Двунаправленный поиск

Двунаправленный поиск пути^[1]^[2] в ширину (или глубину) — усложнённый алгоритм поиска в ширину (или глубину), идея которого заключается в формировании процесса поиска от начальной (прямой поиск) и от конечной вершины (обратный поиск) графа.

ИдеяПравить

Нахождение искомого пути сводится к определению путей от начальной к какой-то промежуточной, а от неё к конечной вершине. Реализуется проверкой в одном или обоих процессах, когда лист одного дерева поиска совпадёт с листом другого, после чего выделяются пути до этого элемента. Соединив пути получаем искомый путь. Если два поиска осуществляются параллельно — это ещё больше экономит время на получение искомого пути по сравнению с однонаправленным поиском.

Преимущества и недостаткиПравить

Повышенное быстродействие;
Нужна память для хранения дерева поиска для того, чтобы можно было выполнить проверку принадлежности листа другому дереву.

Оценка сложности исполненияПравить

Сложность всего алгоритма оценивается как сумма сложности прямого и обратных поисков, проверки принадлежности, равной одной операции, постоянному времени (O(n)), обращению к хеш-таблице.

Подсчёт количества операцийПравить

Слишком зависит от конкретной ситуации, если поиск осуществляется не по n-арному дереву.

Асимптотическая сложность возрастания количества операцийПравить

Если известны единственные конкретные начальный и целевой элементы, то временная асимптотическая сложность прямого и обратного поисков равна $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $O(b^{d/2})$ , следовательно общая — $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $O(b^{d/2})$ + $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $O(b^{d/2})$ , что гораздо меньше чем $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $O(b^{d})$ . Пространственная асимптотическая сложность $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $O(b^{d/2})$ , вместо — $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $O(1)$ у прямого, так как нужно хранить в памяти.
Если известны конкретный начальный элемент и набор элементов, из которого один — целевой.

Статистическая оценкаПравить

Двунаправленный поиск, при заданных единственных начальном и конечном элементах, может улучшить однонаправленный поиск в ширину, обычно, в 2 раза. Наиболее сложным случаем для двунаправленного поиска является такая задача, в которой для проверки цели дано только неявное описание некоторого (возможно очень большого) множества целевых состояний, например всех состояний, соответствующих проверки цели «Мат» в шахматах. При обратном поиске потребовалось бы создать компактные описания всех состояний, которые позволяют поставить мат с помощью ходов $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $q1,q2,q3...$ и т. д. ; и эти описания нужно было бы сверять с состояниями, формируемыми при прямом поиске. Общего способа эффективного решения такой проблемы не существует.

Алгоритм двунаправленного поискаПравить

Алгоритм состоит:

прямого поиска, аналогичного одиночному поиску;
обратного поиска;
операции определения принадлежности листа другому дереву поиска.

Сложность реализацииПравить

Сложность реализации заключается в алгоритме обратного поиска.

Примеры реализацииПравить

Практическое применениеПравить

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

↑ Другое: двунаправленный поиск элемента — осуществляется в двунаправленных или кольцевых списках от искомого элемента в обе стороны.
↑ [1] (недоступная ссылка) Этот алгоритм является полным и оптимальным (при единообразных стоимостях этапов), если оба процесса поиска осуществляются в ширину; другие сочетания методов могут характеризоваться отсутствием полноты, оптимальности или того и другого.

СсылкиПравить

Алгоритмы поиска пути на pmg.org.ru
Модели и методы решения задач на Марий Эл.ру
Реализация на C++ (aisearch.tgz) на www.cs.cmu.edu

ЛитератураПравить

Стюарт Рассел & Питер Норвиг. Часть 2. Решение проблем // Искусственный интеллект (Современный подход) = Artificial Intelligence (A Modern Approach). — 2-е изд. — ФГУП. "Печатный двор" им. А.М.Горького: Вильямс, 2006. — С. 135-136. — ISBN 5-8459-0887-6.

[1] Другое: двунаправленный поиск элемента — осуществляется в двунаправленных или кольцевых списках от искомого элемента в обе стороны.

[2] [1] (недоступная ссылка) Этот алгоритм является полным и оптимальным (при единообразных стоимостях этапов), если оба процесса поиска осуществляются в ширину; другие сочетания методов могут характеризоваться отсутствием полноты, оптимальности или того и другого.

[1]

[2]