برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت zusa.ir مراجعه نمایید.

 

۲-۴-۱-۱- الگوریتم‌های جستجوی ناآگاهانه

 

 

یک الگوریتم جستجوی ناآگاهانه الگوریتمی است که به ماهیّت مسأله کاری ندارد. از این‌رو می‌توانند به طور عمومی طراحی شوند و از همان طراحی برای محدودۀ عظیمی از مسائل استفاده کنند، این امر نیاز به طراحی انتزاعی دارد. از جمله مشکلاتی که این چنین الگوریتم‌هایی دارند این است که اغلب فضای جستجو بسیار بزرگ است و نیازمند زمان زیادی (حتی برای نمونه‌های کوچک) می‌باشد. از این‌رو برای بالا بردن سرعت پردازش غالبا از الگوریتم‌های آگاهانه استفاده می‌کنند.

 

 

جستجوی لیست

 

 

الگوریتم‌های جستجویِ لیست شاید از ابتدایی‌ترین انواع الگوریتم‌های جستجو باشند. هدف آن پیدا کردن یک عنصر از مجموعه‌ای از کلیدهاست(ممکن است شامل اطلاعات دیگری مرتبط با آن کلید نیز باشد). ساده‌ترین این الگوریتم‌ها، جستجوی خطّی است که هر عنصر از لیست را با عنصر مورد نظر مقایسه می‌کند. زمان اجرای این الگوریتم از O(n) است وقتی که n تعداد عناصر در لیست باشد. اما می‌توان از روش دیگری استفاده کرد که نیازی به جستجوی تمام لیست نباشد. جستجوی دودویی اندکی از جستجوی خطّی بهتر است. زمان اجرای آن از O(log n) است. این روش برای لیستی با تعداد دادۀ زیاد بسیار کارآمدتر از روش جستجوی خطّی است. اما در این روش لیست باید قبل از جستجو مرتب شده باشد. «جستجو با میان‌یابی» برای داده‌های مرتب شده با تعداد زیاد و توزیع یکنواخت، مناسب‌تر از جستجوی دودویی است. زمان اجرای آن به طور متوسّط O(log(log n)) است ولی بدترین زمان اجرای آن O(n) می‌باشد. الگوریتم «گراور»[۲۸]الگوریتم پلّه‌ای است که برای لیست‌های مرتب نشده استفاده می‌شود. الگوریتم Hash Table نیز برای جستجوی لیست به کار می‌رود. به طور متوسط زمان اجرای ثابتی دارد. اما نیاز به فضای اضافه داشته و بدترین زمان اجرای آن از O(n) است.

 

 

جستجوی درختی

 

 

الگوریتم‌های جستجوی درختی، قلب شیوه‌های جستجو برای داده‌های ساخت یافته هستند. مبنای اصلی جستجوی درختی، گره‌هایی است که از یک ساختمان داده گرفته شده‌اند. هر عنصر که بخواهد اضافه شود با داده‌های موجود در گره‌های درخت مقایسه می‌شود و به ساختار درخت اضافه می‌شود. با تغییر ترتیب داده‌ها و قرار دادن آنها در درخت، درخت با شیوه‌های مختلفی جستجو می‌شود.

 

 

جستجوی گراف

 

 

بسیاری از مسائل در نظریۀ گراف می‌تواند با الگوریتم‌های پیمایش درخت حل شوند، مثل الگوریتم دیکسترا[۲۹]، الگوریتم کروسکال[۳۰]، الگوریتم نزدیک‌ترین‌همسایه[۳۱] و الگوریتم پریم[۳۲]. می‌توان این الگوریتم‌ها را توسعه یافتۀ الگوریتم‌های جستجوی درختی دانست.

 

 

۲-۴-۱-۲- الگوریتم‌های جستجوی آگاهانه

 

 

در یک جستجوی آگاهانه، از نوع خاصی از مسائل به عنوان راهنما استفاده می‌شود. یک گونۀ خوب، یک جستجوی آگاهانه با کارایی قابل توجّهی نسبت به جستجوی ناآگاهانه به وجود می‌آورد. الگوریتم‌های برجستۀ کمی از جستجوی آگاهانۀ یک لیست وجود دارد. یکی از این الگوریتم‌هاHash Table با یک تابع Hash که برمبنای نوع مسأله‌ای که دردست است می‌باشد. بیشتر الگوریتم‌های جستجوی آگاهانه، بسطی از درخت‌ها هستند. همانند الگوریتم‌های ناآگاهانه، این الگوریتم‌ها برای گراف‌ها نیز می‌توانند به کار روند.
دلیل نیاز به روش‌های جستجوی آگاهانه، نیاز به کاهش هزینۀ زمانی مورد نیاز برای حلّ مسأله است. در واقع به این دلیل که ما تمایل داریم مسائل را در زمان کمتری حل کرده و از بررسی تمام حالات ممکن اجتناب کنیم، می‌بایست روشی برای تشخیص کیفیت مسیر (حتی به شکل نسبی) داشته باشیم.

