A* Algorithm( GO ON)

本文介绍了A*算法在人工智能中的应用,作为启发式搜索算法的一种,A*算法通过结合已知路径成本与预估成本来高效地寻找从起始点到终点的最佳路径。文章对比了状态空间搜索中的广度优先与深度优先算法,并详细解析了启发式搜索中估价函数的作用。

A*算法在人工智能中是一种典型的启发式搜索算法,为了说清楚A*算法,我看还是先说说何谓启发式算法。

何谓启发式搜索算法
  在说它之前先提提状态空间搜索。状态空间搜索,如果按专业点的说法就是将问题求解过程表现为从初始状态到目标状态寻找这个路径的过程。通俗点说,就是在解一个问题时,找到一条解题的过程可以从求解的开始到问题的结果(好象并不通俗哦)。由于求解问题的过程中分枝有很多,主要是求解过程中求解条件的不确定性,不完备性造成的,使得求解的路径很多这就构成了一个图,我们说这个图就是状态空间。问题的求解实际上就是在这个图中找到一条路径可以从开始到结果。这个寻找的过程就是状态空间搜索。
  常用的状态空间搜索有深度优先和广度优先。广度优先是从初始状态一层一层向下找,直到找到目标为止。深度优先是按照一定的顺序前查找完一个分支,再查找另一个分支,以至找到目标为止。这两种算法在数据结构书中都有描述,可以参看这些书得到更详细的解释。
  前面说的广度和深度优先搜索有一个很大的缺陷就是他们都是在一个给定的状态空间中穷举。这在状态空间不大的情况下是很合适的算法,可是当状态空间十分大,且不预测的情况下就不可取了。他的效率实在太低,甚至不可完成。在这里就要用到启发式搜索了。
  启发式搜索就是在状态空间中的搜索对每一个搜索的位置进行评估,得到最好的位置,再从这个位置进行搜索直到目标。这样可以省略大量无畏的搜索路径,提到了效率。在启发式搜索中,对位置的估价是十分重要的。采用了不同的估价可以有不同的效果。我们先看看估价是如何表示的。
  启发中的估价是用估价函数表示的,如:

f(n) = g(n) + h(n)


  其中f(n) 是节点n的估价函数,g(n)实在状态空间中从初始节点到n节点的实际代价,h(n)是从n到目标节点最佳路径的估计代价。在这里主要是h(n)体现了搜索的启发信息,因为g(n)是已知的。如果说详细点,g(n)代表了搜索的广度的优先趋势。但是当h(n) >> g(n)时,可以省略g(n),而提高效率。这些就深了,不懂也不影响啦!我们继续看看何谓A*算法。


### Dynamic A* Algorithm Implementation and Explanation Dynamic A* (D*) is an extension of the A* search algorithm designed specifically for dynamic environments where changes occur frequently, such as obstacles appearing or disappearing. Unlike traditional A*, D* does not require complete re-computation when environmental conditions change; instead, it updates its information incrementally based on new data. #### Characteristics of Dynamic A* One key feature of D* lies in maintaining a priority queue to store nodes requiring evaluation along with their associated costs[^1]. When faced with alterations within the environment, rather than recalculating paths from scratch, this method adjusts only those parts affected by modifications, thereby improving efficiency significantly compared to static algorithms like standard A*. In robotics applications, particularly navigation systems, D* proves invaluable due to real-time adaptability requirements [^3]. #### Pseudocode for Implementing Dynamic A* Below presents simplified pseudocode illustrating how one might implement the core logic behind D*: ```python import heapq def initialize(): g = {} # Cost-to-come map. rhs = {} # Expected cost-to-go map. U = [] # Priority Queue. start_node = get_start() goal_node = get_goal() rhs[start_node] = heuristic(start_node, goal_node) U.push(calculate_key(start_node), start_node) while True: u = U.pop() # Get node with lowest key value if u == goal_node and g[u] == rhs[u]: break s_prime(u) # Process current node def update_vertex(u): if u != goal_node: min_rhs_value = float('inf') successors = generate_successors(u) for neighbor in successors: temp_g = c(u, neighbor) + g[neighbor] if temp_g < min_rhs_value: min_rhs_value = temp_g rhs[u] = min_rhs_value U.remove(u) if g[u] != rhs[u]: U.insert(calculate_key(u), u) def calculate_key(node): return ( min(g[node], rhs[node]) + heuristic(node, goal), min(g[node], rhs[node]) ) ``` This code snippet outlines fundamental operations involved in setting up and running a basic version of D*. Note that actual implementations may vary depending upon specific use cases and optimizations applied.
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