B4B36ZUI Webové stránky předmětu

• Známé systémy umělé inteligence – DeepBlue, Watson, AlphaGo, Eliza, Shakey, DQN.
• Formální reprezentace problému AI – problém mnohorukého banditu, MDP, POMDP, hra v rozšířené formě.
• Metody prohledávání stavového prostoru – DFS, BFS, ID-DFS, Dijkstra, A*.
• Algoritmy posilovaného učení – policy evaluation, policy improvement, policy iteration, value iteration, Q-learning.
• Algoritmy pro řešení her dvou hráčů – minimax, alpha-beta prořezávání, negamax, negascout, MCTS.
• Strukturovaná reprezentace znalostí – CSP, Scheduling, Situation calculus, STRIPS.
• Neurčitost v AI – maximalizace očekávané utility, Bayesovo pravidlo, Bayesovské sítě.
• Řešení POMDP – PBVI, HSVI.

DeepBlue, Watson, AlphaGo, Eliza, Shakey, DQN

• Vývojce: IBM
• Účel: Hraní šachů.
• Popis: První počítač, který v roce 1997 porazil světového šachového mistra Garryho Kasparova. Používal kombinaci brute-force vyhledávání, Alpha-Beta prořezávání a heuristických pravidel trénovaných na hrách šachových velmistrů. Byl implementován na superpočítači s paralelním zpracováním a databází zahájení.
• Význam: Ukázal, že stroj může porazit člověka v komplexní strategické hře a otevřel cestu dalším AI v herních aplikacích.

• Vývojce: IBM
• Účel: Řešení otázek v přirozeném jazyce (NLP).
• Popis: Zvítězil v soutěži *Jeopardy!* v roce 2011 nad nejlepšími lidskými hráči. Využíval zpracování přirozeného jazyka, analýzu velkých dat, strojové učení a vyhledávání informací.
• Význam: Demonstroval schopnost AI pracovat s jazykem a znalostmi, otevřel cestu pro využití AI v oblastech jako medicína, právní poradenství nebo finance.

• Vývojce: DeepMind (Google)
• Účel: Hraní deskové hry Go.
• Popis: V roce 2016 porazil světového mistra Lee Sedola. Kombinoval Monte Carlo Tree Search, neuronové sítě a reinforcement learning. AlphaGo Zero, jeho pozdější verze, se učil hrát zcela sám bez lidských dat.
• Význam: Překonal hranice tehdejší AI v oblasti her a ukázal schopnost učit se bez lidských vzorů.

• Vývojce: Joseph Weizenbaum (1960s)
• Účel: Simulace psychoterapeuta.
• Popis: Jeden z prvních chatbotů, založený na pattern matchingu a klíčových slovech. Uměl reagovat generickými frázemi na vstupy typu „Jsem smutný“ apod.
• Význam: Ukázal, že lidé mohou přisuzovat strojům lidské vlastnosti (Eliza efekt). Nešlo o skutečnou AI, ale psychologický experiment.

• Vývojce: SRI International (1966–1972)
• Účel: Autonomní robot s pohybem a plánováním.
• Popis: První robot, který kombinoval vnímání prostředí, plánování (jazyk STRIPS: P, A, I, G), a vykonávání úloh. Uměl se sám rozhodnout, jak splnit zadaný cíl (např. přesunout krabici). Implementován v jazyce Lisp, představil také první využití A* algoritmu.
• Význam: Zakladatel robotiky a plánování v umělé inteligenci.

• Vývojce: DeepMind (2013)
• Účel: Učení se hrát videohry bez znalosti pravidel.
• Popis: Kombinuje Q-learning s hlubokými neuronovými sítěmi. AI se učila hrát Atari hry (např. Pong, Breakout) pouze pozorováním obrazovky a získáváním odměn. Využívá Stochastic Gradient Descent k optimalizaci politiky.
• Význam: Ukázal, že AI může samostatně zvládnout úkoly jen na základě surových dat (pixely, odměny). Položil základ pro další metody v oblasti her i simulací.

problém mnohorukého banditu, MDP, POMDP, hra v rozšířené formě

Formální modelování rozhodovacích úloh je základním stavebním kamenem inteligentních systémů. Každý typ problému umožňuje jinou míru pozorování a interakce s prostředím.

MAB modeluje situaci, kdy agent volí mezi akcemi (pažemi), z nichž každá přináší náhodnou odměnu s neznámým očekáváním. Cílem je maximalizovat kumulovaný výnos.

• Akce: $A = \{a_1, \dots, a_k\}$
• Odměny: pro každé $a_i$ náhodná proměnná $r_t^{(i)} \sim \nu_i$ s očekáváním $\mu_i$
• Očekávaná hodnota akce:

$$ q_*(a) \doteq \mathbb{E}[R_t \mid A_t = a], \quad \forall a \in \{1, \dots, k\} $$

• Cíl:

$$ \max_{\pi} \mathbb{E} \left[ \sum_{t=1}^T r_t \right] $$

• Tato formalizace popisuje prostředí, kde agent volí z konečného množství akcí a pro každou dostává stochastickou odměnu, jejímž očekáváním se snaží řídit své rozhodování s cílem maximalizovat dlouhodobý zisk.

• Greedy – vždy vybírá akci s nejvyšším známým odhadem odměny:

$$ a_t = \text{argmax}_a Q(a) $$

• Epsilon-Greedy – s pravděpodobností $1 - \epsilon$ volí nejlepší známou akci, s $\epsilon$ náhodně:

$$ a_t = \begin{cases} \text{argmax}_a Q(a) & \text{s pravd. } 1 - \epsilon \\ \text{náhodná akce} & \text{s pravd. } \epsilon \end{cases} $$

• UCB (Upper Confidence Bound) – zohledňuje nejen očekávanou odměnu, ale i nejistotu v důsledku dosavadního počtu výběrů:

$$ A_t \doteq \arg\max_a \left[ Q_t(a) + c \sqrt{\frac{\log t}{N_t(a)}} \right] $$

• kde:
  • $Q_t(a)$ je odhad očekávané odměny pro akci $a$ ve čase $t$,
  • $N_t(a)$ je počet výběrů akce $a$ do času $t$,
  • $c$ je parametr určující míru explorace (čím větší $c$, tím více prozkoumáváme nové akce).

