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Spieltheorie
Vier Gewinnt
Nicolas Schmidt Matthias Dietsche
Bernhard Weiß Benjamin Ruile
Datum: 17.2.2009
Tutor: Prof. Schottenloher
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Präsentation Agenda
I. Einführung 1. Motivation 2. Das Spiel Vier Gewinnt
II. Spieltheorie III. Andere Herangehensweisen
IV. Programmierung
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Präsentation Agenda
I. Einführung 1. Motivation 2. Das Spiel Vier Gewinnt
II. Spieltheorie III. Andere Herangehensweisen
IV. Programmierung
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I. Einführung 1. Motivation
Viele bekannte Gesellschaftsspiele sind Zwei - Personen – Nullsummenspiele mit vollständiger Information.
Bekanntesten Vertreter sind Schach, Dame und Mühle
Frage bei allen diesen Spielen: wie gewinnt man sicher oder wie spielt man besser als der Gegner
Vier Gewinnt als Vertreter dieser Spielart.
Problem der Spieltheorie bei diesen Spielen und Lösungskonzepte und Spielstrategien am Beispiel von Vier Gewinnt.
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Präsentation Agenda
II. Einführung 1. Motivation 2. Das Spiel Vier Gewinnt
II. Spieltheorie III. Andere Herangehensweisen
IV. Programmierung
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I. Einführung 1. Das Spiel “Vier Gewinnt”
Spielregeln I
Vier gewinnt ist ein zwei Personen Spiel, bei dem jeder der Spieler 21 identische Spielsteine besitz. In der Orginalversion haben diese die Farben gelb und rot. Das Spiel wird auf einem rechteckigen Spielfeld mit sieben Spalten und 6 Zeilen gespielt. Die Spielsteine werden von den beiden Spielern abwechslend in eine der Spalten geworfen.
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I. Einführung 1. Das Spiel “Vier Gewinnt”
Spielregeln II
Die Spielsteine können in eine der Sieben Spalten geworfen werden
Wird ein Stein in eine Spalte geworfen so fällt er in die unterste nicht besetzte Zeile
Ziel des Spiels ist es Vier zusammenhängende Steine im Gitter zu positionieren
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I. Einführung 1. Das Spiel “Vier Gewinnt”
Spielregeln III
Die Steine können in horizontal, vertikal oder diagonal eine Reihe Bilden
Beispiele für Gewinnpositionen:
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Präsentation Agenda
I. Einführung 1. Motivation 2. Das Spiel Vier Gewinnt
II. Spieltheorie III. Andere Herangehensweisen
IV. Programmierung
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II. Spieltheorie
In der Spieltheorie geht es darum Spiele analytisch zu beschreiben und mit mathematischen Herangehensweisen zu lösen
Spieltheorie
Lösen von Spielen kann hierbei in drei Kategorien unterteilt werden
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II. Spieltheorie
Sehr schwach gelöst: Kenntnis über den optimalen Ausgang eines Spiels für die beiden Spieler ohne Angabe von Strategien
Schwach gelöst: Praktisch realisierbarer Algorithmus zur Festlegung der beidseitigen optimalen Strategien
Stark gelöst: Praktisch realisierbarer Algorithmus zu Festlegung von Strategien an allen Positionen am Spielbaum
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II. Spieltheorie
Vier gewinnt wurde schwach gelöst, und zwar unabhängig von einander von Victor Allis (1988) und James D. Allen (1990)
Und stark gelöst von
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II. Spieltheorie
Spieltheoretische Herangehensweisen
Aus der Vorlesung wissen wir wie man Zwei – Personen – Nullsummenspiel mit vollständiger Information löst
Die streng mathematische Herangehensweise wäre die Analyse des kompletten Spielbaums und die Anwendung des Prinzips der „Elimination durch Dominanz“
Bzw. bei abwechselndem Zug der Min-Max-Algorithmus
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II. Spieltheorie
Probleme der Spieltheorie
Bei Vier Gewinnt handelt es sich um ein sehr komplexes Spiel, wie auch Schach oder Dame
Spielbaum sehr groß bzw. komplex
Berechnung von Hand unmöglich mit Computer viel zu zeitaufwendig
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II. Spieltheorie
Spielbaum
Überlegung wie „groß“ ist der Vier Gewinnt Spielbaum Spielbaum nach zwei Zügen:
Nach zwei Zügen bereits 49 Endpositionen, nach 6 Zügen schon 76 = 117.649 Möglichkeiten
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II. Spieltheorie
Grobe Abschätzung des Spielbaums mit Kombinatorik liefert als obere Grenze 342= 1,09419 * 1020 Knoten
Sehr grob, da alle Positionen berücksichtigt auch unmögliche
Victor Allis liefert in seiner Master Thesis besser, jedoch auch inklusive unmöglicher Positionen
7,1 * 1013
Andere Möglichkeiten das Spiel zu untersuchen werden gebraucht
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Präsentation Agenda
I. Einführung 1. Motivation 2. Das Spiel Vier Gewinnt
II. Spieltheorie
III. Andere Herangehensweisen
IV. Programmierung
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III. Andere Herangehensweisen
Analyse von speziellen Spielsituationen
Um eine generelle Strategie zu finden ist nötig herauszufinden in welche Situationen für die einzelnen Spieler „besser“ sind
Als Beispiel wird eine bestimmte Situation betrachtet
Daraus Schlüsse auf Allgemeinheit gezogen
Wir gehen im folgenden davon aus dass die Spieler keine Fehler machen und immer wenn sie gewinnen können auch gewinnen, bzw. eigene Gewinnchancen nicht zerstören
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III. Andere Herangehensweisen
Betrachten wir folgende Situation
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III. Andere Herangehensweisen
Gewinnposition für Rot schon am Anfang gewesen
Strategie „Tit for Tat“ ab der oberen Position
Zugzwang bei Gelb und Rot gewinnt
Genauer Gelb hat schon viel früher verloren, nämlich nach 5 Runden
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III. Andere Herangehensweisen
Ab hier „Tit for Tat“ von Rot möglich und führt zum Sieg
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Bei fehlerfreiem Spiel können wir davon ausgehen, dass sich Siegchance immer in den letzten (meisten leeren) Spalten ergibt
III. Andere Herangehensweisen
Haben eine Mögliche Situation gesehen, welche sind aber prinzipiell für die Spieler gut und welche schlecht
Welche Positionen können erreicht werden? Welche sollten erreicht werden?
