Künstliche Intelligenz am Zug: Können Programme gegen menschliche Spieler gewinnen?

Transkript

1 Liebe Kinder, mir hat die Vorlesung mit euch viel Spaß gemacht. Da nicht alles, was ich gesagt und vorgeführt habe, auf den Folien zu finden ist, füge ich ein paar erläuternde Sprechblasen hinzu. Hier erfahrt ihr z.b. die Lösungen zu den Quizfragen, die ihr in Vorlesung mit den Antwortkarten beantwortet habt. Künstliche Intelligenz am Zug: Können Programme gegen menschliche Spieler gewinnen? Christoph Schlieder Vorlesung im Rahmen der Kinderuniversität Bamberg, den 25. November 2017 (CC BY-SA 4.0) Schlieder 1

2 Computerspiele (CC BY-SA 4.0) Schlieder (CC 0) commons.wikimedia.org 2017 Minecraft im Creative-Modus 1972 Pong: das erste Videospiel Spielen ohne Spielziel, kaum Regeln und kein Wettbewerb Spielen nach Regeln gegen einen anderen Spieler 2

3 PC, Smartphone, Spielkonsole Technik Ein PC, aber auch ein Smartphone und eine Spielkonsole, sind nichts anderes als ein Rechner. Ein Rechner (= Computer) ist eine Maschine, die ein Programm ausführen kann. Zum Beispiel Minecraft oder ein anderes Spielprogramm CC BY-SA 4.0 Santeri Viinamäki commons.wikipedia.org 3

4 Kurz gefragt Wir probieren die Antwortkarten aus: Welche Aussage stimmt? GRÜN GELB ROT Ein Smartphone ist kein Rechner, weil man damit telefonieren kann. Ein Smartphone ist kein Rechner, weil es kleiner ist als ein PC. Ein Smartphone ist ein Rechner, weil es Programme ausführen kann. Die richtige Antwort lautet ROT. 4

5 Auf dem Rechner spielen Das kann heißen: Auf dem PC oder Smartphone läuft ein Spiel, das ich gegen Freunde spiele, die neben mir sitzen oder online mit dem Spiel verbunden sind (CC BY-SA 4.0) Schlieder Smartphone-Spiel Clash Royale im Einzelkampfmodus 5

6 Menschliche Spielgegner Spiele-PC Spiel-Server INTERNET Ich Spielgegner im gleichen Zimmer Ich Spielgegner an anderem Ort (CC0 1.0) openclipart.org 6

7 Auf dem Rechner spielen Das kann auch heißen: Auf dem PC oder Smartphone läuft ein Spiel, in dem ich gegen einen künstlich intelligenten Gegner antrete (CC BY-SA 4.0) Schlieder PC-Spiel Need for Speed im Solo-Lobby-Modus 7

8 Programme als Spielgegner Schere, Stein, Papier Wir wählen einen Spielzug. Gleichzeitig wählt das Programm einen Spielzug Und zeigt das Spielergebnis. (CC BY-SA 3.0) Enzoklop commons.wikipedia.org 8

9 Kurz gefragt Abstimmung: Was sollen wir bei Schere-Stein-Papier spielen? Hier wurde in der Vorlesung ein Programm gestartet GRÜN Schere GELB ROT Stein Papier Spielprogramm starten Eine richtige Antwort gibt es nicht. Wir haben hier über den nächsten Zug abgestimmt. 9

10 Kurz gefragt Wir haben jedes Mal verloren. Abstimmung: Ist das Schere-Stein-Papier-Spiel fair? GRÜN GELB ROT Fair, ich kann gegen das Programm gewinnen. Das kann ich nicht beurteilen. Unfair, das Programm mogelt. Ich kann nie gewinnen. Die meisten haben mit ROT geantwortet. Einige mit GELB. Die Antwort findet sich auf der nächsten Folie. 10

11 Fairness Richtig: Das kann ich nicht beurteilen Denn dazu müssten wir uns das Programm ansehen Oder das Verhalten über viel längere Zeit beobachten Hier auch richtig: Unfair, das Programm mogelt. In diesem Fall (ich kenne das Programm) ist das Programm unfair: Wenn wir Schere eingeben, antwortet es mit Stein usw. 11

12 Fairness durch vollständige Information Keine Geheimnisse Der künstlich intelligente Gegner soll keine Information über das Spielgeschehen haben, die wir nicht auch haben. Umgekehrt natürlich auch nicht. (CC BY-SA 4.0) Schlieder Mühlespiel: Ich sehe alle für das Spiel bedeutsame Information. Mein Gegner auch. 12