• Nestacionární MAB – modeluje časově proměnná očekávání $\mu_i(t)$. Používá se např. vážený klouzavý průměr nebo diskontování starších dat.

• Problém odhaluje exploration–exploitation dilema.
• Exploration = zkoumání nových akcí,
• Exploitation = výběr nejlepší doposud známé akce.
• Greedy přístup vede k exploitingu, epsilon-Greedy a UCB kombinují exploring a exploiting.

MDP je základní model sekvenčního rozhodování v prostředí, kde je aktuální stav plně pozorovatelný. Klíčovým rysem je Markovova vlastnost – budoucí stav závisí pouze na současném stavu a akci, nikoliv na celé minulosti.

MDP je pětice: $$ (S, A, P, R, \gamma) $$

• kde:
  • $S$ – konečná množina stavů,
  • $A$ – konečná množina akcí,
  • $P(s'|s,a)$ – přechodová pravděpodobnost: pravděpodobnost přechodu do stavu $s'$ po provedení akce $a$ ve stavu $s$,
  • $R(s,a)$ – očekávaná odměna za provedení akce $a$ ve stavu $s$,
  • $\gamma \in [0,1)$ – diskontní faktor: určuje, jak silně jsou preferovány okamžité odměny před budoucími.

Nalézt politiku $\pi: S \to A$, která maximalizuje očekávaný kumulovaný výnos: $$ V^\pi(s) = \mathbb{E}_\pi \left[ \sum_{t=0}^{\infty} \gamma^t R(s_t, a_t) \mid s_0 = s \right] $$

Politika může být deterministická (každý stav má přesně jednu akci) nebo stochastická (každé akci ve stavu je přiřazena pravděpodobnost).

• Stavová hodnota $V^\pi(s)$ – očekávaný výnos při dodržování politiky $\pi$ ze stavu $s$.
• Akční hodnota $Q^\pi(s,a)$ – očekávaný výnos při provedení akce $a$ ve stavu $s$ a dalším následování politiky $\pi$.

Optimální politika $\pi^*$ maximalizuje hodnotu ve všech stavech:

• $V^*(s) = \max_\pi V^\pi(s)$
• $Q^*(s,a) = \max_\pi Q^\pi(s,a)$

Bellmanovy rovnice vyjadřují vztah mezi hodnotou daného stavu (nebo akce) a hodnotami následných stavů, čímž umožňují rekurzivně dopočítat optimální strategii jako součet okamžité odměny a očekávané budoucí hodnoty.

Pro optimální hodnoty platí: $$ V^*(s) = \max_{a \in A} \left[ R(s,a) + \gamma \sum_{s'} P(s'|s,a) V^*(s') \right] $$ $$ Q^*(s,a) = R(s,a) + \gamma \sum_{s'} P(s'|s,a) \max_{a'} Q^*(s',a') $$

• Value Iteration – opakovaně aktualizuje $V(s)$ podle Bellmanovy rovnice, dokud nedojde ke konvergenci.
• Policy Iteration – střídavě provádí evaluaci politiky ($V^\pi$) a zlepšuje ji výběrem akcí s vyšší hodnotou.
• Q-learning (off-policy) – učí přímo $Q(s,a)$ ze vzorků přechodů bez znalosti $P$:

$$ Q(s,a) \leftarrow Q(s,a) + \alpha \left[ r + \gamma \max_{a'} Q(s',a') - Q(s,a) \right] $$

• SARSA (on-policy) – upravuje $Q(s,a)$ na základě akce vybrané politikou:

$$ Q(s,a) \leftarrow Q(s,a) + \alpha \left[ r + \gamma Q(s', a') - Q(s,a) \right] $$

MDP poskytuje základní rámec pro plánování i učení z interakce, a jeho rozšíření vedla k hlubokému rozvoji oblasti reinforcement learningu.

POMDP popisuje rozhodování v prostředí, kde stav není přímo pozorovatelný, ale agent dostává pouze nepřímé signály – pozorování. Musí si tedy udržovat belief, což je pravděpodobnostní rozdělení nad možnými stavy.

POMDP je sedmice: $$ (S, A, P, R, \Omega, O, \gamma) $$

• $S$ – stavový prostor
• $A$ – množina akcí
• $P(s'|s,a)$ – přechodová pravděpodobnost
• $R(s,a)$ – funkce odměny
• $\Omega$ – prostor pozorování
• $O(o|s',a)$ – pravděpodobnost pozorování $o$ po přechodu do stavu $s'$
• $\gamma \in [0,1)$ – diskontní faktor

Belief $b$ je distribuční odhad stavu systému. Po akci $a$ a pozorování $o$ se aktualizuje podle: $$ b'(s') = \eta \cdot O(o|s',a) \sum_{s \in S} P(s'|s,a) \cdot b(s) $$ kde $\eta$ je normalizační konstanta zajišťující, že nový belief je opět pravděpodobnostní rozdělení.

Nalézt politiku $\pi: \mathcal{B} \to A$, která každému beliefu přiřadí akci. Cílem je maximalizovat očekávaný kumulovaný výnos: $$ V^\pi(b) = \mathbb{E} \left[ \sum_{t=0}^{\infty} \gamma^t R(s_t, a_t) \mid b_0 = b \right] $$ kde očekávání se bere přes možné trajektorie stavů, pozorování a akcí, které vyplývají z původního beliefu a politiky.

• Belief value function $V(b)$ – očekávaný výnos z beliefu $b$ při dodržování politiky $\pi$
• Je to rozšíření hodnotové funkce z MDP, ale definované na prostoru pravděpodobnostních rozdělení místo diskrétních stavů.

POMDP model je velmi silný, ale výpočetně náročný, protože belief space je spojitý a vysokodimenzionální – řešení se často aproximuje pomocí metod jako PBVI nebo HSVI.

Protože stav není přímo známý, POMDP se transformuje na MDP v prostoru beliefů.

