Mee base gradipt13pr

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Mee base gradipt13pr

  1. 1. IA: MEE - F.GiornoMétodo do Espaço de Estados(MEE)Sistemas Baseados em Conhecimento / IAFernando Giorno
  2. 2. IA: MEE - F.GiornoIntrodução ao CursoInteligência Artificial (cap 4) Introdução, Visualizações Alternativas, Fundamentos e Sub-áreas Método do Espaço de Estados (MEE) e Classificação HeurísticaRepresentação de Conhecimento (cap 5) Fatos, Objetos e Regras de ProduçãoSistemas Especialistas (cap 6) Fundamentos Utilização Introdução nas Empresas Desenvolvimento ComplementosExercícios, Atividades e LabsInteligência Artificial (IA)com ênfase em SBCsFernando Giorno
  3. 3. IA: MEE - F.Giorno Xadrez Jarro de Água Lavrador, Lobo, Cabra e Maço de Couve Missionários e Canibais Jogo dos 15 (quebra cabeça do patrão) Torre de Hanói . . .O que estes problemas têm em comum?Alguns Problemas Brinquedo
  4. 4. IA: MEE - F.GiornoTem-se 2 jarros de água, um com capacidade para 4galões e outro com capacidade para 3 galões, e umesguicho que pode ser usado para preencher os jarros.Não há marcação de medida em nenhum dos jarros.Usando somente esses elementos, obter exatamente 2galões de água no jarro de 4 galões.Jarro de Água (JA)4 galões 3 galões
  5. 5. IA: MEE - F.GiornoLavrador, Lobo, Cabra e Maço de CouveUm lavrador, tendo chegado a margem norte de um rio,necessita atingir a margem sul transportando um lobo,uma cabra e um maço de couve.Para efetuar a travessia o lavrador dispõe de um pequenobarco que só permite o transporte próprio e de um deseus pertences. Se, em qualquer margem, a cabra fordeixada sózinha com o lobo, este devora a cabra e, se omaço de couve for deixado sózinho com a cabra, estadevora a couve.Planejar a travessia de modo que o lavrador mantenhatodos os seus pertences.
  6. 6. IA: MEE - F.GiornoTrês missionários, acompanhados de três canibais,necessitam atravessar um rio usando um barcodisponível na margem.O barco pode conduzir no máximo 2 pessoas de cadavez. Em qualquer margem do rio o número de canibaisnão pode ser superior ao número de missionários pois,se isto ocorrer, os missionários serão devorados peloscanibais.Planejar a travessia de modo que os missionários nãosejam devorados pelos canibais.Missionários e Canibais (MC)
  7. 7. IA: MEE - F.Giorno1 346151321191285107141 26101413548123711159Jogo dos 15 (quebra cabeça do patrão)
  8. 8. IA: MEE - F.GiornoClássico problema em computação envolvendomover um conjunto de discos, de diferentestamanhos, colocados em um de três pinos deuma placa, em ordem decrescente a partir daplaca, para um dos outros dois pinos, sobrestrições nas ações que podem ser efetuadas.Torre de Hanói (TH)
  9. 9. IA: MEE - F.GiornoTorre de Hanói (TH)No Templo de Benares, na Índia, sob a cúpula que marca o centro domundo, há uma placa de latão na qual estão fixadas verticalmente 3 pinosde diamante. Em um destes pinos, Brama, ao criar o mundo, colocou 64discos de ouro, de diferentes tamanhos, em ordem decrescente a partir daplaca.Dia e noite, sem cessar, em revezamento, os sacerdotes do templo mudamos discos de um pino para outro, de acordo com leis imutáveis que exigem: apenas um disco pode ser movido por vez nenhum disco pode ser colocado sobre um disco de raio menor a cada instante, todos discos devem estar em um dos 3 pinosQuando os 64 discos tiverem sido transferidos do pino inicial para outropino, o mundo desaparecerá com um estrondo ensurdecedor.Obs:O 3opino deve ser usadocomo local temporáriopara os discosTH com3 discos
  10. 10. IA: MEE - F.GiornoO número mínimo de movimentações (transferências) de discos quedeverão ser realizadas para se atingir o objetivo do jogo é 2n- 1 onden é o número de discos.Considerando então o jogo TH com 64 discos e atendimento das regras do jogo uma transferência / segundo nenhum erroa tarefa passada por Brama será completada em 264- 1 = 58.454.204.609 séculos+6 anosTorre de Hanói (TH)
  11. 11. IA: MEE - F.GiornoElementos Comuns Estados representando a situação corrente– estados iniciais– estados intermediários– estados objetivosdefinindo um espaço de estados (cjto de todos estados possíveis) Transformações do estado corrente para um novo estado(efetuada por operadores) Restrições que devem ser obedecidas Pesquisa em um espaço de estados em busca de um estadoobjetivo
