認知システム論 制約充足(1)
制約をみたす組合せを探すエージェント
制約充足問題
(Constraint Satisfaction Problems)
制約充足問題
制約充足問題の例
制約充足問題(CSP)とは
x1 x2 … xn
CSP
変数(variable)の集合
D1 D2 … Dn
各変数の領域(domain)
変数間の制約(constraint)の集合
Cij ={(a,b),(c,d),…}
変数 xi-xj 間で許される値の組の集合.
与えられた組(u,v)が許されるか否かを判
定する関数 allowed(i,j,u,v)でも良い.
解
すべての制約を満たすような
変数への値の割当て
x1=a1 x2=a2 … xn=an
探索問題と制約充足問題
探索問題
制約充足問題
状態
オペレータ
ブラックボックス
(任意の表現)
標準的な内部構造
(変数への値の割当て)
ゴール判定
ブラックボックス
制約を満たす変数への
(任意の判定手続き) 値の割当て
ヒューリスティ
クス
問題独自に発見する 標準的なものを設計可
能
特徴
問題の表現に柔軟性 標準的な効率良い解法
がある
を設計できる
制約グラフ(constraint graph)
問題
変数 x, y, z
領域 Dx=Dy=Dz={0,1}
制約 Cxy=Cyz={(0,1),(1,0)}
1つ見つければ
良し
解
(x,y,z)=(0,1,0)
(x,y,z)=(1,0,1)
x≠y, y≠z
制約グラフ
y {0,1}
≠
x
{0,1}
≠
z
{0,1}
2項制約と多項制約
許される値の組
x
2項制約
y
Cxy  {(1,2), (1,3), (3,2)}
z
x
3項制約
y
Cxyz  {(1,2,1), (1,3,1), (3,2,2)}
多項制約は2項制約に変換できる.
この授業では,2項制約のみを考える.
多項制約を2項制約に変換する
z
x
3項制約
Cxyz  {(1,2,1), (1,3,1), (3,2,2)}
a
y
b
c
新しい変数の領域
2項制約に変換できる
z
2項制約
x
p
y
C px  {(a,1),(b,1),(c,3)}
C py  {(a,2),(b,3),(c,2)}
新しい
変数
C pz  {(a,1),(b,1),(c,2)}
制約充足問題はNP完全問題
NP完全 (NP-complete)
解が与えられれば,それが確かに解であるかどうか
は多項式オーダーの実用的な時間で判定できる.
しかし,解を自力で見つけるのは,最悪のケースで
指数オーダーの時間となり,非常に難しい.
ヒューリスティックで
典型的には実用的な時間で解きたい
制約充足問題の例
n クイーン問題 (n queens problem)
クロスワードパズル(crossword puzzles)
グラフ彩色問題 (graph coloring)
線画解釈 (interpretation of line drawings)
レイアウト (layout)
スケジューリング (scheduling)
nn queens
クイーン問題(1)
problem
互いにアタックしないように n 個のQを置く
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
n=8 の例
n クイーン問題(2)定式化と解
領域 {1,2,3,4}
変数
x1 x2 x3 x4
1
2
3
4
n=4 の例
制約
C 12  {(1,3),(1, 4),(2, 4),(3,1),(4,1),(4, 2)}
Q
C 13
Q
Q
Q
C 14 
C 23
C 24 
解
C 34 
x1=2, x2=4, x3=1, x4=3
制約
xi  x j
| xi  x j || i  j |
クロスワードパズル
変数
単語リスト
crossword puzzles
1
2
4
6
x1
3
x2
5
7
8
制約
AFT
ALE
EEL
HEEL
HIKE
HOSES
KEEL
KNOT
LASER
LEE
LINE
SAILS
SHEET
STEER
TIE
領域
D1=D2=D3=D8
={HOSES,
LASER,
SAILS,
SHEET,
STEER}
x1,x2間の制約: x1の3文字目=x2の1文字目
グラフ彩色問題(1)
graph coloring
辺で結ばれたノードが異なる色になるように
4色で塗り分けよ
グラフ彩色問題(2)地図の塗り分け
グラフ彩色問題(3)定式化と解
各ノードが変数
変数の取りうる色が
領域
隣り合う変数の色が異
なるというのが
制約
すべての制約を満たす色の配置が解
グラフ彩色問題(4)周波数の割当て
携帯電話基地局
距離が近いどうしを
辺で結び,
異なる周波数(色)
を割り当てる
線画解釈(1)
interpretation of line drawings
線画
(2D)
解釈
立体
(3D)
線画解釈(2)
線分のラベル付けによる空間表現
両側に物体の表面が見える.
前方に凸.
両側に物体の表面が見える.
前方に凹.
矢線の右側だけに物体の表
面が見える.
線画解釈(3)
ジャンクションに許される全パターン
V
W
+
+
+
-
+
-
-
-
Y
-
-
T
+
-
-
-
-
+
+
+
+
+
線画解釈(4)
制約充足による解釈の生成
+
++
変数: ジャンクション
領域: ジャンクション 制約充足
のパターン
制約: 辺に同じラベル
が付くこと
+
+
解: 解釈
レイアウト
layout
4つの長方形を右の長方形の中に重ならないように詰めよ.
スケジューリング
scheduling
Jobs
1
時間制約(順序,長さ)と資源制約(排反実行)のもとで,
ジョブを構成する各タスクの開始時刻を決める
1A
2
3
1B
2A
3B
2C
3C
1C
2B
Task (Job 1, Machine C)
3B
3A
終了時刻を
短くせよ
Machines
A
B
C
1A
2A
3B
3A
1B
3C
3B
2C
2B
1C
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制約充足問題