Understanding AI search algorithms

Ein KI-Suchalgorithmus ist die Methode, um Abfragen in natürlicher Sprache zu verstehen und relevante Ergebnisse durch die Evaluierung von indexierten Daten und Dokumenten zu finden. Dafür wird eine Reihe möglicher Lösungen betrachtet, um die beste Antwort oder Lösung auf die gestellte Abfrage zu finden.

Stellen Sie sich vor, dass Sie eine auf künstlicher Intelligenz basierende Schach-App entwickeln, die den besten nächsten Zug vorhersagt. Damit Ihr KI-Suchalgorithmus den optimalen Zug ermitteln kann, muss er die verschiedenen Optionen evaluieren und dann entscheiden, welche die beste ist. Das bedeutet, dass die Position jeder Spielfigur systematisch bewertet und jede mögliche Kombination an Zügen durchgespielt wird, um die Taktik zu ermitteln, die Ihnen die größte Gewinnchance einräumt.

KI-Suchalgorithmen spielen in verschiedenen Bereichen eine entscheidende Rolle. Dies reicht von der Problemlösung im IT-Bereich bis hin zur komplexen Entscheidungsfindung in der Logistik. Ihre Vielseitigkeit macht diese Algorithmen unverzichtbar beim Bewältigen verschiedener Herausforderungen und Lösen wichtiger Probleme.

Beispielsweise ist die NASA in der Lage, Rover-Daten von der Mars-Mission mithilfe der KI-Suchalgorithmen in Elastic® zu analysieren. Auf diese Weise lassen sich wichtige Erkenntnisse gewinnen und komplexe Herausforderungen viel schneller bewältigen als bei der manuellen Analyse dieser Daten. Im Gesundheitssektor werden KI-Suchalgorithmen als Unterstützung für medizinische Diagnosen, die Behandlungsplanung und die Entdeckung von Arzneimitteln verwendet. Dies führt zu einer besseren diagnostischen Genauigkeit, effizienteren Behandlungsplänen und der Entwicklung neuer Therapien.

Diese Beispiele machen die Bedeutung und das Potenzial von KI-Algorithmen deutlich, aber die möglichen Anwendungsfälle gehen weit über diese Beispiele hinaus. Verschiedene Bereiche wie Finanzen, Produktion, Rechtsdienstleistungen und andere profitieren bereits von der neuen Fähigkeit, große Datenmengen zu verarbeiten und fundierte Entscheidungen zu treffen. Angesichts ihrer ständigen Weiterentwicklung werden KI-Algorithmen bald in allen Branchen eine immer wichtigere Rolle spielen und einen enormen Einfluss auf die Welt um uns herum ausüben.

Jeder KI-Suchalgorithmus kann in vier Elemente unterteilt werden: Zustände, Aktionen, Ziele und Pfadkosten. Dank dieser Struktur an Elementen kann der Algorithmus durch komplexe Problemräume navigieren, um optimale Lösungen zu finden.

Zustände sind eine Momentaufnahme des Problems zu einem bestimmten Zeitpunkt. Sie beinhalten alle relevanten Informationen über das Problem zu diesem Moment, damit der Algorithmus die aktuelle Situation einschätzen kann. Stellen Sie es sich wie ein Labyrinth vor: Jede Zug stellt einen anderen „Zustand“ in diesem Labyrinth dar. Wenn Sie den Zustand betrachten, wissen Sie, wo die KI im Algorithmus ist. 

Aktionen sind die möglichen Übergänge zwischen den Zuständen. Um bei dem Labyrinth-Vergleich zu bleiben: Die Aktionen sind die verfügbaren Richtungen, die zur Auswahl stehen. Indem Sie diese Aktionen kombinieren, können Sie die verschiedenen möglichen Pfade für die Durchquerung des Labyrinths ermitteln. 

Das Ziel ist der Endzweck des Suchprozesses. Bei der Suche wird dieses Ziel die beste und relevanteste Antwort auf die ursprüngliche Abfrage sein. Dies gibt dem Algorithmus eine klare Richtung vor, sodass sich seine Bemühungen darauf richten, die besten Ergebnisse zu finden. Beim Labyrinth-Beispiel wäre die Abfrage „Finde den besten Weg, um aus dem Labyrinth zu entkommen“ das Ziel. 

Pfadkosten sind der Kompromiss zwischen Präzision und Abruf für jeden Schritt bzw. jede Aktion auf dem Weg zur Beantwortung der Abfrage. Diese Kosten stellen den Aufwand oder die Ressourcen dar, die für jede spezielle Bewegung erforderlich sind. Die Kosten können dann von dem Algorithmus verwendet werden, um effiziente und ressourcenschonende Wege zu priorisieren.