13 Spiele, die wir betrachten Eigenschaften Es gibt Spielziel und Regeln. Das Spiel ist ein Wettbewerb zwischen zwei Spielern. Alles liegt offen. Es gibt keine geheime Spielinformation! (CC BY-SA 4.0) Schlieder Schachspiel: Weiß zieht und gewinnt mit einem Zug 13

14 Eine Maschine spielt Schach Vor fast 250 Jahren Im Schachautomaten ist ein menschlicher Spieler versteckt. Der Mensch muss ein intelligenter Schachspieler sein, sonst verliert der Automat. (CC 0) commons.wikimedia.org Von Kempelens Schachautomat 14

15 Schachcomputer Vor fast 40 Jahren In diesem Schachcomputer findet sicher kein Mensch Platz. Hier spielt ein Programm! (CC 0) commons.wikimedia.org Schachcomputer Tandy Radio Shack

16 Ein schwieriges Wort: ALGORITHMUS Was ist ein Algorithmus? Ein (Rechen-)Verfahren, mit dem wir oder ein Rechner die Lösung eines Problems bestimmen können. Hier: ein Verfahren, mit dem sich aus der aktuellen Spielsituation der nächste Spielzug bestimmen lässt. 16

17 Algorithmus und Programm Was ist ein Programm? Ein Algorithmus, der in einer Programmiersprache aufgeschrieben wurde und in eine Form gebracht wurde, die auf einem Rechner laufen kann. Der gleiche Algorithmus kann in verschiedenen Programmiersprachen aufgeschrieben werden. 17

18 Ein Spiel, mit vielen Namen Drei gewinnt Tic-Tac-Toe Kreis und Kreuz OXO Dodelschach (CC BY-SA 3.0) Thomas Steiner commons.wikipedia.org 18

19 Drei gewinnt X X O X O X (CC BY-SA 4.0) Schlieder Unser Gegner X beginnt. Wir antworten mit O. Unser Gegner zieht. 19

20 Drei gewinnt O O X X O O X X X O O O X X X (CC BY-SA 4.0) Schlieder Wir ziehen. Unser Gegner zieht. Wir ziehen. 20

21 Drei gewinnt O X O O X X Unser Gegner zieht. X O X O O X X O Wir ziehen und gewinnen! X (CC BY-SA 4.0) Schlieder 21

22 Ein Algorithmus als Gegner Ziel Der Algorithmus beginnt. Er soll das Drei-Gewinnt-Spiel möglichst gewinnen, auf keinen Fall aber verlieren. Eingabe Das Spielfeld mit den bereits markierten Feldern Ausgabe Das nächste Feld, auf das X geschrieben werden soll 22

23 Ein Algorithmus als Gegner Wie schreiben wir das auf? Der Algorithmus besteht aus einer Folge von Anweisungen für die Spielzüge nach folgendem Muster: wenn <die folgende Spielsituation vorliegt> dann <führe diesen Zug aus> sonst <führe jenen Zug aus> 23

24 Algorithmus für Drei-gewinnt: 1. Zug Schreibe ein X in eines der vier Eckfelder. 24

25 Kurz gefragt Abstimmung: Mit welchem Zug sollen wir antworten? A1 A2 A3 Hier wurde in der Vorlesung ein Programm gestartet B1 B2 B3 C1 C2 C3 Eine richtige Antwort gibt es nicht. Wir haben hier über den nächsten Zug abgestimmt. (CC BY-SA 4.0) Schlieder 25

26 Algorithmus für Drei-gewinnt: 2. Zug wenn der Gegner das gegenüberliegende Eckfeld nicht besetzt hat dann schreibe X in dieses Eckfeld sonst schreibe X in ein anderes Eckfeld 26

27 Algorithmus für Drei-gewinnt: 3. Zug wenn zwei X und ein Leerfeld in einer Reihe liegen dann schreibe X in das Leerfeld sonst wenn zwei O und ein Leerfeld in einer Reihe liegen dann schreibe X in das Leerfeld sonst schreibe X in ein freies Eckfeld 27

28 Algorithmus für Drei-gewinnt: 4. Zug wenn zwei X und ein Leerfeld in einer Reihe liegen dann schreibe X in das Leerfeld sonst wenn zwei O und ein Leerfeld in einer Reihe liegen dann schreibe X in das Leerfeld sonst schreibe X in ein freies Eckfeld 28

