Tiểu luận ỨNG DỤNG MỘT SỐ NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO ĐỂ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ BÀI TOÁN TRONG TIN HỌC VÀ ỨNG DỤNG GIẢI BÀI TOÁN 8 SỐ TRÊN MÁY TÍNH

Tiểu luận ỨNG DỤNG MỘT SỐ NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO ĐỂ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ BÀI TOÁN TRONG TIN HỌC VÀ ỨNG DỤNG GIẢI BÀI TOÁN 8 SỐ TRÊN MÁY TÍNH Giới thiệu đến bạn bài Tiểu luận về ứng dụng một số nguyên tắc sáng tạo để giải quyết vấn đề bài...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG

-

BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC

ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG MỘT SỐ NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO ĐỂ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ BÀI TOÁN TRONG TIN HỌC VÀ ỨNG DỤNG GIẢI BÀI

TOÁN 8 SỐ TRÊN MÁY TÍNH

GVHD: GS.TSKH Hoàng Văn Kiếm

Học viên thực hiện: Huỳnh Thị Mỹ Hồng

Mã số học viên: CH1101086

TP.HCM, năm 2012

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ KHOA HỌC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 4

1.1 Vấn đề khoa học 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Phân loại 4

1.1.3 Các tình huống vấn đề 5

1.2 Phương pháp giải quyết vấn đề theo khoa học về phát minh, sáng chế 7

1.2.1 Vepol 7

1.2.2 Phương pháp giải quyết vấn đề theo khoa học về phát minh, sáng chế 8 1.2.3 Một số thủ thuật, nguyên tắc về phát minh, sáng tạo 9

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ BÀI TOÁN TRONG TIN HỌC 21

2.1 Mục đích nghiên cứu giải quyết bài toán trong tin học 21

2.2 Các phương pháp thường dùng để giải quyết vấn đề bài toán trên máy tính 21

2.2.1 Phương pháp trực tiếp 21

2.2.2 Phương pháp gián tiếp hoặc tìm kiếm lời giải 24

2.2.3 Các phương pháp Heuristic 25

2.2.4 Các phương pháp trí tuệ nhân tạo 25

CHƯƠNG 3: LÝ THIẾT TRÒ CHƠI 8 SỐ 26

3.1 Tìm hiểu trò chơi 8 số 26

3.1.1 Mục đích giải quyết bài toán 8 số trên máy tính 26

3.1.2 Mô tả 28

3.1.3 Xác định trạng thái đích 29

3.2 Thuật toán tìm đáp án 30

3.2.1 Giới thiệu về A* 30

3.2.2 Chi tiết thuật toán A* 32

3.3 Cài đặt giải thuật 38

3.3.1 Cài đặt giải thuật 38

3.3.2 Hướng dẩn sử dụng 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

MỞ ĐẦU

Tất cả chúng ta công nhận rằng một nước muốn giàu có hùng mạnh không những chúng ta có nhiều tài nguyên khoáng sản, có nhiều ruộng đất, tiền của… mà điều quan trọng là để đất nước ta phát triển ta phải có nhiều người tài giỏi để phát hiện ra cái hay cái mới nâng cao dần sự hoàn thiện để

sự giàu có của con người và sự phồn vinh của xã hội Như ta đã biết Việt Nam đang gia nhập với các nước trên thế giới Nếu con ngưởi Việt Nam chỉ có cần

cù mà không thông minh và nếu chúng ta đi theo lối mòn kế thừa những cái

có sẵn thì chúng ta rất dễ bị lạc hậu

Tôi xin kể một câu chuyện như sau:

Ngày xưa, có một anh thanh niên khỏe mạnh ít học nhưng có sức khỏe rất cường tráng Một ngày nọ anh đi tìm việc làm và được một ông chủ khai thác gỗ nhận vào làm công việc khai thác gỗ Anh thanh niên rất mừng rỡ Anh được ông chủ phát cho một cái rìu