• Value Iteration over belief space
  • Hodnotová funkce $V(b)$ je definována nad spojitým prostorem všech beliefů (pravděpodobnostních rozdělení).
  • U diskrétních POMDP je $V(b)$ piecewise-lineární a konvexní, ale výpočetně velmi náročná.
• Point-based Value Iteration (PBVI)
  • Aproximuje $V(b)$ jen na konečné množině reprezentativních beliefů.
  • Redukuje výpočetní náročnost a je vhodná pro větší stavové prostory.
• Monte Carlo metody (např. POMCP)
  • Používají vzorkování a simulace místo explicitního výpočtu.
  • POMCP (Partially Observable Monte Carlo Planning) kombinuje MCTS (Monte Carlo Tree Search) s postupnou aktualizací beliefu pomocí vzorků, bez nutnosti modelovat celý přechodový systém.
• Policy Search
  • Namísto hodnotové funkce přímo hledá politiku.
  • Obvykle používá parametrizované politiky (např. neuronové sítě) a policy gradient metody k optimalizaci očekávané odměny.

POMDP je obecně PSPACE-těžký problém, a proto se v praxi často používají přibližné metody. Přesto je klíčový v oblastech s částečnou observací, jako je robotika, zdravotnictví, plánování dialogu nebo navigace v neznámém prostředí.

Extensive-form games (EFGs) reprezentují vícekrokové rozhodovací situace pro více hráčů, často s neúplnou informací nebo náhodnými událostmi. Typicky jsou znázorňovány jako stromy hry (game trees).

• Strom rozhodnutí – každý uzel odpovídá rozhodnutí určitého hráče, hrany reprezentují možné akce.
  • Strom je obvykle konečný – hra má předem daný časový horizont (na rozdíl od MDP).
• Informované množiny (Information sets) – hráč si není vždy vědom, v jakém přesném uzlu stromu se nachází (např. kvůli nedokonalé informaci).
  • Skupina uzlů, mezi kterými nerozlišuje, tvoří jeho informační množinu.
• Výplaty (utilities) – definované pouze v terminálních uzlech stromu hry.
  • Každý hráč má přiřazen užitek v závislosti na dosaženém výsledku.
• Dynamika – každý stav má přiřazeného hráče (včetně přírody), který v něm rozhoduje o dalším kroku.
  • Hra tak popisuje střídání rozhodnutí různých aktérů (hráčů).

Hry v rozšířené formě se používají v oblasti víceagentních systémů, ekonomie, plánování a studia strategie. Vzhledem ke složitosti neúplné informace vyžadují často speciální algoritmy jako regret minimization nebo Nashova rovnováha.

DFS, BFS, ID-DFS, Dijkstra, A*

Prohledávání stavového prostoru je klíčovou technikou v umělé inteligenci, používanou např. při řešení hádanek, plánování, nebo hledání cest v grafech. Každá metoda má specifické chování, výhody a vhodné aplikace v závislosti na charakteru prostoru.

Prozkoumává nejprve co nejhlubší uzly, dokud nenarazí na cíl nebo slepou větev.

• Algoritmus:
  • Vlož počáteční stav na zásobník.
  • Opakuj:
    • Odeber vrchol ze zásobníku.
    • Pokud je cílový, skonči.
    • Jinak rozšiř následníky a vlož je na zásobník.
• Vlastnosti:
  • Paměť: $O(d)$ pro hloubku $d$
  • Nenajde nejkratší cestu
  • Riziko zacyklení (nutno pamatovat navštívené stavy)

Rozšiřuje stavy v pořadí jejich vzdálenosti od počátečního.

• Algoritmus:
  • Vlož počáteční stav do fronty.
  • Opakuj:
    • Odeber vrchol z fronty.
    • Pokud je cílový, skonči.
    • Jinak rozšiř následníky a vlož je do fronty.
• Vlastnosti:
  • Paměť: $O(b^d)$, kde $b$ je branching factor a $d$ hloubka řešení
  • Najde optimální cestu (pro jednotné náklady)
  • Náročné na paměť

Kombinuje výhody DFS a BFS – využívá malou paměť DFS, ale garantuje nalezení optimální cesty jako BFS.

• Algoritmus:
  • Pro $l = 1, 2, 3, \dots$:
    • Proveď DFS s omezením hloubky $l$
• Vlastnosti:
  • Paměť $O(d)$
  • Najde optimální řešení při jednotných nákladech
  • Časová rezie díky opakovanému průchodu, ale asymptoticky efektivní

Hledá nejkratší cestu v grafu s nezápornými náklady hran.

• Algoritmus:
  1. Inicializuj vzdálenost všech uzlů na nekonečno, počáteční uzel na 0.
  2. Vlož všechny uzly do prioritní fronty.
  3. Opakuj:
     1. Vyber uzel $u$ s nejmenší vzdáleností.
     2. Pro každého souseda $v$: pokud $\text{dist}[v] > \text{dist}[u] + \text{cost}(u,v)$, aktualizuj.

• Vlastnosti:
  1. Garantuje optimální řešení.
  2. Efektivní při známých a fixních nákladech.
  3. Funguje v obecné třídě grafů s nezápornými náklady.

• Dijkstra je speciální případ Uniform-Cost Search a může být použit k nalezení nejkratší cesty z jednoho bodu do všech ostatních.

Rozšíření Dijkstry o heuristiku $h(n)$, která odhaduje náklady z uzlu $n$ do cíle.

• Algoritmus:
  1. Inicializuj frontu uzlů s prioritou $f(n) = g(n) + h(n)$.
  2. Opakuj:
     1. Odeber uzel s nejmenším $f(n)$.
     2. Pokud je cílový, skonči.
     3. Jinak rozšiř následníky a aktualizuj jejich $g$ a $f$.

• Heuristiky:
  1. Admisibilní – nikdy nepřeceňuje skutečné náklady (tj. $h(n) \leq h^*(n)$), což zaručuje optimálnost.
  2. Konzistentní (monotónní) – platí $h(n) \leq c(n, n') + h(n')$, což zajišťuje, že se $f$ hodnoty uzlů nemohou zmenšovat při cestě stromem.
  3. Inadmisibilní – rychlejší, ale nemusí najít optimální řešení.

