인공지능 입문: 탐색에서 학습까지

탐색에서 학습까지 — 문제를 표현하고 해법을 평가하는 방법

• 상태와 행동으로 작은 문제를 모델링합니다.
• 너비 우선 탐색을 코드로 구현합니다.
• 탐색과 지도학습의 차이, 평가 데이터의 역할을 설명합니다.

구성 요소	길찾기 예시
상태	현재 위치
행동	연결된 장소로 이동
목표 검사	목적지에 도착했는가?
비용	이동 횟수 또는 거리

같은 지도라도 최소 이동 횟수와 최소 거리는 서로 다른 목적입니다.

시작점은 A, 목표는 E입니다. 모든 간선의 비용이 같다면 최소 간선 수 경로를 찾을 수 있습니다.

1. 시작 노드를 큐에 넣고 방문했다고 표시합니다.
2. 큐의 앞에서 노드를 하나 꺼냅니다.
3. 목표라면 경로를 반환합니다.
4. 아직 방문하지 않은 이웃을 큐의 뒤에 추가합니다.

방문 표시는 큐에 추가할 때 합니다. 순환 그래프에서도 같은 노드를 반복해서 넣지 않습니다.

from collections import deque


def shortest_path(graph, start, goal):
    queue = deque([start])
    parent = {start: None}
    while queue:
        node = queue.popleft()
        if node == goal:
            path = []
            while node is not None:
                path.append(node)
                node = parent[node]
            return path[::-1]
        for neighbor in graph.get(node, []):
            if neighbor not in parent:
                parent[neighbor] = node
                queue.append(neighbor)
    return None

deque의 앞쪽 제거와 뒤쪽 추가를 사용합니다. Python 문서

graph = {"A": ["B", "C"], "B": ["D"], "C": ["E"]}
assert shortest_path(graph, "A", "E") == ["A", "C", "E"]
assert shortest_path(graph, "A", "A") == ["A"]
assert shortest_path(graph, "D", "E") is None

• B에서 A로 돌아가는 간선을 추가해도 종료할까요?
• 모든 간선의 비용이 다르면 최소 비용 경로가 보장될까요?
• 이웃의 순서가 바뀌면 같은 길이의 경로 중 선택 결과가 달라질까요?

관점	탐색	지도학습
주어진 정보	상태·행동·목표	입력과 정답의 예시
구하는 것	목표까지의 경로	새 입력을 예측하는 함수
예시	지도에서 경로 찾기	이메일의 스팸 여부 분류
확인할 것	해의 정확성·비용	보지 못한 데이터의 성능

하나의 AI 시스템에서도 탐색과 학습을 함께 사용할 수 있습니다.

회귀 문제에서 예측값 $\hat{y}_i$와 실제값 $y_i$의 차이를 측정하는 한 가지 방법은 평균제곱오차입니다.

$$\operatorname{MSE} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}(y_i - \hat{y}_i)^2$$

실제값이 [2, 4], 예측값이 [1, 5]이면 MSE는 1입니다.

작은 학습 오차만으로 새 데이터에서의 성능을 보장할 수는 없습니다.

• 학습 데이터로 모델을 학습합니다.
• 검증 데이터 또는 교차검증으로 모델 설정을 비교합니다.
• 최종 테스트 데이터는 마지막 평가를 위해 남겨 둡니다.
• 전처리도 학습 데이터에서 학습하고, 검증·테스트 데이터에 적용합니다.

데이터의 시간 순서나 동일 대상의 반복 관측을 무시하면 평가 결과가 과도하게 좋아질 수 있습니다.

scikit-learn 교차검증 안내

1. BFS에서 큐 대신 스택을 사용하면 탐색 순서는 어떻게 달라질까요?
2. 방문 표시를 하지 않는 경우 어떤 그래프에서 문제가 생길까요?
3. 테스트 점수를 보면서 모델을 계속 고르면 평가의 의미가 어떻게 달라질까요?

참고 자료

• Python: collections.deque
• scikit-learn: 교차검증과 데이터 분리
• SuanLab 머신러닝 강의
• SuanLab 딥러닝 강의