29 Algorithmus für Drei-gewinnt: 5. Zug Schreibe X in das letzte noch freie Feld 29

30 Fragen zum Nachforschen Könnten wir gegen den Algorithmus gewinnen? Nein, der Algorithmus spielt mindestens unentschieden. Woher weiß ich das? Die Antwort folgt! Gibt es einen Algorithmus, der immer gewinnt? Nein, es gibt keinen solchen Algorithmus. Woher weiß ich das? Die Antwort folgt! 30

31 Kurz gefragt Ist der Algorithmus ein intelligenter Drei-gewinnt-Spieler? GRÜN GELB ROT Nein, denn er befolgt nur Regeln. Das ist für mich nicht intelligent. Der Algorithmus ist kein intelligenter Spieler, sondern der, der ihn aufgeschrieben hat. Ja, denn er kann nie verlieren. Das verstehe ich unter einem intelligenten Spieler. Auf diese Frage kann man verschieden antworten. Es gibt keine richtige Antwort. Auch Wissenschaftler vertreten hier verschiedene Standpunkte. 31

32 Wie lösen wir unsere Forschungsfragen? Vereinfachen! Das Drei-Gewinnt-Spiel ist zu kompliziert. Wir können uns nicht schnell einen vollständigen Überblick über alle Spielsituationen verschaffen. Es gibt fast verschiedene Spielsituationen.. Wir betrachten deshalb ein noch einfacheres Spiel. 32

33 Das NIM-Spiel 8er-NIM Es liegen 8 Spielmarken auf dem Tisch. Der Spielgegner beginnt. Spielzüge Wer an der Reihe ist, nimmt 1, 2 oder 3 Spielmarken. Spielende Wer die letzte Spielmarke nimmt, gewinnt. 33

34 8er-NIM-Spiel Gegner Wir (CC0 1.0) openclipart.org 34

35 Noch einfacher: 4er-NIM 4 Marken liegen auf dem Tisch. Wie sollen wir spielen? GRÜN Ganz gleich, was der Gegner tut, wir nehmen 1 Spielmarke. GELB Wenn der Gegner 3 Marken nimmt, nehmen wir 1, wenn er 2 nimmt, dann 2, sonst 3 Marken. ROT Wir nehmen so viele Marken, dass sie zusammen mit den vom Gegner genommenen 4 ergeben. GELB ist richtig. ROT drückt das Gleiche aus und ist ebenfalls richtig. 35

36 Wie kommt ein Algorithmus auf die Lösung? Ausprobieren aller möglichen Züge 1. Zug: Der Gegner hat 3 Züge: 1, 2 oder 3 Marken Schreibe die entstehenden Spielsituationen auf. 2. Zug: Je nach Spielsituation haben wir 1, 2 oder 3 Züge Schreibe die entstehenden Spielsituationen auf. Und so fort bis überall das Spielende erreicht ist 36

37 Die Animation führt vor, wie der Algorithmus vorgeht. Gegner zieht (CC BY-SA 4.0) Schlieder 37

38 Die Animation führt vor, wie der Algorithmus vorgeht. Gegner zieht Wir ziehen Gewinn Gewinn Gewinn (CC BY-SA 4.0) Schlieder 38

39 Die Animation führt vor, wie der Algorithmus vorgeht. Gegner zieht Wir ziehen Gewinn Gewinn Gewinn Gegner zieht Verlust Verlust Verlust (CC BY-SA 4.0) Schlieder 39

40 Die Animation führt vor, wie der Algorithmus vorgeht. Gegner zieht Wir ziehen Gewinn Gewinn Gewinn Gegner zieht Gewinn Verlust Verlust Verlust Wir ziehen (CC BY-SA 4.0) Schlieder 40

41 Die Animation führt vor, wie der Algorithmus vorgeht. Gewinn Gegner zieht Gewinn Gewinn Gewinn Wir ziehen Verlust Verlust Gewinn Gewinn Gewinn Gegner zieht Gewinn Gewinn Verlust Verlust Verlust Wir ziehen (CC BY-SA 4.0) Schlieder 41

42 Die Animation führt vor, wie der Algorithmus vorgeht. Gewinn Gegner zieht Gewinn Gewinn Gewinn Wir ziehen Verlust Verlust Gewinn Gewinn Gewinn Gegner zieht Gewinn Gewinn Verlust Verlust Verlust Wir ziehen (CC BY-SA 4.0) Schlieder 42

43 Unsere besten Züge im 4er-NIM Wir nehmen 3. Wir nehmen 2. Wir nehmen 1. Zugtabelle für das 4er-NIM 43

44 Ein Algorithmus für Spiele Probiere alle Spielzüge bis zum Spielende aus. Bestimme für jede Spielsitutation, ob ein Gewinn möglich ist, oder ein Verlust droht. Erstelle eine Tabelle, die für jede Spielsituation, den besten Zug verzeichnet. 44