 

 

جستجوی خصمانه

 

 

در یک بازی مثل شطرنج، یک درخت بازی شامل تمام حرکات ممکن توسط هر دو بازیکن و نتایج حاصل از ترکیب این حرکات وجود دارد، و ما می‌توانیم این درخت را جستجو کرده و مؤثرترین استراتژی برای بازی را بیابیم. این چنین مسائلی دارای مشخصۀ منحصر به فردی هستند. برنامه‌های بازی‌های رایانه‌ای، و همچنین فرم‌های هوش مصنوعی مثل برنامه‌ریزی ماشین‌ها، اغلب از الگوریتم‌های جستجو مثل الگوریتم مین‌ماکس[۳۳] (می‌نیمیم مجموعه‌ای از ماکزیمم‌ها)، هرس کردن درخت جستجو و هرس کردن آلفا-بتا استفاده می‌کنند.
۲-۴-۲- مسائل NP-Hard
نمونه‌ای از مسائلی که نمی‌توان آنها را به روش سنتی حل کرد مسائل NP هستند. مجموعه «ان‌پی-سخت» شامل چندهزار مسألۀ مختلف با کاربردهای فراوان است که تاکنون برای آنها راه‌حلّ سریع و قابل انجام در زمان معقول پیدا نشده ‌است و به احتمال زیاد در آینده نیز یافت نخواهد شد. این که راه‌حلّ سریعی برای آنها وجود ندارد هم اثبات شده‌است. البته ثابت شده ‌است که اگر فقط برای یکی از این مسأله‌ها راه‌حل سریعی پیدا شود، این راه‌حل موجب حلّ سریع بقیۀ مسأله‌ها خواهد شد. البته احتمال پیدا شدن چنین الگوریتمی ضعیف است. منظور از راه‌حلّ سریع آن است که زمان اجرای آن با اندازۀ ورودی مسأله به صورت چندجمله‌ای رابطه داشته باشد.
روش‌های مختلفی برای حلّ سریع ولی نزدیک به بهینه برای یک مسألۀ NP-Hard وجود دارد :
راه حلّ تقریبی قابل اثبات(الگوریتم‌های تقریبی): که در آن یک الگوریتم سریع برای حلّ مسأله ارایه می‌شود ولی اثبات می‌شود که اندازۀ خروجی ضریبی از اندازۀ خروجی بهینۀ مسأله ‌است.
الگوریتم‌های مکاشفه‌ای: با این که الگوریتم‌هایی سریع هستند و به صورت تقریبی جواب را به دست می‌آورند، اما در مورد ضریب تقریب یا میزان خوبی الگوریتم اثباتی وجود ندارد. بسیاری از این الگوریتم‌ها به صورت تجربی آزمایش می‌شوند. برخی از این الگوریتم‌ها از «روش حریصانه» برای حل استفاده می‌کنند.
راه‌های معمول مقابله با چنین مسائلی عبارتند از:
طراحی الگوریتم‌هایی برای پیدا کردن جواب‌های دقیق که استفاده از آنها فقط برای مسائل با اندازه کوچک صورت می‌گیرد.
استفاده از «الگوریتم‌های مکاشفه‌ای»[۳۴] که جواب‌هایی به‌دست می‌دهد که احتمالاً درست هستند.
پیدا کردن زیرمسأله‌هایی از مسأله، یعنی تقسیم مسأله به مسأله‌های کوچکتر.
دو مسألۀ زیر جزءِ مسائل NP-Hard می‌باشند:
مساله فروشنده دوره‌گرد
مساله بزرگترین خوشه (پیدا کردن بزرگترین زیرگراف کامل)[۳۵]
اما مسائل مهم زیادی نیز وجود دارند که یافتن راه‌حل در آنها بسیار دشوار است. اما اگر راه‌حل را داشته باشیم، بررسی آن آسان می‌شود. این واقعیت منجر به مسائل NP-Complete problems شد.NP معرفNondeterministic (چند جمله‌ای‌های غیرجبری) و به این معناست که امکان این وجود که راه‌حل را حدس زد و سپس آن را بررسی کرد.
برای سهولت کار، بررسی مسائل NP-Complete ، محدود به مسائلی است که پاسخ می‌تواند بله یا خیر باشد. به دلیل وجود کارهایی با نتایج پیچیده، دسته دیگری از مسائل با نام NP-Hard معرفی شده‌اند. این دسته مانند مسائل NP-Complete محدود نیستند.