  12. 12. IA: MEE - F.GiornoEstado (qtde água no jarro 4g, qtde água no jarro 3g)Estado Inicial (nil, nil)Estado Objetivo (2, *)Operadores {op1: (X, Y) | X < 4 => (4, Y),op2: (X, Y) | Y < 3 => (X, 3),op3: (X, Y) | X > 0 => (X - D, Y),. . .}Solução caminho através do Espaço de Estadosconectando Estado Inicial à Estado Objetivo.Jarro de Água (JA)op: (X, Y) => (X, Y)
  13. 13. IA: MEE - F.GiornoEstado (Nmissionários, Ncanibais, posição do barco)Estado Inicial (3, 3, esquerda)Estado Objetivo (3, 3, direita)Operadores {op1: move 1M da ME p/ MD,op2: move 1C da ME p/ MD,op3: move 1M e 1C da ME p/ MD,. . . }Restrição capacidade de transporte do barco: som/ 2 pessoasSolução caminho através do Espaço de Estadosconectando Estado Inicial à Estado ObjetivoMissionários e Canibais (MC)
  14. 14. IA: MEE - F.GiornoEstado ( (elementos ME) (elementos MD) )Estado Inicial ( (M, M, M, C, C, C, B) ( ) )Estado Objetivo ( ( ) (M, M, M, C, C, C, B) )Operadores {op1: move 1M da ME p/ MD,op2: move 1C da ME p/ MD,op3: move 1M e 1C da ME p/ MD,. . . }Restrição capacidade de transporte do barco: som/ 2 pessoasSolução caminho através do Espaço de Estadosconectando Estado Inicial à Estado ObjetivoMissionários e Canibais - outra representação para estado
  15. 15. IA: MEE - F.GiornoEstado ((discos pino A) (discos pino B) (discos pino C))Estado Inicial ((1, 2, . . . , 64) ( ) ( ))Estado Objetivo (( ) ( ) (1, 2, . . . , 64))Operadores {move1AB,move2AC,. . . }Restrição disco não pode ser colocado sobre disco menorSolução Caminho através do Espaço de Estadosconectando Estado Inicial à Estado ObjetivoTorre de Hanói (TH)
  16. 16. IA: MEE - F.GiornoA B C A B C231231Torre de Hanói (TH) - Estados Inicial e ObjetivoEstado Inicial( (1 2 3) ( ) ( ) )Estado Objetivo( ( ) ( ) (1 2 3) )
  17. 17. IA: MEE - F.GiornoA B C A B CEstado Inicial( (1 2 3) ( ) ( ) )move1AB23123 1Torre de Hanói (TH)Operador move1AB aplicado ao Estado InicialEstado Intermediário( (2 3) (1) ( ) )
  18. 18. IA: MEE - F.GiornoAlguns Problemas Brinquedo Xadrez Jarro de Água Lavrador, Lobo, Cabra e Maço de Couve Missionários e Canibais Jogo dos 15 (quebra cabeça do patrão) Torre de Hanói . . .MEE
  19. 19. IA: MEE - F.Giorno Representação do problema por Espaço de Estados Análise do problema visando identificar necessidades especiais Escolha e aplicação de técnicas de soluçãoMétodo do Espaço de Estados (MEE)
  20. 20. IA: MEE - F.Giorno Representação do problema por Espaço de Estados– estados iniciais– estados objetivos– operadores– restrições Análise do problema visando identificar necessidades especiais Escolha e aplicação de técnicas de soluçãoMétodo do Espaço de Estados (MEE)
  21. 21. IA: MEE - F.GiornoUma Solução no Espaço de EstadosConjunto de todos estados possíveis Exemplo / Visualização: TH com 2 discos• no de estados possíveis: 32 = 9
  22. 22. IA: MEE - F.GiornoEspaço de Estados• no de estados possíveis: 32 = 9• no min de movimentações de discos: 22- 1 = 3 Conjunto de todos estados possíveis Exemplo / Visualização: TH com 2 discos - uma soluçãoEstado1Estado2 Estado3Estado4: Solução
  23. 23. IA: MEE - F.Giorno Representação do problema por Espaço de Estados– estados iniciais– estados objetivos– operadores– restrições Análise do problema visando identificar necessidades especiais– decomposição?– retrocesso?– incerteza?– otimização?– conhecimento?– interação? . . . Escolha e aplicação de técnicas de soluçãoMétodo do Espaço de Estados (MEE)
  24. 24. IA: MEE - F.GiornoCaracterística AnáliseDecomposição Particionamento do EE em sub-espaçoscorrespondentes a sub-problemasindependentes ("dividir para conquistar")?Recuperação de Recuperação de passos de iteração durante oPassos de Solução processo de solução (uso de algoritmo de retrocesso)?Incerteza Tratamento de incertezas associadas ao domínio(abordagem de incertezas)?Otimização Solução ótima ou uma solução viável é suficiente(uso de técnicas de otimização)?Conhecimento Papel desempenhado pelo conhecimento na soluçãodo problema? Corretude, completude e copnsistênciada Base de Conhecimento (BC)?Interação Interação sistema - usuário em busca cooperativa desolução?Análise do Problema - Características Especiais
  25. 25. IA: MEE - F.GiornoProblema do Caixeiro-ViajanteTendo a sua cidade como base, um vendedordeve visitar uma única vez cada cidade deseu território de vendas antes de retornar àbase. A distância entre todas as cidades sãoconhecidas.Encontrar um itinerário que minimize adistância total a ser percorrida.