NLP-Algorithmen sind ein wesentlicher Teil der Suche, weil sie die Lücke zwischen menschlicher Kommunikation und maschinellem Verständnis überbrücken. Mit ihrer Hilfe kann die KI verstehen, was von ihr verlangt wird, und liefert Ergebnisse, die für die Abfrage sachdienlich und kontextbezogen sind.

Mithilfe von NLP werden die Suchergebnisse besser auf die Absicht des Benutzer abgestimmt und der Algorithmus kann komplexe Abfragen verarbeiten, da er auch nuanciertere Anfragen versteht. Das liegt daran, dass er nicht nur die Stimmung erkennen und den Kontext verstehen, sondern auch die Sucherfahrung auf der Grundlage früherer Unterhaltungen mit dem Nutzer personalisieren kann.

Worteinbettungen
Eine der Möglichkeiten, wie ein Algorithmus mit Wörtern arbeiten kann, um Ähnlichkeiten zu finden, sind Worteinbettungen. Dabei werden Wörter und Assets als Vektoren dargestellt. Auf diese Weise werden unstrukturierte Daten wie Text und Bilder analysiert und in numerische Werte umgewandelt.

Ein bekanntes Beispiel hierfür ist Word2vec, ein Algorithmus, der sich Worteinbettungen aus einer großen Sammlung geschriebener Texte aneignet. Er analysiert dann den umgebenden Text, um die Bedeutung zu ermitteln und den Kontext zu verstehen. Ein weiteres Beispiel ist GloVe (Global Vectors for Word Representation). Auch dieser Algorithmus ist so geschult, dass er Verbindungen zwischen verschiedenen Wörtern herstellt, indem er sie in Abhängigkeit von ihrer semantischen Ähnlichkeit zuordnet.

Sprachmodelle
Es gibt auch Sprachmodelle, die große Datenmengen analysieren, um ganz präzise die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Wörtern in einer bestimmten Reihenfolge vorherzusagen. Einfach ausgedrückt handelt es sich um Algorithmen, die es der Such-KI nicht nur ermöglichen, zu verstehen, was wir sagen, sondern sie auch in die Lage versetzt, auf eine Weise zu antworten, die der Kommunikation zwischen Menschen entspricht.

Beispielsweise ist BERT (Bidirectional Encoder Representations from Transformers) ein beliebtes Sprachmodell, das in der Lage ist, komplexe und nuancierte Sprache zu verstehen, und dann für eine leistungsstarke semantische Suche und Beantwortung von Fragen verwendet werden kann.

kNN ist ein einfacher, aber vielseitiger KI-Suchalgorithmus, der zur Identifizierung der Datenpunkte („k“) verwendet wird, die einem neuen Datenpunkt am nächsten liegen. Mithilfe dieser „Nachbarn“ kann er dann die Klasse oder den Wert des neuen Datenpunkts vorhersagen. Oder einfach ausgedrückt: Er analysiert die neuen Daten und findet die vorhandenen Daten mit der größten Übereinstimmung.

Daher eignet er sich großartig dafür, Ergebnisse nach ihrer Relevanz zu sortieren, indem er ähnliche Bilder oder Videos vorschlägt oder auf der Grundlage früherer Einkäufe Produkte empfiehlt. 

Obwohl es sich um einen relativ einfachen und leicht verständlichen Algorithmus handelt, kann seine Ausführung teuer sein. Das ist insbesondere bei großen Datensätzen der Fall, weil er den Abstand zwischen den neuen Datenpunkten und allen vorhandenen Daten berechnen muss.

Anstatt mit kNN die größte Übereinstimmung zu finden, können Sie alternativ auch nach einer Übereinstimmung suchen, die für Ihre speziellen Anforderungen ausreicht. In diesem Fall sind Algorithmen für ungefähre nächste Nachbarn die beste Wahl. Das liegt daran, dass ANN-Algorithmen nach Daten suchen, die sehr nahe an der Abfrage dran sind, aber nicht unbedingt am allernächsten. Anstatt also jedes einzelne Datenelement akribisch zu analysieren, was zeit- und ressourcenintensiv sein kann, gibt sich ANN mit etwas zufrieden, das zwar nicht ganz so nah dran ist, aber relativ gesehen immer noch „nah genug“.

Der Vorteil dieses Vorgehens besteht darin, dass Sie eine viel schnellere und effizientere Ähnlichkeitssuche durchführen können. ANN ermittelt diese „nah genug“-Ergebnisse durch die Ableitung semantischer Beziehungen zwischen Inhalten und Daten.

Damit sich dieser Ansatz lohnt, müssen Sie einen Kompromiss bei der Genauigkeit akzeptieren, da nicht das nächste Ergebnis garantiert wird. ANN ist für die meisten Fälle eine großartige Lösung, wenn Sie jedoch die Garantie absoluter Genauigkeit benötigen, ist dies möglicherweise nicht die beste Option.