• Vlastnosti:
  1. Při použití konzistentní heuristiky je A* optimální a rozšiřuje minimum uzlů mezi všemi optimálními algoritmy.
  2. A* expanduje všechny uzly s $f(n) < C^*$, kde $C^*$ je náklad optimální cesty.
  3. Efektivita závisí na informativnosti heuristiky – čím blíže je $h(n)$ ke skutečné ceně, tím méně uzlů A* expanduje.

• Využití:
  1. Plánování pohybu (robotika, hry).
  2. Vyhledávání cest v grafech a mapách.
  3. Pokud $h(n) = 0$, chování jako Dijkstra.

• Iterative Deepening A*:
  1. Varianta A*, která omezuje průzkum na uzly s $f(n) \leq c$ a postupně zvyšuje $c$.
  2. Úspornější na paměť než klasické A*, vhodné pro velmi hluboké nebo rozsáhlé prostory.
  3. Další varianty:
     • Recursive Best-First Search (RBFS)
     • Memory-bounded A* (MA*, SMA*)

• Heuristika je funkce $h: S \rightarrow \mathbb{R}^+$, která odhaduje zbývající náklady do cíle.
• Admisibilní heuristika – nikdy nepřeceňuje náklady (optimální řešení).
• Konzistentní heuristika – splňuje $h(n) \leq c(n, n') + h(n')$, zajišťuje monotónnost $f(n)$.
• Každá konzistentní heuristika je zároveň admisibilní.
• Neinformativní heuristika (např. $h(n) = 0$) vede na Dijkstra.
• Příliš silná heuristika (např. $h(n) > h^*(n)$) může zrychlit výpočet, ale ztrácí optimálnost.

policy evaluation, policy improvement, policy iteration, value iteration, Q-learning

• Politika (policy) $\pi(a|s)$ Pravděpodobnostní pravidlo, které říká, jakou akci $a$ agent zvolí ve stavu $s$. Cílem posilovaného učení je najít optimální politiku $\pi^*$, která maximalizuje dlouhodobou očekávanou odměnu.
• Hodnotová funkce stavů $V^\pi(s)$ Očekávaná diskontovaná kumulovaná odměna, kterou agent získá, pokud začne ve stavu $s$ a dále se řídí politikou $\pi$.
• Akční hodnotová funkce $Q^\pi(s,a)$ Očekávaná diskontovaná odměna, pokud agent ve stavu $s$ zvolí akci $a$ a poté následuje politiku $\pi$.

• Deterministická pravidlová (reaktivní): Pokud přede mnou není překážka, jdi rovně; jinak zatoč doprava.
• Tabulková stochastická: explicitně uvedené pravděpodobnosti akcí v každém stavu.
• Funkční aproximátor: např. neuronová síť, která ze stavu přímo vrací distribuci akcí.

Všechny algoritmy níže pracují s prostředím modelovaným jako Markov Decision Process (MDP) definovaným čtveřicí $(\mathcal S,\mathcal A,P,R)$, kde $P(s'|s,a)$ je pravděpodobnost přechodu a $R(s,a,s')$ jednorázová odměna.

Úkol. Spočítat $V^\pi(s)$ pro danou politiku $\pi$.

$$ V^\pi(s) = \sum_{a} \pi(a|s)\sum_{s'} P(s'|s,a),\bigl[R(s,a,s') + \gamma V^\pi(s')\bigr], $$

kde $\gamma \in [0,1)$ je diskontní faktor, jenž určuje, jak moc agent „přeje“ budoucím odměnám.

Co rovnice říká? Hodnota stavu je průměr (podle politiky a dynamiky prostředí) okamžité odměny $R$ a hodnoty následujícího stavu, zlevněné faktorem $\gamma$.

Proč je to užitečné?

Jak se to počítá v praxi? Policy evaluation řešíme vždy jen pro jednu konkrétní politiku, nikoliv pro celou (často nekonečnou) množinu všech možných politik.

• Malé & známé MDP: rovnici lze vyřešit iterací nebo řešením soustavy lineárních rovnic.
• Velké / neznámé MDP: hodnotu $V^\pi$ odhadujeme ze vzorků – Monte Carlo nebo TD(0), TD($\lambda$). Znalost $V^\pi$ říká, „kolik stojí“ být v každém stavu, pokud se budu chovat podle $\pi$. Je to klíčový stavební kámen pro zlepšování politik.

Příklad (Bludiště). Pro pevně danou politiku chození náhodně určíme, kolik kroků (-odměn) v průměru chybí do cíle z každého políčka.

Úkol. Z $V^\pi$ vytvořit lepší politiku $\pi'$:

$$ \pi'(s) = \arg\max_{a}\sum_{s'} P(s'|s,a),\bigl[R(s,a,s') + \gamma V^\pi(s')\bigr]. $$

Co rovnice říká? V každém stavu vyber akci s největší očekávanou hodnotou budoucích odměn vzhledem k aktuálnímu odhadu $V^\pi$.

Proč je to užitečné? Zaručeně získáme politiku, která není horší než $\pi$ (tzv. policy improvement theorem).

Příklad. Pokud v rohu bludiště vede akce nahoru k vyšší hodnotě než doleva, začneme v tomto stavu preferovat nahoru.

1. Start: vyber libovolnou počáteční politiku π₀ (třeba náhodnou).
2. Policy evaluation: odhadni hodnoty V^{π₀}.
3. Greedy krok: pro každý stav s spočítej očekávané výnosy jednotlivých akcí a zvol akci s nejvyšší hodnotou ⇒ vznikne nová politika π₁.
4. Opakuj: pokud se π₁ liší od π₀, vrať se na krok 2 (nyní s π₁). Jakmile se politika přestane měnit, dospěli jsme k optimu.

Klíčové: policy improvement je operátor „vezmi existující politiku → vrať o kousek lepší“. Nehledá všechny politiky, jen lokálně zlepší tu, kterou dodáš.

