【G検定】モンテカルロ法とブルートフォース

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詳細な知識や実装は試験には必ずしも必須ではありませんが、試験対策として理解を深めたい方はぜひ最後までご覧ください。

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モンテカルロ法

モンテカルロ法とはシミュレーションや数値計算を乱数を用いて行う手法の総称。囲碁や将棋などにおいては、ゲームがある局面まで進んだら、あらかじめ決められた方法でゲームの局面のスコアを評価するという方法を完全に放棄する。その代わりに、コンピュータが2人の仮想的なプレーヤーを演じて、完全にランダムに手を指し続ける方法でゲームをシミュレーションし終局させてしまうことをプレイアウトという。どの方法が一番勝率が高いか計算でき、ゲームのスコアを評価できる。

モンテカルロ法は、ランダムサンプリングを使用して数値結果を推定する計算手法です。物理学、工学、金融、コンピューターサイエンスなど、さまざまな分野の問題を解決するために一般的に使用されています。この方法では、ランダムな入力値またはパラメーターを生成し、これらの値を使用して、調査対象のシステムまたはプロセスをシミュレートします。このプロセスを何度も繰り返すことで、システムの予想される結果または動作の近似値を得ることができます。通常、結果の精度は、シミュレーションの数が増えるにつれて向上します。モンテカルロ法は、偶然と確率のゲームで知られるモナコの有名なモンテカルロカジノにちなんで名付けられました。

囲碁や将棋などにおいて、与えられたボード構成で可能な最初の一連の合法的な動きを収集し、エンドゲーム状態に達するまでそれらの動きをランダムに実行します。これらのプレイアウトの結果は、どの動きが勝利につながる可能性が高いかについての新しい情報でツリーを更新するために使用されます。このプロセスは、最良の手が決定されるまで繰り返されます

メリット

評価関数を必要とせずに問題を解決するために使用できます。囲碁や将棋などにおいては、まだ終了状態に達していないゲームでどちらのプレーヤーが勝つかを判断することができます。モンテカルロ法はパスをランダムに選択し、各パスのコストを評価してコストが最も低いパスを見つけます。この方法は革新的なアルゴリズムとして最初に導入された 2006 年以来、コンピューターの Go で使用されています。

デメリット

モンテカルロ法を用いるためには事前情報が必要であり、必要なシミュレーションの数も多いため、計算コストが高くなる可能性があります。基礎となる仮定が正しくないか不完全な場合、モンテカルロ法は正確な結果を生成できない場合があります。

ブルートフォース

力任せで総当たり攻撃すること。可能な組合せを全て試すやり方。人間の思考方法とは違ってブルートフォース（力任せ）で押し切る方法のため、探索しなければならない組み合わせの数が増えると、立ち行かなくなるためしばらくは囲碁でプロに勝てなかった。ディープラーニングの技術を使って人間の思考方法をコンピュータで実現し人間のプロ棋士に勝利した。

ブルートフォース検索は、コンピューターサイエンスや数学で使用される方法で、正しい解が見つかるまで可能な限りすべての入力の組み合わせを試すことによって、問題の解を見つけます。これは、問題を解決するために他の方法やアルゴリズムを適用できない場合の最後の手段としてよく使用されます。

ブルートフォース検索の背後にある考え方は、考えられるすべての解をチェックし、それが正しい解の基準を満たしているかどうかを確認することです。この方法は単純ですが、特に大規模な問題や多数の可能な解がある問題の場合は、非常に時間がかかる可能性があります。

コンピュータープログラミングでは、ループを使用して考えられるすべての入力の組み合わせを生成し、それぞれをチェックして正しい解の基準を満たしているかどうかを確認することで、ブルートフォース検索を実装できます。この方法は、暗号化でよく使用され、正しいキーが見つかるまで可能なすべてのキーを試します。

ブルートフォース検索が常に問題を解決する最も効率的な方法であるとは限らず、より迅速に解決策を見つけるために使用できるより良い方法がしばしばあることに注意することが重要です。ただし、他の方法が利用できない特定の状況では、それらが役立つ場合があります。

使用例

ブルートフォース検索は、実装コストは候補となる解の数に比例します。多くの実際の問題では、問題のサイズが大きくなるにつれて急速に増加する（組み合わせ爆発）傾向があります。問題のサイズが限られている場合、またはソリューション候補のセットを管理可能なサイズに縮小するために使用できる問題固有のヒューリスティックがある場合に使用されます。

ブルートフォース検索アプリケーションの例を次に示します。

パスワードクラッキング: このアプリケーションでは、ブルートフォースアルゴリズムを使用して、正しいパスワードが見つかるまで可能な限りすべての文字の組み合わせを試行してパスワードを推測します。
暗号解析: ブルートフォースアルゴリズムを使用して、正しい鍵が見つかるまで可能なすべての鍵を試すことにより、暗号コードを破ることができます。
巡回セールスマン問題: この問題では、セールスマンが一連の都市を訪れ、各都市を 1 回だけ訪れて最初の都市に戻る最短ルートを見つけなければなりません。ブルートフォースアルゴリズムを使用して、考えられるすべてのルートをチェックし、最短ルートを見つけることで、この問題を解決できます。
充足可能性問題: この問題の目標は、一連の制約を満たす解を見つけることです。ブルートフォースアルゴリズムを使用して、解決策が見つかるまで変数の値の可能な組み合わせをすべてチェックすることで、この問題を解決できます。
ボードゲーム: ブルートフォースアルゴリズムを使用して、チェスやチェッカーなどのゲームをプレイできます。考えられるすべての動きを体系的に試し、結果として生じるボードの状態を評価します。