이번에는 이전에 multiplex PCR의 primer 디자인을 하던 중 공부했던 휴리스틱 접근법에 대해 정리해보겠습니다.
우리는 문제를 해결할 때 종종 동적 계획법(DP)이나 분할 정복과 같은 완전 탐색 기반의 알고리즘을 사용합니다. 하지만 이러한 방법들은 실생활에서 적용하기엔 한계가 있습니다. 특히, 입력 크기가 크거나 최적의 분할 전략을 찾기 어려운 경우, 기존의 완전 탐색 방법은 비효율적일 수밖에 없습니다. 이럴 때 접근할 수 있는 방법이 휴리스틱 접근법입니다.
완전 탐색의 한계
예를 들어, 인공지능 체스 프로그램을 개발한다고 가정해 봅시다. 가장 먼저 떠올릴 수 있는 방법은 브루트 포스(Brute Force) 방식, 즉 가능한 모든 움직임을 시뮬레이션하는 것입니다. 하지만 체스의 경우 말의 움직임과 이동 가능한 칸이 너무 많아 단순한 완전 탐색으로는 현실적으로 실행할 수 없습니다.
- 체스에서 가능한 모든 경우를 탐색한다면 게임이 끝나지 않을 수도 있습니다.
- 분할 정복 기법을 적용하려 해도 적절한 분할 전략을 찾기 어렵습니다.
- 동적 계획법을 활용하려 해도, 메모리 사용량이 기하급수적으로 증가할 가능성이 높습니다.
결국, 모든 경우를 탐색하지 않고도 효과적인 답을 찾아낼 수 있는 전략이 필요합니다. 여기서 등장하는 것이 휴리스틱(heuristic) 알고리즘입니다.
휴리스틱 알고리즘이란?
휴리스틱(heuristics)은 시간이나 정보가 불충분한 상황에서 합리적인 판단을 내리기 위한 간편한 추론 방법입니다. 이를 통해 최적해를 찾지는 못하더라도 현실적으로 실행 가능한 해를 빠르게 도출할 수 있습니다.
휴리스틱 알고리즘의 특징
- 최적해를 찾을 가능성이 없는 답을 탐색에서 배제하여 계산량을 줄입니다.
- 문제의 특성을 활용하여 탐색 공간을 줄이는 방식으로 설계됩니다.
- 하지만 최적해를 보장하지 않으며, 항상 좋은 해를 찾는 것도 아닙니다.
휴리스틱 관련 기법
1. 가지치기 (Pruning)
가지치기는 탐색 과정에서 최적해로 연결될 가능성이 없는 경우를 미리 제거하는 기법입니다. 이를 통해 탐색해야 할 경로의 수를 줄여 계산 속도를 높입니다.
- 어떤 경로를 탐색 중인데, 현재까지의 길이가 이미 기존의 최단 거리보다 길다면 더 이상 탐색하지 않고 중단하는 방식.
- 목적지까지의 경로를 추정해 보았을 때, 현재 경로가 최적해보다 좋을 가능성이 없다면 탐색을 종료.
가지치기 기법을 효과적으로 활용하려면 최적해의 상한을 빠르게 찾아내는 것이 중요합니다.
2. Simulated Annealing
Simulated Annealing은 물리학의 볼츠만 분포를 활용하여 최적해를 탐색하는 휴리스틱 알고리즘입니다.
- 초기에는 다양한 가능성을 시도하다가, 점차 탐색 범위를 줄여 최적해에 가까운 해를 찾아가는 방식.
- 머신러닝 및 최적화 문제에서도 자주 사용됩니다.
3. 유전 알고리즘 (Genetic Algorithms)
유전 알고리즘(GA, Genetic Algorithm)은 자연 선택과 진화의 개념을 적용하여 최적해를 찾는 방법입니다.
- 여러 개의 해를 생성한 뒤, 이 중 가장 적합한 해를 선택하여 새로운 해를 만들어가는 방식.
- 돌연변이(Mutation)와 교차(Crossover) 과정을 통해 해를 지속적으로 개선.
- 인공지능과 최적화 문제에서 활용됩니다.
이와 같은 고급 휴리스틱 방법들은 머신러닝과도 연관이 깊으며, 실제 응용 사례가 많습니다.
그리디 알고리즘과 휴리스틱 접근법 차이
그리디 알고리즘은 “명시적인 규칙과 증명된 조건”에 따라 각 단계에서 최적의 선택을 반복해 전체 최적해를 구하려는 접근입니다. 특정 문제(예: MST, 활동 선택)에서는 이 방식이 성공적으로 최적해를 찾습니다.
휴리스틱은 “문제 특성, 경험적 방법, 제한된 시간/자원”을 고려하여, 완전 탐색이나 정형화된 접근으로는 해결이 힘든 복잡한 문제에서 타협안에 가까운 해를 최대한 빠르게 찾아내는 방법입니다. 항상 최적해를 보장하지 않지만, 실제 응용에서 자주 쓰이며, 특별한 이론적 제약 없이 문제를 효율적으로 단순화하고 탐색 공간을 줄이는 데 목적이 있습니다.
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