  26. 26. IA: MEE - F.GiornoCV com 1 cidade: 1CV com 2 cidades: 1-2-1CV com 3 cidades: 1-2-3-11-3-2-1CV com 4 cidades: 1-2-3-4-11-2-4-3-11-3-2-4-11-3-4-2-11-4-2-3-11-4-3-2-1CV com 10 cidades: 362880 candidatosCV com 30 cidades: 8.8E30 candidatos 1h CPU (mainframe)CV com 31 cidades: 30h CPU (mainframe)CV com 32 cidades: 330h CPU (mainframe)CV com n cidades: (n-1)! candidatosProblema do Caixeiro-Viajante - Candidatos à Solução
  27. 27. IA: MEE - F.GiornoA representação do problema por meio de estados eoperadores conduz a uma árvore ou grafo no qual: os estados são os nós da árvore ou grafo os operadores são os arcos a solução é algum caminho conectando o nó inicial ao nóobjetivoa solução do problema dadopassa a ser asolução de um problema de busca em árvore ou grafo
  28. 28. IA: MEE - F.Giorno Representação do problema por Espaço de Estados– estados iniciais– estados objetivos– operadores– restrições Análise do problema visando identificar necessidades especiais– decomposição?– retrocesso?– incerteza?– otimização?– conhecimento?– interação? . . . Escolha e aplicação de técnicas de solução– Gere e Teste (GT)– Busca em Profundidade (BP)– Busca em Amplitude (BA)– Branch and Bound (BB)– A* . . .Método do Espaço de Estados (MEE)
  29. 29. IA: MEE - F.GiornoProblema do Níquel e do DimeResolver o problema do Níquel e do Dime aplicando o MEE.Dados:Tabuleiro com 5 posições horizontais.Configuração inicial: Níquel Níquel nil Dime DimeConfiguração final: Dime Dime nil Níquel NíquelMovimentos possíveis:Níquel só pode ser movido para a direita.Dime só pode ser movido para a esquerda.Níquel e Dime podem saltar 1 moeda adjacente sehouver espaço vazio em seguida à moeda.
  30. 30. IA: MEE - F.GiornoMEE - Extensão para EE AmploA extensão do MEE para a solução de problemas associadoscom EE de grande porte - problemas altamentecombinatórios - envolve: usar, de modo cooperativo, outras técnicas de solução deproblemas:– decomposição (“dividir para conquistar”)– . . . encontrar atalhos no EE para, a partir de um estado inicial,atingir um estado objetivoHeurísticas
  31. 31. IA: MEE - F.GiornoHeurísticaTécnica, sem base matemática firme, que permitemelhorar a eficiência de um processo de busca métodos algoritmicos garantem produzir, em tempo finito, asolução correta ou ótima de um problema métodos heurísticos aumentam a possibilidade de se encontraruma solução aceitável de um problemaVantagens evitar explosão combinatorial aumentar a chance de encontrar uma soluçãoUso nos operadores nas técnicas de solução
  32. 32. IA: MEE - F.GiornoFunção de Avaliação Determina a que ponto se está próximo da intenção perseguida. Emum jogo, representa “a vontade de ganhar”. No caso da máquina, é possível construir um software que utilizeuma função de avaliação determinada por uma intencionalidadebem definida. No caso do cérebro, a intencionalidade muda conforme osproblemas se apresentam.– Devido a isso, o próprio cérebro cria a função de avaliaçãoadequada a uma dada intencionalidade.– De modo mais preciso, o cérebro deve poder apreciar se essafunção de avaliação se adapta a intencionalidade dada.– Por conseguinte, o cérebro deve ter possuir uma função deavaliação de funções de avaliação!?Ref: Changeux,J-P e A.Connes, Matéria e Pensamento, Ed. da Unesp
  33. 33. IA: MEE - F.GiornoJogo das 8 DamasNo xadrez, a Dama (Rainha) éconhecida pela mobilidade: elapode ser deslocada horizontal,vertical e diagonalmente.Como dispor 8 Damas notabuleiro de forma que elasnão ameacem umas às outras?