Hôm làm việc đầu tiên, anh thanh niên hăng hái vào rừng khai thác gỗ Anh khai thác được 14 góc gỗ Ông chủ rất hài lòng và khen anh ta Anh thanh niên rất vui mừng và nghỉ thầm ngày mai sẽ cố gắng hơn nữa

Ngày làm việc thứ hai, anh thanh niên thức sớm hơn ngày đầu và làm việc rất vất vả đến chiều Anh khai thác được 12 góc gỗ Để động viên được tinh thần làm việc của anh ta ông chủ vẫn khen anh ta Anh thanh niên thấy được lòng tốt của ông chủ và nguyện với lòng ngày mai sẽ cố gắng hơn ngày hôm trước:

Ngày làm việc thứ ba, anh thanh niên thức sớm hơn ngày làm việc thứ hai và làm việc cả ngày và không hề nghỉ trưa Kết quả hôm làm việc thứ ba anh đã cố gắng làm việc hơn hai ngày đầu nhưng kết quả chỉ được 11 góc gỗ Anh thanh niên rất buồn và nói với ông chủ rằng:

Từ câu chuyện của anh thanh niên ta rút ra được bài học là nghiên cứu sáng tạo ra cái mới là rất cần thiết cho mỗi con người chúng ta nói riêng và sự phát triển của xã hội nói chung

Theo Gaudin, chúng ta không thể bằng lòng với vốn kiến thức quá hạn hẹp thu nhận được trong những năm ngồi trên ghế nhà trường, mà phải học suốt đời, phải có đủ vốn kiến thức về phương pháp để tự mình học tập, nghiên

cứu suốt đời Có người đưa ra định nghĩa về cuộc đời như sau: “Cuộc đời là chuỗi đề cần giải quyết và chuỗi quyết định cần phải ra” Thật vậy mỗi ngày

chúng ta phải đối mặt biết bao vấn đề cần giải quyết Câu hỏi đặt ra rằng chúng ta phải giải quyết như thế nào để có hiệu quả nhất Một con người khôn ngoan sống lúc nào họ cũng muốn tiến dần đến sự hoàn thiện vì vậy họ luôn đầu tư, tìm tòi ra cái hay, cái mới

Ngày nay, nghiên cứu khoa học là một việc làm hết sức cần thiết đối với mỗi chúng ta và nó trở thành một hoạt động sôi nổi trên thế giới Tham gia nghiên cứu khoa học được xem là cống hiến lớn của nhân loại cho khoa học

và xã hội vì tất cả các cơ quan nhà nước luôn luôn đãi ngộ đối với những người đã cống hiến chất xám mình vào nghiên cứu khoa học Để nghiên cứu

khoa học được thành con người phải có một tri thức nhất định và nhiều tâm quyến để cần nghiên cứu sáng tạo Hiện nay, công nghệ thông tin là một ngành mũi nhọn, nó là chìa khóa để mở cửa cho tư duy và sáng tạo của con người

Qua bài thu hoạch này, em sẽ trình bày các suy nghĩ chủ quan của mình

về các thủ thuật, nguyên tắc về phát minh sáng tạo trong nghiên cứu khoa học

em cảm thấy ấn tượng nhất để có thể áp dụng vào trong đời sống hằng ngày

và trong ngành môn tin học của mình và cách giải bài toán trên máy tính Qua đây, em cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TSKH Hoàng Văn Kiếm, người đã tận tâm truyền đạt những kiến thức nền tảng cơ bản cho chúng em về môn học “Phương pháp nhiên cứu khoa học trong tin học” Bên cạnh đó cũng không thể không nhắc đến công lao trợ giúp không mệt mỏi của các chuyên gia cố vấn qua mạng thuộc Trung tâm phát triển CNTT – ĐH Quốc gia TP.HCM và toàn thể các bạn bè học viên trong lớp

CHƯƠNG 1 VẤN ĐỀ KHOA HỌC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

1.1 Vấn đề khoa học

1.1.1 Khái niệm

Vấn đề khoa học (scientific problem) cũng được gọi là vấn đề nghiên cứu (research problem) hoặc câu hỏi nghiên cứu là câu hỏi được đặt ra khi người nghiên cứu đứng trước mâu thuẫn giữa tính hạn chế của tri thức khoa

học hiện có với yêu cầu phát triển tri thức đó ở trình độ cao hơn

Cách giải quyết vấn đề khoa học như thế nào?

