Lösen eines Zauberwürfels mit überwachtem Lernen – intuitiv und ausführlich erklärt

Ein beliebtes Spielzeug in einer schönen neuen Welt

Solving a Rubik's Cube with Deep Learning

Einen Zauberwürfel mit Deep Learning lösen

A step-by-step guide to building a model that can solve a Rubik's Cube

Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Erstellen eines Modells, das einen Zauberwürfel lösen kann

Daniel Warfield

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Towards Data Science

Auf dem Weg zur Datenwissenschaft

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In this article we’ll build a deep learning model that can solve a Rubik's Cube. We’ll define our own dataset, make a transformer style model that can learn based on that dataset, and use that model to solve new and randomly shuffled Rubik's Cubes.

In diesem Artikel erstellen wir ein Deep-Learning-Modell, das einen Zauberwürfel lösen kann. Wir definieren unseren eigenen Datensatz, erstellen ein Modell im Transformer-Stil, das auf der Grundlage dieses Datensatzes lernen kann, und verwenden dieses Modell, um neue und zufällig gemischte Zauberwürfel zu lösen.

In tackling this problem we’ll discuss practical problems which come up frequently in data science, and the techniques data scientists use to solve those problems.

Bei der Lösung dieses Problems besprechen wir praktische Probleme, die in der Datenwissenschaft häufig auftreten, und die Techniken, die Datenwissenschaftler zur Lösung dieser Probleme verwenden.

Who is this useful for? Anyone interested in achieving mastery of modern AI.

Für wen ist das nützlich? Jeder, der daran interessiert ist, die moderne KI zu beherrschen.

How advanced is this post? This post covers advanced modeling strategies intuitively, and is appropriate for readers of all levels.

Wie fortgeschritten ist dieser Beitrag? Dieser Beitrag behandelt fortgeschrittene Modellierungsstrategien intuitiv und ist für Leser aller Niveaus geeignet.

Pre-requisites: There are no prerequisites for this article, though an understanding of transformer style models may be useful for some of the later, code heavy sections.

Voraussetzungen: Für diesen Artikel gibt es keine Voraussetzungen. Für einige der späteren, codeintensiven Abschnitte kann ein Verständnis der Transformer-Stilmodelle jedoch hilfreich sein.

References: A link to the code and supporting resources can be found in the reference section at the end of this article.

Referenzen: Einen Link zum Code und zu unterstützenden Ressourcen finden Sie im Referenzabschnitt am Ende dieses Artikels.

Defining a Rubik's Cube as a Modeling Problem

Einen Zauberwürfel als Modellierungsproblem definieren

As you likely know, the Rubik's Cube is a geometric game featuring a 3x3x3 cube with different colored squares on each of its six faces. The goal of the game is to manipulate the cube in order to return it to its original state, with each face displaying a single, uniform color.

Wie Sie wahrscheinlich wissen, ist der Zauberwürfel ein geometrisches Spiel mit einem 3x3x3 großen Würfel mit verschiedenfarbigen Quadraten auf jeder seiner sechs Seiten. Das Ziel des Spiels besteht darin, den Würfel so zu manipulieren, dass er in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt wird, wobei jede Seite eine einzige, einheitliche Farbe aufweist.

We can define a Rubik's Cube in terms of a sequence of moves. Each move corresponds to a 90-degree rotation of one of the cube's six faces. We can represent a move using a single character, where F corresponds to a clockwise rotation of the front face, B corresponds to a clockwise rotation of the back face, L corresponds to a clockwise rotation of the left face, R corresponds to a clockwise rotation of the right face, U corresponds to a clockwise rotation of the upper face, and D corresponds to a clockwise rotation of the lower face.

Wir können einen Zauberwürfel als eine Folge von Zügen definieren. Jede Bewegung entspricht einer 90-Grad-Drehung einer der sechs Seiten des Würfels. Wir können eine Bewegung mit einem einzelnen Zeichen darstellen, wobei F einer Drehung der Vorderseite im Uhrzeigersinn entspricht, B einer Drehung der Rückseite im Uhrzeigersinn, L einer Drehung der linken Fläche im Uhrzeigersinn und R einer Drehung im Uhrzeigersinn der rechten Fläche entspricht U einer Drehung der oberen Fläche im Uhrzeigersinn und D einer Drehung der unteren Fläche im Uhrzeigersinn.

For example, the sequence of moves "FRUR'D'" corresponds to a clockwise rotation of the front face, followed by a clockwise rotation of the right face, followed by a counter-clockwise rotation of the upper face, and finally followed by a counter-clockwise rotation of the lower face.

Beispielsweise entspricht die Bewegungsfolge „FRUR'D‘“ einer Drehung der Vorderseite im Uhrzeigersinn, gefolgt von einer Drehung der rechten Fläche im Uhrzeigersinn, gefolgt von einer Drehung der Oberseite gegen den Uhrzeigersinn und schließlich gefolgt von a Drehung der Unterseite gegen den Uhrzeigersinn.

We can use this notation to define any possible state of a Rubik's Cube. For example, the starting state of a Rubik's Cube can be represented by the following sequence of moves:

Mit dieser Notation können wir jeden möglichen Zustand eines Zauberwürfels definieren. Beispielsweise kann der Ausgangszustand eines Zauberwürfels durch die folgende Abfolge von Zügen dargestellt werden:

```

„

UUUUUUUUURRRRRRRRRFFFFFFFFFDDDDDDDDDLLLLLLLLLLBBBBBBBBB

UUUUUUUUURRRRRRRRRFFFFFFFFDDDDDDDDDLLLLLLLLLLBBBBBBBBB

```

„

This sequence of moves corresponds to the following sequence of rotations:

Diese Bewegungsabfolge entspricht der folgenden Rotationsabfolge:

```

„

U -> R -> U -> R -> U -> R -> U -> R -> U -> U -> U -> U -> U -> U -> U

U -> R -> U -> R -> U -> R -> U -> R -> U -> U -> U -> U -> U -> U -> U

```

„

We can apply this sequence of rotations to a scrambled Rubik's Cube in order to return it to its starting state.

Wir können diese Rotationsfolge auf einen durcheinandergebrachten Zauberwürfel anwenden, um ihn in seinen Ausgangszustand zurückzubringen.

We can now define the modeling problem as follows: given a scrambled Rubik's Cube, we want to predict the sequence of moves that will return the cube to its starting state.

Wir können das Modellierungsproblem nun wie folgt definieren: Bei einem durcheinandergebrachten Zauberwürfel wollen wir die Abfolge von Bewegungen vorhersagen, die den Würfel in seinen Ausgangszustand zurückbringen.