束最优化方法解析精品PPT课件

利用精确一维搜索,可得
' (k ) f (xk k d k )T d k 0
由此得出
f (xk ) d k
0=f (xk k d k )T d k =f (xk +1)T d k = (d k +1)T d k
最速下降法在两个相邻点之间的搜索方向是正交的。
最速下降法向极小点逼近是曲折前进的,这种现象称为锯齿 现象。
然后再从 x1 开始新的迭代,经过10次迭代,得最优解 x* (0, 0)T
计算中可以发现,开始几次迭代,步长比较大,函数值下 降将较快,但当接近最优点时,步长很小,目标函数值下降很 慢。
如果不取初点为 x0 (2, 2)T 而取 x0 (100, 0)T
令 f x 0, 即:
利用一阶条件 求驻点
利用二阶条件 判断驻点是否 是极小点
x12 x22
10 2x2
0
得到驻点: 1 1 1 1
x1
0
,
x2
2
,
x3
0
,
x4
2
.
无约束优化的最优性条件
函数 f x 的Hesse阵:
2
f
x
2x1 0
0
2x2
2
利用二阶条件 判断驻点是否 是极小点
假设 f 连续可微,
d k f (xk )
f
(xk
k d k )
min 0
f
(xk
பைடு நூலகம்
dk )
步长 k由精确一维搜索得到。
从而得到第 k+1次迭代点,即
xk1 xk +k d k xk kf (xk )
最速下降法 负梯度方向d k f (xk )是函数值减少最快的方向 ?

《人工智能基础》第五章课件

《人工智能基础》第五章课件
在可行域内没有比 ∗ 更好的点
• 局部最优解
∃ > 0: ∗ ≤ ,
∀: ∈ and − ∗ ≤
Page .
人工智能与优化
• 很多人工智能任务可以建模为优化问题:
Page .
离散优化与连续优化
• 根据优化变量的取值,优化问题可以分为连续优化(变量是
实数)和离散优化(如布尔变量、整数变量)
• 目标函数: 表示希望进行优化的指标。
• 优化变量:min 表示我们希望对 进行极小化,其下标
表示优化变量
• 约束:s.t. 是 subject to 的缩写,表示其后的式子是对变量
的“约束”,即要求 满足的条件。 ℎ ≤ 0 被称为“不等式
约束”; = 0 被称为“等式约束
1. 随机生成包含足够数量的染色体的生物种群;
2. 计算种群中每个个体的“适应度”(fitness);
3. 根据适应度随机选择竞争中胜出的个体,适应度越高,相应个体被选
中的概率越高;
4. 胜出的个体进行杂交(交换染色体),并以一定概率进行变异,生成
子代个体;
5. 转到第2步,进行下一代的繁衍。
Page .
5.3 智能优化方法
Page .
凸集与凸函数
定义 集合 是凸集(convex set), 当且仅当
1 + 1 − 2 ∈ , ∀ ∈ 0,1 , ∀2 , 2 ∈
定义在凸集上的函数 是凸函数(convex function),当且仅当
1 + 1 − 2 ≤ 1 + 1 − 2 ,
• 一般而言,连续优化易于求解
从当前解出发,可以根据梯度等信息感知不同方向上的

人工智能-人工智能05约束满足问题53页 精品

人工智能-人工智能05约束满足问题53页 精品

Example: Map-Coloring
变量 WA, NT, Q, NSW, V, SA, T 值域 Di = {red,green,blue} 约束: adjacent regions must have different colors
e.g., WA ≠ NT, or (if the language allows this), or (WA,NT) ∈ {(red,green),(red,blue),(green,red), (green,blue), … }
第五章 约束满足问题
Review: Last Chapter
• Best-first search Heuristic functions estimate costs of shortest paths Good heuristics can dramatically reduce search cost Greedy best-first search expands lowest h — incomplete and not always optimal A* search expands lowest g+ h — complete and optimal — also optimally efficient (up to tie-breaks, for forward search) Admissible heuristics can be derived from exact solution of relaxed problems
CSP的种类
离散变量 • finite domains 有限值域:
n 个变量, 值域大小d → O(dn) 完全赋值 e.g., Boolean CSPs/布尔CSP问题(NP-complete) • infinite domains 无限值域 (integers, strings, etc.) e.g., job scheduling, variables are start/end days for each job 不能通过枚举来描述值域,只能用约束语言 , e.g., 线性约束可解, 非线性约束不可解