Pokud je politika parametrizovaná (např. neuronová síť $\pi\_{\theta}(a\mid s)$ nebo soft-max nad lineárním modelem), greedy přepsání tabulky nahradíme gradientovým krokem:

$$ \theta \leftarrow \theta + \eta,\nabla_{\theta} J(\theta), \quad \text{ kde } J(\theta)=\mathbb E_{s\sim d^{\pi},a\sim\pi_{\theta}}[Q^{\pi}(s,a)]. $$

• Gradient $\nabla_{\theta}J$ říká, jak pohnout parametry, aby se zvýšila pravděpodobnost akcí s vyšším $Q^{\pi}(s,a)$.
• V praxi se počítá stochasticky (REINFORCE, actor–critic, PPO…).
• Intuice: učíš síť, aby častěji nabízela akce, které aktuální odhad hodnot považuje za výhodné.

1. Policy Evaluation: spočti $V^\pi$
2. Policy Improvement: vytvoř $\pi'$
3. Opakuj s novou politikou, dokud se již nezmění.

Metoda konverguje k optimální politice $\pi^*$.

Použití. Vhodné pro MDP s plným modelem; rychle konverguje v malých stavových prostorech (např. diskretizované robotické úlohy).

Value iteration kombinuje policy evaluation (odhad $V$) a policy improvement (výběr nejlepší akce) do jediného kroku:

$$ V_{k+1}(s) = \max_a \sum_{s'} P(s'|s,a),\bigl[R(s,a,s') + \gamma V_k(s')\bigr]. $$

Po konvergenci se politika získá:

$$ \pi^*(s) = \arg\max_a \sum_{s'} P(s'|s,a),\bigl[R(s,a,s') + \gamma V(s')\bigr]. $$

Vhodné pro velké MDP, kde je levnější aktualizovat pouze $V(s)$.

Q-learning je model-free off-policy algoritmus, který se učí optimální akční hodnoty $Q^*(s,a)$ přímo z interakcí s prostředím, aniž by potřeboval znát přechodové pravděpodobnosti $P(s'|s,a)$ nebo funkci odměn $R(s,a,s')$.

$$ Q(s,a) \;\leftarrow\; Q(s,a) + \alpha\Bigl[r + \gamma \max_{a'} Q(s',a') - Q(s,a)\Bigr] $$

Vysvětlení jednotlivých termů:

• $Q(s,a)$ - současný odhad hodnoty akce $a$ ve stavu $s$
• $\alpha \in (0,1]$ - learning rate (učící rychlost): jak rychle zapomínáme staré odhady ve prospěch nových zkušeností
  • Malé $\alpha$: pomalé učení, ale stabilnější konvergence
  • Velké $\alpha$: rychlé učení, ale může oscilovat
• $r$ - okamžitá odměna získaná po provedení akce $a$ ve stavu $s$
• $\gamma \in [0,1)$ - discount factor: jak moc vážíme budoucí odměny
  • $\gamma = 0$: agent se zajímá jen o okamžité odměny
  • $\gamma \to 1$: agent více váží dlouhodobé odměny
• $\max_{a'} Q(s',a')$ - odhad nejlepší možné hodnoty v následujícím stavu $s'$
• $r + \gamma \max_{a'} Q(s',a')$ - TD target (temporal difference target): náš nový odhad správné hodnoty $Q(s,a)$
• $r + \gamma \max_{a'} Q(s',a') - Q(s,a)$ - TD error: rozdíl mezi novým odhadem a současnou hodnotou

Rovnice říká: “Aktualizuj svůj odhad hodnoty akce směrem k tomu, co jsi právě zažil (okamžitá odměna) plus nejlepší hodnota, kterou očekáváš v dalším stavu.”

Představme si jednoduché bludiště 3×3, kde agent začína v levém horním rohu (0,0) a cílem je dostat se do pravého dolního rohu (2,2).

Prostředí:

S . .
. X .    S = start, G = goal, X = překážka, . = volné pole
. . G

Možné akce: ↑ (nahoru), ↓ (dolů), ← (doleva), → (doprava)

Odměny: +10 za dosažení cíle, -1 za každý krok, -10 za náraz do zdi/překážky

Počáteční Q-tabulka (náhodně inicializovaná)

Průběh učení - příklad kroku

Situace: Agent je ve stavu (0,0), zvolí akci → (doprava), dostane odměnu r = -1, dostane se do stavu (0,1).

Parametry: $\alpha = 0.1, \gamma = 0.9$

Aktualizace:

1. Současná hodnota: $Q(0,0, →) = 0.4$ 2. Odměna: $r = -1$
2. Nejlepší hodnota v novém stavu: $\max_{a'} Q(0,1, a') = \max(0.0, 0.1, -0.1, 0.3) = 0.3$
3. TD target: $r + \gamma \max_{a'} Q(s',a') = -1 + 0.9 \times 0.3 = -0.73$
4. TD error: $-0.73 - 0.4 = -1.13$
5. Nová hodnota: $Q(0,0, →) = 0.4 + 0.1 \times (-1.13) = 0.287$

Q-tabulka po několika tisících epizodách

Optimální politika (vyber akci s nejvyšší hodnotou): - (0,0): → (doprava) - (0,1): → (doprava) - (0,2): → (doprava) - (1,0): ↑ (nahoru) - (1,2): → (doprava) - (2,0): → (doprava) - (2,1): → (doprava)

Klíčové vlastnosti Q-learningu

1. Model-free: Nepotřebuje znát $P(s'|s,a)$ ani $R(s,a,s')$
2. Off-policy: Může se učit optimální politiku, i když jedná podle jiné (např. ε-greedy)
3. Konvergence: Za určitých podmínek (každý stav-akce navštíven nekonečněkrát, klesající learning rate) konverguje k $Q^*$
4. Exploration vs Exploitation: Často kombinováno s ε-greedy strategií pro vyvážení průzkumu a využívání

• Inicializace: Q-tabulku obvykle inicializujeme optimisticky (vyšší hodnoty podporují exploration)
• Learning rate: Často se snižuje v čase (např. $\alpha_t = \alpha_0 / (1 + t)$)
• Exploration: ε-greedy s postupně klesajícím ε je standardní volba

Příklad použití: Herní agent se z opakovaného hraní naučí strategii, aniž by znal pravidla hry předem. Q-learning úspěšně natrénoval agenty na Atari hry, šachy, nebo Go.