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III. Andere Herangehensweisen
Weiteres Beispiel von möglichen Gewinnpositionen:
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III. Andere Herangehensweisen
Spielverlauf:
Gelb gewinnt
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III. Andere Herangehensweisen
Zusammenfassung Sind die Gewinnmöglichkeiten in der gleichen Spalte Gelb hat eine ungerade Gewinnmöglichkeit, Rot eine gerade Gewinnmöglichkeit Diejenige mit der kleiner Zeilenzahl gewinnt!
Gelb hat eine gerade Gewinnmöglichkeit, Rot eine ungerade Gewinnmöglichkeit Das Spiel endet unentschieden!
Gelb hat eine ungerade Gewinnmöglichkeit, Rot eine gerade Gewinnmöglichkeit Gelb gewinnt!
Gelb hat eine gerade Gewinnmöglichkeit, Rot eine gerade Gewinnmöglichkeit Rot gewinnt!
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III. Andere Herangehensweisen
Zusammenfassung Sind die Gewinnmöglichkeiten in unterschiedlichen Spalten Gelb hat eine ungerade Gewinnmöglichkeit, Rot eine gerade Gewinnmöglichkeit Diejenige mit der kleiner Zeilenzahl gewinnt!
Gelb hat eine gerade Gewinnmöglichkeit, Rot eine gerade Gewinnmöglichkeit Rot gewinnt!
Gelb hat eine gerade Gewinnmöglichkeit, Rot hat ein ungerade Gewinnmöglichkeit Das Spiel endet unentschieden!
Gelb hat eine ungerade Gewinnmöglichkeit, Rot eine ungerade Gewinnmöglichkeit Das endet unentschieden, wenn Die Gewinnmöglichkeit nicht in der ersten Zeile ist.
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Präsentation Agenda
I. Einführung 1. Motivation 2. Das Spiel Vier Gewinnt
II. Spieltheorie III. Andere Herangehensweisen
IV. Programmierung
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IV. Programmierung
Ziele der Programmierung
Ziel der Programmierung ist die Erschaffung einer Künstlichen Intellizenz die folgende Kriterien erfüllen soll. 1. Schnelligkeit - Es soll möglich sein ohne zu lange
Wartezeiten zu spielen. 2. Intelligenz - Der Computer soll zielgerichtet versuchen das Spiel zu gewinnen. 3. beschränkte Intelligenz - Der Computer soll nicht unbedingt perfekt sein um auch dem Menschen Chancen zu lassen. 4. Aus 2. und 3. Kombiniert: Möglicher Einstellbarer Schwierigkeitsgrad.
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IV. Programmierung
Ansatz über Elimination durch Dominanz (MinMax)
Würde eine Berechnung der zu Spielenden Position über MinMax erfolgen, so würden 3 der 4 Punkte nicht erfüllt:
Bei vollständiger Analyse sehr langsam (bis zu 42 Schritte müssen Simuliert und ausgewertet werden)
Der Computer wäre perfekt und es gäbe keinen "Schraubregler" an dem dies Reduziert werden kann.
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IV. Programmierung
Lösung: MinMax mit voreingestellter Tiefe
Die Nutzenfunktion wird von den Endzuständen auf sämtliche Positionen im Spielbaum erweitert. Dabei kann auch von der Ursprünglichen groben Bewertung in Gewinn / Unentschieden / Niederlage abgewichen werden.
Der MinMax Algorithmus sucht nun nicht mehr das Ganze Spiel ab sondern nur noch bis zur Festgelegten Tiefe.
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IV. Programmierung
Vorteile:
Durch Verringerung der Tiefe, verringert sich auch die Intelligenz des Computer sowie die Rechendauer.
Probleme
Das Verhältnis zwischen Rechendauer und Intelligenz noch nicht Optimal. Der MinMax Algorithmus ist noch zu ineffizient
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IV. Programmierung
Beispiel Minmax Auswertung
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IV. Programmierung
Alpha-Beta-Cut
Die modifizierte Version des Minmax Algorithmus: Alpha-Beta-Cut
Grundidee: Es Existieren Sicherheitsniveaus der Beiden Spieler zwischen denen nur die Werte der Suche interessant sind. Andere Werte können vernachlässigt werden.
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IV. Programmierung
Pseudocode: abMax(n, alpha, beta){ if(n=0) return wert() i:=1; while(i <= n) { w := si.abMin(n-1, alpha, beta); if( w >= beta) return beta; (bedingter Befehl 1) if(w > alpha) alpha := w; (bedingter Befehl 2) i++; } return alpha; } abMin(n, alpha, beta)
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IV. Programmierung
Lemma
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IV. Programmierung
Implementierung
Benutze Programmiersprache:
PHP (PHP: Hypertext Preprocessor)
Hauptsächliche Bewertungskriterien der Wertefunktion:
Füllung der Möglichen Viererblöcke: Punkte für Einer, Zweier, Dreierreihen.
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Vielen Dank für ihre
Aufmerksamkeit