  34. 34. IA: MEE - F.GiornoJogo das 8 DamasQQQA B CPróxima jogada: A, B ou C?
  35. 35. IA: MEE - F.GiornoJogo das 8 DamasQQQA B C1 23 45 6 7 8f(A) = 8f(B) = 9f(C) = 10 jogar em CSeja f(X) = número total de células não-atacadas
  36. 36. IA: MEE - F.GiornoJogo do Patrão (solução com menor número de passos)2 31 8 47 6 51 2 38 47 6 52 8 31 47 6 52 31 8 47 6 52 31 8 47 6 5A B CEstado Inicial Estado Objetivoou ou
  37. 37. IA: MEE - F.Giorno2 31 8 47 6 51 2 38 47 6 52 8 31 47 6 52 31 8 47 6 52 31 8 47 6 5A B CEstado Inicial Estado Objetivoou ou Sejah(X):no quadradinhosfora de lugarh(A) = 2h(B) = 3h(C) = 4Jogo do Patrão (solução com menor número de passos)
  38. 38. IA: MEE - F.GiornoProblema Bem Definido (PBD) estados iniciais e objetivos são conhecidos operadores são conhecidos restrições são conhecidasProblemas Mal Definidos (PMD) - problemas reais alguns destes elementos não são conhecidos associados a EE de grande porte (em geral)MEE - Extensão para Problemas Reais
  39. 39. IA: MEE - F.GiornoMEE - Extensão para Problemas ReaisProblema Bem Definido MEEProblema Bem Definido com EE de Grande Porte MEE + heurísticas + outras técnicasProblema Mal Definido (problema real) MEE + heurísticas + outras técnicas+conhecimento (relativo ao domínio de problemas)
  40. 40. IA: MEE - F.GiornoMEE - ImplementaçãoSistema de Produção
  41. 41. IA: MEE - F.GiornoSistema de Produção - componentesBC MTMIMotorouMecanismo de InferênciaBase de Regras(Base de Conhecimento)Memória de Trabalho
  42. 42. IA: MEE - F.GiornoBase de Regras (BC - Base de Conhecimento)contém regras de produção ou de inferência com sintaxe:SE < premissa > ENTÃO < ações ou conclusões >Memória de Trabalho (MT)área de trabalho contendo os dados que definem o estado correntedo problemaMotor ou Mecanismo de Inferência (MI)interpreta as regras por meio de ciclos - em cada ciclo tem-se:- reconhecimento: escolha das regras aplicáveis- resolução de conflitos: seleciona uma regra entre as regrassimultaneamente aplicáveis- ação: executa (dispara) a regra selecionada, alterando o estadocorrente do sistemaSistema de Produção - componentes
  43. 43. IA: MEE - F.GiornoExercícioConforme visto, o MEE para a solução dedeterminadas categorias de problemas: pode ser estendido para resolver problemas reais pormeio de:– apoio de outras técnicas de solução de problemas– incorporação de heurísticas– representação e processamento de conhecimento relativo ao domínio pode ser implementado por meio de Sistemas deProduçãoMostre (por meio de texto, figura, esquema ...) como oselementos básicos do MEE estendido são acomodadosem um Sistema de Produção.
  44. 44. IA: MEE - F.GiornoRepresente o problemaem termos deestados e operadores.Gere umEspaço de Buscae o examine.Identifiqueconhecimentoque possa seraplicado p/ reduziro Espaço de Busca.Desenvolva umaestrutura deconhecimentocomo uma misturade inferência erepresentação.Implemente comoum sistema, usandolings / ferramentasapropriadas.Teste e revise.O problema é passívelde solução algorítmica?ProblemaSistemas ConvencionaisSistemas OO puros. . .SBCsSBCOOsDesenvolvendo SistemassimnãoCaminhoda EC
  45. 45. IA: MEE - F.GiornoMétododeClassificação Heurística[Clancey, Stanford]
  46. 46. IA: MEE - F.GiornoClassificação Heurística [Clancey, 1983]DadosAbstratosSoluçõesGenéricasDados Soluçõesabstraçãoassociaçãoheurísticarefinamento
  47. 47. IA: MEE - F.GiornoAtividade Inicial - Curso de PósMapa Conceitualcom foco emIA
  48. 48. IA: MEE - F.GiornoMapa Conceitual (MC) com foco em IAAtividades: Rever o MC coletivo efetuado em classe; Efetuar o levantamento da lista (não-ordenada) de relações; Rever a lista de relações e, conseqüentemente, o MC; Elaborar um texto a partir da ordenação adequada dos elementosda lista de relações (obtendo então um resumo do assunto IA); Rever o resumo obtido e, conseqüentemente, o MC; Criar um ícone para o MC elaborado (se julgar necessário aralembrança futura).

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