Formální model dvouhráčových her s dokonalou informací popisuje interakci dvou hráčů v diskrétní sekvenci tahů.

• Hráči: $P = \{1, 2\}$
• Historie: $H$ je množina konečných posloupností tahů (stavů ve hře).
• Akce: $A(h)$ je množina akcí dostupných v bodě $h \in H$.
• Terminální stavy: $Z \subseteq H$ jsou stavy, kde hra končí.
• Výplatní funkce: $u : Z \to \mathbb{R}$ přiřazuje každému koncovému stavu číselné ohodnocení (užitek).

Hra je obvykle reprezentována stromem, ve kterém se hráči střídají v rozhodování a každý uzel odpovídá jednomu rozhodovacímu bodu.

minimax, alpha-beta prořezávání, negamax, negascout, MCTS.

Algoritmus pro rozhodování ve hrách s dokonalou informací (např. šachy, dáma), kde hráči střídavě maximalizují či minimalizují skóre.

Minimax je algoritmus pro rozhodování ve hrách s dokonalou informací, kde se hráči střídají a volí tahy s cílem maximalizovat (hráč 1) nebo minimalizovat (hráč 2) výsledné skóre.

• Algoritmus:
  • Prochází herní strom do dané hloubky nebo do koncových stavů (listů).
  • Maximalizující hráč vybírá tah s nejvyšším skóre, minimalizující s nejnižším.
  • Hodnoty se rekurzivně propagují zpět ke kořeni stromu.

• Vlastnosti:
  • Zaručuje optimální rozhodnutí, pokud je strom prohledán celý.
  • Exponenciální složitost $O(b^d)$, kde $b$ je počet možných tahů a $d$ hloubka.

• Využití:
  • Hry pro dva hráče s nulovým součtem – např. šachy, tic-tac-toe, reversi.

Vylepšení Minimaxu, které ořezává větve stromu, jež nemohou ovlivnit konečné rozhodnutí – významně zrychluje hledání.

• Algoritmus:
  • Stejně jako Minimax, navíc udržuje dvě hodnoty:
    • $\alpha$ – nejlepší nalezený výsledek pro Max hráče (spodní mez).
    • $\beta$ – nejlepší nalezený výsledek pro Min hráče (horní mez).
  • Pokud během prohledávání platí $\alpha \geq \beta$, větev se ořízne (dál se neprohledává).

• Vlastnosti:
  • Výsledky stejné jako Minimax, ale často prohledá podstatně méně uzlů (až $\sqrt{N}$ oproti $N$).
  • Maximální efektivita při dobrém pořadí tahů (nejlepší tahy prohledávány první).

• Využití:
  • Hry pro dva hráče, kde je důležité rychlé prohledání (šachy, go, reversi).

Zjednodušení Minimaxu pro hry s nulovým součtem – místo dvou funkcí (max, min) používá jednu a neguje hodnoty.

• Algoritmus:
  • Reprezentuje úlohu tak, že vždy maximalizuje skóre pro “aktuálního hráče”.
  • Po každém kroku neguje návratovou hodnotu: $score = -negamax(s', depth-1)$
  • Tím stačí jedna rekurzivní funkce místo dvou (min, max).

• Vlastnosti:
  • Výsledky stejné jako Minimax, jednodušší implementace.
  • Snadné rozšíření o Alpha-Beta pruning.

• Využití:
  • Hry s nulovým součtem, kde jsou hodnoty pro oba hráče přesně opačné.

Další vylepšení algoritmu Alpha-Beta (resp. Negamax), které využívá předpoklad, že akce jsou předem dobře seřazené (např. pomocí heuristiky). Tím výrazně urychluje prohledávání.

• Algoritmus:
  • První tah prohledá s plným oknem $[\alpha, \beta]$.
  • Ostatní tahy nejprve s “null window” $[\alpha, \alpha+1]$ (rychlý test).
  • Pokud výsledek překročí $\alpha$, provede se “re-search” s plným oknem.
  • Průběžně aktualizuje $\alpha$ a $\beta$, stejně jako Alpha-Beta.

• Vlastnosti:
  • Ještě rychlejší než Alpha-Beta při dobrém pořadí tahů (většina tahů se nemusí detailně zkoumat).
  • Výsledky stejné jako Alpha-Beta/Negamax.

• Využití:
  • Šachové, reversi a jiné herní enginy, kde záleží na hlubokém a rychlém prohledávání.

Heuristický algoritmus pro rozhodování v rozsáhlých nebo neúplných herních stromech, založený na náhodném simulování partií z aktuální pozice.

• Algoritmus (čtyři fáze):
  • Selection – Prochází strom podle nejlepší známé hodnoty (UCT, Upper Confidence Bound) až k listu.
  • Expansion – Pokud list není terminální, přidá nový poduzel.
  • Simulation (Playout) – Z nového uzlu simuluje hru do konce náhodnými tahy.
  • Backpropagation – Výsledek simulace propaguje zpět ke kořeni (aktualizuje statistiky uzlů).

• Vlastnosti:
  • Nevyžaduje heuristiku, stačí simulace.
  • Schopný vyrovnat se s obrovskými stromy, neúplnou informací a pravděpodobnostními hrami.
  • S rostoucím počtem simulací se blíží optimálnímu rozhodnutí.

• Využití:
  • Hry s obrovským stavovým prostorem (Go, některé deskovky, poker, plánování akcí v AI).

CSP, Scheduling, Situation calculus, STRIPS

Strukturovaná reprezentace znalostí se zaměřuje na formální způsoby, jakými lze reprezentovat a manipulovat se znalostmi v počítačových systémech. Používají se různé modely a formalismy pro popis problémů, plánování a inferenci.

CSP jsou definovány jako trojice (X, D, C), kde:

• X je množina proměnných
• D je množina domén (každá proměnná má svou doménu možných hodnot)
• C je množina omezení, která specifikují povolené kombinace hodnot pro podmnožiny proměnných

Cíl: Nalézt přiřazení hodnot proměnným tak, aby byla všechna omezení splněna.