یکی از ویژگی‌های مسائل NP آن است که یک الگوریتم ساده را (که ممکن است در نگاه اول بدیهی به نظر برسد) می‌توان برای یافتن راه‌حل‌های مفید به کار برد. اما بطور کلی، این روش، روش‌های ممکن زیادی را فراهم می‌کند و بررسی کردن تمام راه‌حل‌ها، فرآیند بسیار کندی خواهد بود.
امروزه، هیچکس نمی‌داند که آیا الگوریتم سریعتری برای یافتن جواب دقیق در مسائل NP وجود دارد یا خیر. و یافتن چنین الگوریتمی وظیفه مهمی است که به عهده محققان می‌باشد. امروزه اکثر مردم تصور می‌کنند که چنین الگوریتمی وجود ندارد و بنابراین به دنبال روش دیگری (جایگزین) هستند. و نمونه‌ای از روش جایگزین، الگوریتم ژنتیکی است.
۲-۴-۳- هیوریستیک[۳۶]
سیستم‌های پیچیده اجتماعی، تعداد زیادی از مسائلِ دارایِ طبیعتِ ترکیباتی را پیش روی ما قرار می‌دهند. مسیر کامیون‌های حمل‌ونقل باید تعیین شود، انبارها یا نقاط فروش محصولات باید جایابی شوند، شبکه‌های ارتباطی باید طراحی شوند، کانتینرها باید بارگیری شوند، رابط‌های رادیویی می‌بایست دارای فرکانس مناسب باشند، مواد اولیه چوب، فلز، شیشه و چرم باید به اندازه‌های لازم بریده شوند؛ از این دست مسائل بی‌شمارند. تئوری پیچیدگی به ما می‌گوید که مسائلِ ترکیباتی اغلب چندجمله‌ای[۳۷] نیستند. این مسائل در اندازه‌های کاربردی و عملی خود به قدری بزرگ هستند که نمی‌توان جواب بهینۀ آنها را در مدّت زمان قابل پذیرش به دست آورد. با این وجود، این مسائل باید حل شوند و بنابراین چاره‌ای نیست که به جواب‌های زیر بهینه بسنده نمود؛ به گونه‌ای که دارای کیفیّت قابل پذیرش بوده و در مدّت زمان قابل پذیرش به دست آیند. چندین رویکرد برای طراحی جواب‌های با کیفیّت قابل پذیرش تحت محدودیّت زمانی قابل پذیرش پیشنهاد شده است. الگوریتم‌هایی وجود دارند که می‌توانند یافتن جواب‌های خوب در فاصله مشخصی از جواب بهینه را تضمین کنند که به آنها الگوریتم‌های تقریبی می‌گویند. الگوریتم‌های دیگری هستند که تضمین می‌دهند با احتمال بالا جواب نزدیک بهینه تولید کنند که به آنها الگوریتم‌های احتمالی گفته می‌شود. جدای از این دو دسته، می‌توان الگوریتم‌هایی را پذیرفت که هیچ تضمینی در ارایه جواب ندارند اما بر اساس شواهد و سوابق نتایج آنها، به طور متوسط بهترین تقابل کیفیت و زمان حل برای مسأله مورد بررسی را به همراه داشته‌اند؛ به این الگوریتم‌ها، الگوریتم‌های هیوریستیک گفته می‌شود.
هیوریستیک‌ها عبارتند از معیارها، روشها یا اصولی برای تصمیم‌گیری بین چندین خط‌مشی و انتخاب اثربخش‌ترین برای دستیابی به اهداف موردنظر. هیوریستیک‌ها نتیجۀ برقراری اعتدال بین دو نیاز هستند: نیاز به ساخت معیار‌های ساده و در همان زمان توانایی تمایز درست بین انتخاب‌های خوب و بد.
یک هیوریستیک می‌تواند حسابی سرانگشتی باشد که برای هدایت یک دسته از اقدامات به کار می‌رود. برای مثال، یک روش مشهور برای انتخاب طالبی رسیده عبارتست از فشار دادن محل اتصال به ریشه از یک طالبی نامزدِ انتخاب و سپس بو کردن آن محل؛ اگر بوی آن محل مانند بوی داخل طالبی باشد آن طالبی به احتمال زیاد رسیده است. این قاعده سرانگشتی نه تضمین می‌کند که تنها طالبی‌های رسیده به عنوان نامزد انتخاب شوند و نه تضمین می‌کند که طالبی‌های رسیده آزمایش‌شده، رسیده تشخیص داده شوند اما به هر حال این روش، اثربخش‌ترین روش شناخته شده است.