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# Minimax 搜索算法
## 介绍
Minimax 是一种用于两人对弈游戏的决策算法如国际象棋、井字棋和跳棋。它帮助确定玩家的最佳行动假设对手也在最优地进行游戏。Minimax 算法的目标是在最小化可能损失的情况下最大化玩家的得分(因此得名 "minimax")。
## 基本概念
### 游戏树
游戏树表示游戏中所有可能的移动。从当前状态开始,每个节点代表一个游戏状态,每条边代表一个移动。
### 最大化和最小化玩家
- **最大化玩家Max**:这个玩家试图获得尽可能高的分数。
- **最小化玩家Min**:这个玩家试图最小化最大化玩家的得分。
## Minimax 如何工作
1. **生成游戏树**:从当前游戏状态开始,生成所有可能的未来状态,直到某个预定深度。
2. **评估叶节点**:使用评估函数为每个叶节点(终止状态或最大深度的状态)分配一个分数。
3. **回溯分数**
- 对于 Max 节点,选择子节点中得分最高的。
- 对于 Min 节点,选择子节点中得分最低的。
4. **选择最佳移动**:在根节点(当前游戏状态),选择导致 Max 玩家得分最高的移动。
## 示例
让我们以井字棋为例。假设现在是 Max 的回合,当前棋盘如下:
```
X | O | X
-----------
O | X |
-----------
| | O
```
### 步骤 1生成游戏树
生成 Max 的所有可能移动。由于是 Max 的回合,在每个空位上放置一个 "X"
```
X | O | X X | O | X X | O | X
----------- ----------- -----------
O | X | X O | X | O | X |
----------- ----------- -----------
| | O X | | O X | | O
```
### 步骤 2评估叶节点
为叶节点分配分数。假设:
- Max 获胜得 +10 分
- Min 获胜得 -10 分
- 平局得 0 分
```
X | O | X X | O | X X | O | X
----------- ----------- -----------
O | X | X O | X | O | X |
----------- ----------- -----------
| | O X | | O X | | O
得分: 0 得分: 10 得分: 10
```
### 步骤 3回溯分数
由于根节点是 Max 的回合,选择子节点中得分最高的:
```
Max
|
V
10
```
### 步骤 4选择最佳移动
Max 将选择导致得分为 10 的移动。
## 伪代码
以下是 Minimax 算法的简单伪代码:
```pseudo
function minimax(node, depth, maximizingPlayer)
if depth == 0 or node is a terminal node
return evaluate(node)
if maximizingPlayer
maxEval = -∞
for each child of node
eval = minimax(child, depth - 1, false)
maxEval = max(maxEval, eval)
return maxEval
else
minEval = +∞
for each child of node
eval = minimax(child, depth - 1, true)
minEval = min(minEval, eval)
return minEval
```
## Alpha-Beta 剪枝
Alpha-Beta 剪枝是 Minimax 算法的一种优化。它通过剪枝那些不会影响最终决策的分支,减少需要评估的节点数量。
### Alpha-Beta 剪枝的基本思想
Alpha-Beta 剪枝的主要思想是:在某些情况下,可以提前停止对某些节点的评估,因为这些节点不会影响最终的决策。
- **Alpha 值**:当前节点在最大化玩家层面上可以得到的最高分数。
- **Beta 值**:当前节点在最小化玩家层面上可以得到的最低分数。
如果在搜索过程中发现一个节点的评估值无法改进当前的 Alpha 或 Beta 值,就可以停止对该节点的进一步搜索。
要评估的节点数量,从而提高了效率。
### Alpha-Beta 剪枝的步骤
1. 初始条件:
- Alpha 的初始值为负无穷(表示当前最大化玩家的已知最优值)。
- Beta 的初始值为正无穷(表示当前最小化玩家的已知最优值)。
2. 剪枝条件:
- 在最大化层Max 层),如果当前节点的评估值大于或等于 Beta 值,则不再评估该节点的后续分支。因为这一分支返回的评估值不会小于当前评估值,即已经比 Beta 更大,因而上一层的最小化玩家不会选择这一分支,而是选择之前的 Beta剪枝
- 在最小化层Min 层),如果当前节点的评估值小于或等于 Alpha 值,则不再评估该节点的后续分支,因为这一分支返回的评估值不会大于当前评估值,即已经比 Alpha 更小,因而上一层最大化玩家不会选择这一分支,而是选择之前的 Alpha剪枝
3. 递归过程:
- 在递归过程中,算法不断更新 Alpha 和 Beta 值。Alpha 表示当前最大化玩家可以保证的最高值Beta 表示当前最小化玩家可以保证的最低值。
- 每次评估一个节点后,根据评估结果更新 Alpha 或 Beta 值,并判断是否需要进行剪枝。
### 带 Alpha-Beta 剪枝的伪代码
```pseudo
function alphabeta(node, depth, α, β, maximizingPlayer)
if depth == 0 or node is a terminal node
return evaluate(node)
if maximizingPlayer
maxEval = -∞
for each child of node
eval = alphabeta(child, depth - 1, α, β, false)
maxEval = max(maxEval, eval)
α = max(α, eval)
if β < α
break
return maxEval
else
minEval = +∞
for each child of node
eval = alphabeta(child, depth - 1, α, β, true)
minEval = min(minEval, eval)
β = min(β, eval)
if β < α
break
return minEval
```
## 结论
Minimax 是一种在两人对弈游戏中做出最佳决策的强大算法。通过考虑所有可能的移动及其结果它确保玩家在假设对手也在最优地进行游戏的情况下做出最佳移动。Alpha-Beta 剪枝进一步提高了 Minimax 的效率,减少了需要评估的节点数量。