Máme graf se třemi uzly A, B, C, které jsou propojené takto:

A --- B --- C
|           |
+--- --- ---+

Chceme obarvit každý uzel jednou ze tří barev tak, aby žádné dva sousední uzly neměly stejnou barvu.

Proměnné: X = {A, B, C}

Domény: - $D_A$ = {červená, zelená, modrá} - $D_B$ = {červená, zelená, modrá}
- $D_C$ = {červená, zelená, modrá}

Omezení: C = {A $\neq$ B, B $\neq$ C, A $\neq$ C} - A a B musí mít různé barvy (jsou sousední) - B a C musí mít různé barvy (jsou sousední) - A a C musí mít různé barvy (jsou sousední)

Krok 1: Přiřadíme A = červená - Současné přiřazení: {A: červená}

• Splněná omezení: žádná (zatím nemáme hodnoty pro B, C)

Krok 2: Zkusíme B = červená - Současné přiřazení: {A: červená, B: červená}

• Kontrola omezení A $\neq$ B: NESPLNĚNO (červená = červená) Backtrack
• zrušíme B = červená

Krok 3: Zkusíme B = zelená

• Současné přiřazení: {A: červená, B: zelená}
• Kontrola omezení A $\neq$ B: SPLNĚNO (červená $\neq$ zelená)

Krok 4: Zkusíme C = červená

• Současné přiřazení: {A: červená, B: zelená, C: červená}
• Kontrola omezení: - A $\neq$ B: SPLNĚNO (červená $\neq$ zelená)
• B $\neq$ C: SPLNĚNO (zelená $\neq$ červená)
• A $\neq$ C: NESPLNĚNO (červená = červená) Backtrack
• zrušíme C = červená

Krok 5: Zkusíme C = zelená - Současné přiřazení: {A: červená, B: zelená, C: zelená}

• Kontrola omezení B $\neq$ C: NESPLNĚNO (zelená = zelená) - Backtrack
• zrušíme C = zelená

Krok 6: Zkusíme C = modrá - Současné přiřazení: {A: červená, B: zelená, C: modrá}

• Kontrola všech omezení:
• A $\neq$ B: SPLNĚNO (červená $\neq$ zelená)
• B $\neq$ C: SPLNĚNO (zelená $\neq$ modrá)
• A $\neq$ C: SPLNĚNO (červená $\neq$ modrá) - ŘEŠENÍ NALEZENO!

• A = červená
• B = zelená
• C = modrá

- Forward checking: Po přiřazení hodnoty odstraň nekompatibilní hodnoty ze sousedních proměnných - Arc consistency: Zajisti, aby pro každou hodnotu v doméně existovala kompatibilní hodnota v sousedních proměnných

AC-3 algoritmus využívá arc consistency, asi nejlepší vysvětlení je zde:

• Sudoku: Proměnné = políčka, domény = čísla 1-9, omezení = unikátnost v řádcích/sloupcích/čtvercích
• N-queens: Proměnné = pozice dam, domény = sloupce, omezení = žádné dva útočící
• Rozvrh hodin: Proměnné = hodiny, domény = časy/místnosti, omezení = kolize učitelů/studentů

Plánování je specifický typ CSP, kde je cílem přiřadit činnosti časovým slotům s ohledem na omezení jako kapacity zdrojů a precedenční vztahy.

Ukázka – rozvrh: Aktivity: $X = \{\text{matematika}, \text{angličtina}\}$
Domény: časové sloty $\{8:00, 9:00\}$
Omezení: nelze mít matematiku a angličtinu zároveň → $\text{matematika} \neq \text{angličtina}$

Situation calculus je formální jazyk pro popis dynamických systémů. Používá se k popisu efektů akcí a plánování.

Základní notace: - $do(a, s)$: výsledek vykonání akce $a$ ve stavu $s$, - $Holds(p, s)$: predikát $p$ platí ve stavu $s$, - $Poss(a, s)$: akce $a$ je možná ve stavu $s$

Ukázka:

Holds(At(Robot, Room1), S0)
Poss(Move(Robot, Room1, Room2), S) ⟺ Holds(At(Robot, Room1), S)
Holds(At(Robot, Room2), do(Move(Robot, Room1, Room2), S))

STRIPS (Stanford Research Institute Problem Solver) je formalismus pro reprezentaci plánovacích problémů. Každá akce má:

• Preconditions: podmínky pro použití akce
• Add list: co bude po akci pravdivé
• Delete list: co přestane platit

Ukázka – akce “přesuň robota z místnosti A do B”:

Action: Move(A, B)
Preconditions: At(Robot, A), Connected(A, B)
Add: At(Robot, B)
Delete: At(Robot, A)

Cílem je najít posloupnost akcí, která převede výchozí stav na cílový (např. Robot je v místnosti C).

maximalizace očekávané utility, Bayesovo pravidlo, Bayesovské sítě.

Neurčitost v umělé inteligenci se objevuje v situacích, kdy nemáme úplné nebo přesné informace o stavu světa. V takových případech je třeba rozhodovat na základě pravděpodobnostních modelů. Hlavními nástroji pro práci s neurčitostí jsou Bayesovo pravidlo, maximalizace očekávané utility a Bayesovské sítě.

Bayesovo pravidlo umožňuje aktualizovat pravděpodobnost hypotézy na základě nových dat. Jeho matematická formulace je:

$$ P(H|D) = \frac{P(D|H) \cdot P(H)}{P(D)} $$

kde: - $H$ je hypotéza, - $D$ jsou data, - $P(H|D)$ je posteriorní pravděpodobnost, - $P(D|H)$ je pravděpodobnost dat za předpokladu platnosti hypotézy (likelihood), - $P(H)$ je apriorní pravděpodobnost hypotézy, - $P(D)$ je marginální pravděpodobnost dat.

Cílem rozhodování pod neurčitostí je zvolit akci, která maximalizuje očekávanou užitečnost:

$$ EU(a) = \sum_s P(s|a) \cdot U(s,a) $$

kde: - $a$ je akce, - $s$ je možný stav světa, - $P(s|a)$ je pravděpodobnost stavu $s$ za předpokladu akce $a$, - $U(s,a)$ je užitečnost akce $a$ ve stavu $s$.