45 Der Minimax-Algorithmus Der Algrithmus funktioniert für beliebige der von uns betrachteten Spiele (2 Spieler,...). Er garantiert, dass in der Zugtabelle die jeweils besten Züge stehen. Er hat sogar einen Namen: MINIMAX-Algorithmus. 45

46 Unsere besten Züge für das 8er-NIM Wir nehmen 3. Wir nehmen 2. Wir nehmen 1. (CC BY-SA 4.0) Schlieder Gegner kann gewinnen! Wir nehmen 3. Wir nehmen 2. Wir nehmen 1. 46

47 Minimax und das 8er-NIM Die Zugtabelle hat 7 Einträge. Wenn wir nach ihr spielen, werden wir immer gewinnen. Der Gegner, der beginnt, hat keine Chance. 47

48 Minimax und Drei-gewinnt Die Zugtabelle enthält fast Spielsituationen. Drei-gewinnt ist ein unentschiedenes Spiel: weder X noch O können den Gewinn erzwingen. Unentschiedene Spiele sind interessant, weil beide Seiten eine Chance haben. 48

49 Anwort auf unsere Forschungsfragen Können wir den Drei-Gewinnt-Algorithmus besiegen? Nein, denn dessen Züge stammen aus der vom Minimax- Algorithmus berechneten Zugtabelle. Gibt es einen Algorithmus, der immer gewinnt? Nein, denn der Minimax-Algorithmus zeigt, dass die Ausgangsitutation unentschieden ist. 49

50 Weitere Spiele: Mühle Minimax-Algorithmus Über 9 Milliarden Spielsituationenen Mühle ist ein unentschiedenes Spiel Berechnung vor mehr als 20 Jahren von Ralph Gasser (CC BY-SA 4.0) Schlieder Weiß ist am Zug und kann in 187 Zügen gewinnen. 50

51 Weitere Spiele: Dame Minimax-Algorithmus Die Zahl der Spielsituationen ist eine 5 mit 20 Nullen. Dame ist ein unentschiedenes Spiel Berechnung 2007 von Jonathan Schaeffer und Mitarbeiterm 51

52 Schach Minimax Der Algorithmus kann nicht mehr alle Züge ausprobieren. Er muss lernen, Situationen zu bewerten. Schachprogramm Vor 20 Jahren wird der Schachweltmeister Garri Kasparov vom Schachprogramm Deep Blue besiegt. (CC BY-SA 3.0) The Kasparov Agency commons.wikipedia.org 52

53 Go Minimax Hier muss ein anderer Algorithus verwendet werden. Auch dieser muss lernen, Situationen zu bewerten. Goprogramm 2016 wird der Profispieler Lee Sedol vom Programm Alpha Go besiegt. (CC BY-SA 3.0) Hoge Rielen commons.wikipedia.org 53

54 Zum Schluss: ganz andere Spiele? Wenn man Drei-gewinnt mit dem Smartphone auf einem Spielfeld in der Stadt spielt und die Regeln so ändert, dass die Spieler nicht auf den Gegner warten müssen, um zu ziehen, entsteht ein ganz neues Spiel: GeoTicTacToe. (CC BY-SA 4.0) Schlieder Seit 2004 entwickelt und erforscht die Kulturinformatik an der Universität Bamberg ortsbezogene Spiele (Geogames) 54

55 Zum Mitnehmen Intelligentes Spiel Ein Spieler spielt intelligent, wenn er, wann immer möglich auch gewinnt. Manche Spiele kann man nicht gewinnen z.b. 8er-NIM als Spieler, der anfängt gegen einen intelligenten Gegner 55

56 Zum Mitnehmen Ein Spiel heißt unentschieden wenn keiner der Spieler den Gewinn des Spiels erzwingen kann. Diese Spiele sind unentschieden: Drei-gewinnt, Mühle und Dame Für diese Spiele haben Spieleforscher mit dem Minimax- Algorithmus die Zugtabelle ermittelt. 56

57 Zum Mitnehmen Welche Spiele bereiten künstlich intelligenten Spielern Schwierigkeiten? Spiele, bei denen man die Zugtabelle nicht vollständig bestimmen kann: z.b. Schach und Go Warum benötigt ein Programm bei manchen Spielen viel Zeit, um einen Spielzug zu finden? Das Durchprobieren vieler Züge kostet viel Zeit. Aber: Programme können lernen, besser zu werden. Das nutzen die erfolgreichen Programme für Schach und Go. 57