2.Constraint Satisfaction Problems(CSPs)

约束补偿问题(CSPs)是种数学的问题,其定义为一组物件(object),而这些物件需要满足一些限制或条件。 CSPs将其问题中的单元(entities)表示成在变数上有限条件的一组同质(homogeneous)的集合, 这类问题透过"约束补偿方法"来解决。

  1. Situation can be described by a set of variables
  2. Constraint is a condition the variables must meet
  3. Problem: find assignments of values satisfying all constraints
  4. The constraint satisfaction problem (CSP) consists in finding a solution for a constraint network

Example: Eight queens puzzle

Binary constraint network

A constraint network is a triple⟨V,D,C⟩.
V: a finite set of variables
D: a set of finite or infinite sets considered to be the domains of every variable.
C:a set of binary relations
E.g. V = {a,b}. Suppose Da = {1,...,10} and Db = {8,...,20}. If we require a > b then Ca,b is the set {(9, 8), (10, 8), (10, 9)}.

1.Extension to non-binary constraints is simple.
2.SAT is the special case where all domains have just 2 values

Consistency of a partial assignment

if a is a partial assignment, then there are variables u, v in V and a constraint Cu,v in C such that a(u) and a(v) are defined, and (a(v), a(u)) ∈/ Cu,v
In that case, a violates the constraint Cu,v
So, the a is inconsistent.

1.A partial assignment a can be extended to a solution(A consistent total assignment is a solution) if there is a solution which agrees with a wherever a is defined.
2.Not every consistent partial assignment can be extended to a solution.

Pure Backtracking(try to find a solution)

Definition:Recursively instantiate variables one by one, backing up out of a search branch if the partial assignment is inconsistent.

Search: Systematic enumeration of partial assignments
— If a complete assignment is found, that’s a solution
— If the search space is exhausted, there are no [more] solutions

Backtracking: Pruning of inconsistent partial assignments (and all their extensions).

Inference: Reasoning about a partial assignment, to tighten constraints and reduce domains for its extensions.

There is a tradeoff: reduction in number of search nodes vs runtime needed for inference

Time complexity: O(n^k) n is the number of value choice and k is the number of variables.
Space complexity: O(k)

Advantages:

1.Very simple to implement
2.Very fast (per node of the search tree)
3.Complete (always gives a decision)

Disadvantages:

1.Does no reasoning except detecting actual inconsistency
2.Cannot look further ahead than the current state

Improvement

To avoid enumerating many inconsistent (partial) assignments by detecting them early

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