Bayesovské sítě (též grafické modely) jsou orientované acyklické grafy, ve kterých: - vrcholy reprezentují náhodné proměnné, - hrany reprezentují podmíněné závislosti mezi proměnnými, - každá proměnná má přidruženou podmíněnou pravděpodobnostní tabulku (CPT).

Sítě umožňují efektivní reprezentaci a výpočet složitých pravděpodobnostních modelů a jsou základem pro inferenci (zjištění pravděpodobností nepozorovaných proměnných) a rozhodování.

Tato Bayesovská síť ilustruje následující závislosti mezi náhodnými proměnnými:

• A je kořenová proměnná (nemá žádné předchůdce), která ovlivňuje:
  • B, tj. $P(B | A)$
  • C, tj. $P(C | A)$
• D je ovlivněna jak proměnnou B, tak i C, což znamená:
  • $P(D | B, C)$

Celková společná distribuční pravděpodobnost lze tedy rozepsat jako:

$$ P(A, B, C, D) = P(A) \cdot P(B | A) \cdot P(C | A) \cdot P(D | B, C) $$

Naivní Bayesův klasifikátor je jednoduchý pravděpodobnostní klasifikátor založený na Bayesově teorému s naivním předpokladem podmíněné nezávislosti příznaků dané třídy.

Nechť $C$ je náhodná proměnná reprezentující třídu a $X = (X_1, X_2, \ldots, X_n)$ jsou příznaky. Pomocí Bayesova pravidla:

$$ P(C|X) = \frac{P(C) \cdot P(X|C)}{P(X)} $$

Za předpokladu nezávislosti:

$$ P(X|C) = \prod_{i=1}^n P(X_i | C) $$

Klasifikace se provádí výběrem třídy $c$, která maximalizuje posteriorní pravděpodobnost:

$$ \hat{c} = \arg\max_{c \in \mathcal{C}} P(C=c) \prod_{i=1}^n P(X_i | C=c) $$

Použití: - textová klasifikace (spam, sentiment), - diagnostika v medicíně, - doporučovací systémy.

HMM je speciální typ Bayesovské sítě pro časově závislé procesy, kde:

• máme posloupnost skrytých stavů $Z_1, Z_2, \ldots, Z_T$,
• z každého stavu je generována pozorovatelná veličina $X_1, X_2, \ldots, X_T$,
• každý stav závisí pouze na předchozím: $P(Z_t | Z_{t-1})$,
• každé pozorování závisí pouze na současném stavu: $P(X_t | Z_t)$.

$$ P(Z_{1:T}, X_{1:T}) = P(Z_1) \cdot \prod_{t=2}^T P(Z_t | Z_{t-1}) \cdot \prod_{t=1}^T P(X_t | Z_t) $$

Použití: - rozpoznávání řeči, - analýza časových řad, - strojový překlad, - sledování objektů.

Hlavní algoritmy: - Forward-backward (výpočet pravděpodobností), - Viterbiho algoritmus (nejpravděpodobnější posloupnost), - Baum-Welch (EM algoritmus pro trénink).

PBVI, HSVI

Řešení problémů částečně pozorovatelných Markovových rozhodovacích procesů (POMDP) spočívá v nalezení optimální politiky, která maximalizuje očekávaný výnos na základě neúplné informace o stavu systému. V POMDP je totiž skutečný stav systému skrytý (latentní) a rozhodnutí je činěno na základě tzv. věrohodnostního rozdělení (belief state) – pravděpodobnostního rozdělení přes možné stavy daného systému.

POMDP je formálně definován jako sedmice $⟨S, A, T, R, Ω, O, \gamma⟩$, kde: - $S$ je množina stavů, - $A$ je množina akcí, - $T(s'|s,a)$ je přechodová pravděpodobnost, - $R(s,a)$ je funkce odměny, - $Ω$ je množina možných pozorování, - $O(o|s',a)$ je pravděpodobnost pozorování $o$ po provedení akce $a$ a přechodu do stavu $s'$, - $\gamma$ je diskontní faktor.

Hodnotová funkce pro POMDP je definována nad věrohodnostními stavy a je konvexní. Přesné řešení POMDP je výpočetně neproveditelné pro větší problémy, proto se používají aproximační metody. Mezi ně patří:

PBVI aproximuje hodnotovou funkci výběrem reprezentativní množiny víry (belief points) $B = \{b_1, b_2, ..., b_n\}$, a iterativně aktualizuje hodnotovou funkci pouze v těchto bodech.

Algoritmus PBVI: 1. Inicializuj hodnotovou funkci $V_0$ jako nulovou. 2. Pro každou víru $b \in B$ prováděj: - $V_{i+1}(b) = \max_{a \in A} \left[ R(b, a) + \gamma \sum_{o \in Ω} P(o|b,a) V_i(b_{a,o}) \right]$, kde $b_{a,o}$ je aktualizovaná víra po akci $a$ a pozorování $o$.

Tímto způsobem PBVI konstruuje aproximaci optimality pomocí hodnotové funkce složené z tzv. $\alpha$-vektorů.

HSVI je vylepšením PBVI, které využívá heuristické řízení výpočtu pro zlepšení efektivity. HSVI zachovává horní a dolní meze hodnotové funkce a iterativně je zpřesňuje pouze v místech, která ovlivňují politiku.

Algoritmus HSVI: 1. Udržuje dolní odhad $V^-$ a horní odhad $V^+$ hodnotové funkce. 2. Používá hloubkové prohledávání stromu víry řízené heuristikou k výběru větví, kde je největší rozdíl mezi $V^+$ a $V^-$. 3. Provádí zálohování hodnot a zpřesňuje odhady na cestě k listům stromu.

HSVI kombinuje výpočetní efektivitu s garancemi na kvalitu aproximace: algoritmus konverguje k ε-optimální politice, pokud se rozdíl mezi horním a dolním odhadem zmenší pod ε.

Oba algoritmy se osvědčily pro řešení středně velkých POMDP problémů, kde přesné metody selhávají kvůli výpočetní neúnosnosti.