ch5 约束满足问题 人工智能课程 北大计算机研究所ppt课件

ch5 约束满足问题     人工智能课程   北大计算机研究所ppt课件
例如八皇后问题,如果不计算皇后的初始状 态,算法的运行时间大体上独立于问题的大 小。
局部搜索算法的另一个优势是当问题改 变时可用于联机设置
在调度问题中尤其重要
第五章、约束满足问题
约束满足问题(CSP) CSP问题的回溯搜索 约束满足问题的局部搜索 问题的结构
问题的结构:利用来找到问题 的解
对于满足S所有约束条件的S中变量的每 个可能的赋值,
从剩余变量的值域中删除与S的赋值不相容 的值,并且
如果去掉S后的剩余CSP有解,把解和S的赋 值一起返回。
算法的时间复杂度
如果环割集的大小为c,那么总的运行时 间为O(dc(n-c)d2)。
寻找最小环割集是个NP难题
基于合并节点
把约束图分解为相关联的子问题集 独立求解每个子问题 合并结果
约束满足问题
CSP由一个变量集合和一个约束集合组成 问题的一个状态是由对一些或全部变量
的一个赋值定义的
完全赋值:每个变量都参与的赋值
问题的解是满足所有约束的完全赋值, 或更进一步,使目标函数最大化。
例子:澳大利亚地图的染色
对每个区域染上红、绿或蓝色,使得没有相 邻的区域颜色相同。
将问题形式化为CSP
弧相容算法AC-3的 时间复杂度是 O(n2d3)。
推广到k相容
弧相容算法AC-3
k相容
如果对于任何k-1个变量的相容赋值, 第k个变量总能被赋予一个与前k-1个变 量相容的值,那么该CSP问题是k相容的。弧相 Nhomakorabea=2相容
处理特殊约束:应用专门算法
删除约束中只有单值值域的变量,然后 将这些变量的取值从其余变量的值域中 删去(重复该过程)。
提前发现失败
HW
5.2,5.6
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每个约束包括一些变量的子集,并指定这些子集的值之间允许进行的
合并
Simple example of a formal representation language(形式化表示方法) Allows useful general-purpose(通用的,而不是问题特定的) algorithms with more power than standard search algorithms
Constraint satisfaction problems (CSPs)
Standard search problem: state is a “black box“ – any old data structure that supports goal test, eval, successor 任何可以由目标测试、评价函数、后继函数访问的数据结构
Example: Map-Coloring
Solutions are assignments satisfying all constraints, e.g., {WA=red, NT =green, Q=red, NSW =green, V =red,
SA=blue, T=green}
Constraint graph(约束图)
Local beam search Keep track of k states rather than just one
Genetic algorithms
本章大纲
• CSP examples • Backtracking search for CSPs • Problem structure and problem decomposition • Local search for CSPs
CSP:
state is defined by goal test is a set of
vcaorniasbtrlaeisnXtsi
wspitehcivfayilnugesafllroowmadbolemcaoimn(bin值at域ion)s Doif
values
for subsets of variables
CSP的种类
离散变量 • finite domains 有限值域:
n 个变量, 值域大小d → O(dn) 完全赋值 e.g., Boolean CSPs/布尔CSP问题(NP-complete) • infinite domains 无限值域 (integers, strings, etc.) e.g., job scheduling, variables are start/end days for each job 不能通过枚举来描述值域,只能用约束语言 , e.g., 线性约束可解, 非线性约束不可解
Example: Map-Coloring
变量 WA, NT, Q, NSW, V, SA, T 值域 Di = {red,green,blue} 约束: adjacent regions must have different colors
e.g., WA ≠ NT, or (if the language allows this), or (WA,NT) ∈ {(red,green),(red,blue),(green,red), (green,blue), … }
Hill-climbing search depending on initial state, can get stuck in local maxima
Simulated annealing search escape local maxima by allowing some “bad” moves but gradually decrease their frequency
第五章 约束满足问题
Review: Last Chapter
• Best-first search Heuristic functions estimate costs of shortest paths Good heuristics can dramatically reduce search cost Greedy best-first search expands lowest h — incomplete and not always optimal A* search expands lowest g+ h — complete and optimal — also optimally efficient (up to tie-breaks, for forward search) Admissible heuristics can be derived from exact solution of relaxed problems
Binary CSP: 每个约束与2个变量有关 约束图: 节点是变量, 边是约束
General-purpose CSP algorithms(通用CSP算法) use the graph structure to speed up search.
E.g., Tasmania is an independent subproblem!
连续值域的变量 e.g., 哈勃望远镜观测的开始、结束时间 线性规划问题linear constraints solvable in polynomial time
by linear programming(LP) methods
约束的种类
• Unary(一元) 约束只限制单个变量的取值, e.g., SA ≠ green
Review: Last Chagorithms • the path to the goal is irrelevant; the goal state itself is the solution • keep a single "current" state, try to improve it
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