Uninformierte Suchalgorithmen (auch als blinde Suchalgorithmen bezeichnet) haben keine Informationen über den Suchraum. Sie beantworten die Abfrage systematisch, ohne Anleitung oder domänenspezifisches Wissen. Sie verlassen sich vollkommen auf die vorhandene Struktur des Suchraums, um die Lösung zu finden.

Es gibt verschiedene Arten von uninformierten Suchalgorithmen, aber die drei gängigsten sind Breadth-First-Suche (BFS), Deep-First-Suche (DFS) und Uniform-Cost-Suche (UCS).

Informierte Suchalgorithmen (auch bekannt als heuristische Suchalgorithmen) führen eine Art der Suche durch, die von zusätzlichen Informationen und domänenspezifischem Wissen geleitet wird. Im Gegensatz zur uninformierten Suche verwenden sie Heuristiken, d. h. Faustregeln und Schätzungen, die ihnen helfen, Pfade zu priorisieren und unnötige Erkundungen zu vermeiden.

Es gibt verschiedene Arten von informierten Suchalgorithmen, aber die gängigsten sind die gierige Best-First-Suche, die A*-Suche und die Balkensuche.

Wie bereits erwähnt werden KI-Suchalgorithmen in einer großen Vielzahl an Branchen für verschiedenste Aufgaben eingesetzt. Hier sind nur einige Beispiele aus der Praxis, bei denen sie eine große Wirkung entfaltet haben.

• Informationsabruf: NLP-Suchalgorithmen können Suchergebnisse aufwerten, da sie den Kontext und Ton einer Abfrage verstehen und so die nützlichsten Informationen abrufen können.

• Empfehlungen: kNN-Algorithmen werden oft verwendet, um Produkte, Filme oder Musik auf der Grundlage der Vorlieben und des vorherigen Verhaltens von Nutzern zu empfehlen.

• Spracherkennung: ANN-Algorithmen werden üblicherweise verwendet, um Muster in der Sprache zu erkennen. Das ist nützlich bei Dingen wie Sprache-zu-Text- und Spracherkennung.

• Medizinische Diagnosen: KI-Suchalgorithmen können dabei helfen, medizinische Diagnosen zu beschleunigen. Beispielsweise können sie mithilfe von riesigen Datensätzen an medizinischen Bildern trainiert werden und anhand von Bilderkennung Anomalien auf Fotos, Röntgenaufnahmen, CT-Scans usw. erkennen.

• Pfadfindung: Uninformierte Suchalgorithmen können helfen, den kürzesten Pfad zwischen zwei Punkten auf einer Karte oder in einem Netzwerk zu finden. Sie können beispielsweise den kürzesten Lieferweg für einen Fahrer ermitteln.

KI-Suchalgorithmen haben vielleicht verschiedene Branchen durch effiziente Problemlösung und Entscheidungsfindung revolutioniert, sie gehen jedoch auch mit Herausforderungen und Einschränkungen einher. Zum einen kann ihre Ausführung aufgrund der hohen Rechenkomplexität extrem teuer sein. Das liegt daran, dass sie riesige Mengen an Verarbeitungs-, Rechen- und Speicherressourcen zur Ausführung der Suche benötigen. Eine eingeschränkte Verfügbarkeit verringert ihre Effektivität.

Ein weiteres Problem ist, dass ein informierter Suchalgorithmus nur so gut sein kann wie die Heuristik, die er verwendet. Wenn die heuristische Funktion nicht genau ist, kann sie den Algorithmus auf den falschen Pfad führen und so suboptimale oder sogar falsche Lösungen liefern.

Außerdem wurden KI-Suchalgorithmen im Allgemeinen auf die Lösung bestimmter Problemarten ausgelegt, wie Pfadfindung und Erfüllung von Bedingungen. Das war für bestimmte Aufgaben nützlich, es bestehen jedoch immer noch Einschränkungen beim Umfang der Problemlösung, besonders wenn es um vielschichtigere Probleme geht. 

KI-Suchalgorithmen sind wichtige Tools beim Lösen komplexer moderner Probleme in einer Vielzahl verschiedener Bereiche. Ihre Diversität und Vielseitigkeit machen sie zu einem unerlässlichen Werkzeug für Aufgaben wie Pfadfindung, Planung und Machine Learning.

Während aktuell Branchen wie Robotik, Gesundheitswesen und Finanzen revolutioniert werden, gibt es noch viel mehr Potenzial. Die aktuellen Einschränkungen und Herausforderungen sind auch Möglichkeiten für die künftigen Fortschritte. Da die Leistung durch die Forschung ständig weiter verbessert wird, werden KI-Suchalgorithmen eine immer wichtigere Rolle bei der Lösung realer Probleme spielen und das Gesicht der Technologie verändern.

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