Giải quyết vấn đề khoa học Đây là mong muốn của những người muốn bước vào con đường khoa học Như ta đã biết có rất nhiều ứng dụng vi mô từ phát minh sáng chế khoa học thành công trong cuộc sống

Một người muốn phát minh sáng tạo cần có 3 yếu tố cần thiết sau:

- Kiến thức đủ để sáng tạo: Người phát minh sáng tạo cần có một kiến

thức nhất định phù hợp với công trình nghiên cứu Một người có kiến thức phổ thông đã biết sáng tạo khoa học nhưng mỗi người sáng tạo như thế nào? mức độ nào? là hoàn toàn khác nhau

- Môi trường đòi hỏi sáng tạo: Môi trường ảnh hưởng rất lớn đến đời

sống của con người kể cả vấn đề sáng tạo của con người Sống trong môi trường luôn đòi hỏi con người sáng tạo là môi trường luôn luôn đổi mới để hoàn thiện và phát triển

- Khát vọng sáng tạo của con người: Có lẻ đây là vấn đề rất quan trọng

để phát minh sáng tạo Phát minh sáng tạo đòi hỏi con người phải có lòng ham mê, ốc sáng tạo và vượt khó, kiên trì bởi có rất nhiều nhà khoa học phát minh ra một cái mới họ phải thử đi thử lại rất nhiều có khi phải mất hàng chục năm

3) Nghĩ ngược lại quan niệm thông thường

4) Quan sát những vướng mắc trong thực tiễn

5) Lắng nghe lời kêu ca phàn nàn

6) Cảm hứng: những câu hỏi bất chợt xuất hiện khi quan sát sự kiện nào

đó

Một tiếp cận không gian giải quyết vấn đề

Ý tưởng  Bài toán  Mô hình  Cách giải

Bài toán P: Sau khi có ý tưởng, bài toán P được đặt ra nhằm giải quyết mục đích cuối cùng là gì? Trong cùng điểm nhìn, cùng một không gian, nếu ta

P

Bài toán P

Điểm nhìn

Không gian, vấn đề

Điểm nhìn: nơi có vị trí, tầm nhìn khách quan nhất, bao quát vấn đề để khi giải quỵết không còn sai sót hoặc sai sót ít có thể chấp nhận được Nếu cùng một bài toán cùng một không gian nhưng điểm nhìn khác nhau thì vấn

đề có thay đổi, nhưng cũng không thay đổi một cách tuyệt đối hoàn toàn Cũng có những vấn đề được nhìn nhận tương tự nhau

Ví dụ: Do đâu rất nhiều tai nạn giao thông xảy ra ở nước ta

Cùng một vấn đề trên nếu ở hai điểm nhìn khác nhau sẽ trả lời khác nhau:

- Nhìn từ phía xây dựng: Mặt đường chưa bằng phẳng, đường còn hẹp, còn nhiều công trình cầu đường cần nâng cấp

- Nhìn từ phía cảnh sát giao thông: Ý thức chấp hành luật giao thông của người tham gia giao thông còn kèm

Không gian vấn đề: Bài toán P đặt trong không gian vấn đề sao cho không quá phức tạp, nhưng cũng không thể đơn giản quá dẫn tới sai sót Nếu cùng một bài toán, cùng một điểm nhìn, nhưng không gian khác nhau thì vấn

đề sẽ có nhiều thay đổi hơn

Ví dụ: Cùng một phần mềm được ứng dụng ở một trường học lại khác ở một ngành nghề khác

Như vậy tính thay đổi của vấn đề từ thấp đến cao như sau:

Bài toán (P)  Điểm nhìn  Không gian

Việc phân loại các chuẩn để giải quyết các bài toán sáng chế dựa vào phân tích Vepol Mô hình Vepol gồm 3 yếu tố: một Trường T và trong T có hai vật chất V1, V2

9 Nguyên lý gây ứng xuất sơ bộ

10 Nguyên lý thực hiện sơ bộ

11 Nguyên lý dự phòng

12 Nguyên lý đẳng thế

13 Nguyên lý đảo ngược

14 Nguyên lý cầu “tròn” hóa

15 Nguyên lý năng động

16 Nguyên lý tác động bộ phận và dư thừa

17 Nguyên lý bộ xung chiều khác

18 Nguyên lý tự dao động cơ học

19 Nguyên lý tác động theo chu kỳ

20 Nguyên lý tác động hữu hiệu

21 Nguyên lý vượt nhanh

22 Nguyên lý chuyển hại thành lợi

23 Nguyên lý quan hệ phản hồi

24 Nguyên lý sử dụng trung gian

25 Nguyên lý tự phục vụ

26 Nguyên lý sao chép

27 Nguyên lý rẽ thay cho đắt

28 Nguyên lý thay thế sơ đồ cơ học

29 Nguyên lý sử dụng các kết cấu thủy và khí

30 Nguyên lý sử dụng bao mềm dẻo và mềm mỏng

31 Nguyên lý sử dụng vật liệu nhiều lỗ

32 Nguyên lý đổi màu

33 Nguyên lý đồng nhất

34 Nguyên lý loại bỏ và tái sinh từng phần

35 Nguyên lý đổi các thông số hóa lý của đối tượng

36 Nguyên lý sử dụng chuyển pha

37 Nguyên lý sử dụng nở nhiệt

38 Nguyên lý sử dụng các chất oxy hóa

39 Nguyên lý sử dụng môi trường trơ

40 Nguyên lý sử dụng vật liệu tổng hợp

Đưa một bài toán vào máy tính

1.2.3 Một số thủ thuật, nguyên tắc về phát minh, sáng tạo

1.2.3.1 Nguyên tắc phân nhỏ

Nội dung:

- Chia các đối tượng thành các phần độc lập

- Làm đối tượng thành các thành phần tháo ráp

Algorithm

Program

Ứng dụng nguyên tắc trên trong tin học:

Trong lập trình nếu gặp những bài toán dài phức tạp người ta thường chia những chương trình nhỏ gọi là chương trình con Chương trình con được dùng rộng rãi khi xây dựng các chương trình lớn nhằm làm cho chương trình

dễ theo dõi, dễ sửa chữa, có thể phân mảnh chương trình cho nhiều người làm Một đặc điểm nổi bật của chương trình con là nó có tính đệ quy nhờ thế

mà nhiều bài toán được giải quyết dễ dàng

Ví dụ: Giải phương trình bậc hai: ax2+bx+c=0; với a,b,c được nhập vào

{Giai phuong trinh bac 2}

If Delta = 0 then Write(‘Phuong trinh co 1 nghiem: ‘, x1:10:2)

else writeln(‘Phuong trinh co 2 nghiem: x1 = ‘, x1:10:2 ,’***** x2 = ‘, x2:10:2);

Nó có thể bắt đầu trộn bằng cách so sánh hai phần tử một (chẳng hạn phần tử thứ nhất với phần tử thứ hai, sau đó thứ ba với thứ tư ) và sau khi kết thúc bước 1 nó chuyển sang bước 2 Ở bước 2 nó trộn các danh sách hai phần tử thành các danh sách bốn phần tử Cứ như vậy cho đến khi hai danh sách cuối cùng được trộn thành một

Ví dụ: Ta có 12 13 45 32 100 34 65 10

Ta có ở trên là 8 phần tử cần được sắp xếp:

Ý tưởng của merge sort là thay vì sắp xếp 8 phần tử (khó sắp) thì ta chia đôi dãy đó ra làm đôi (số phần tử nhỏ hơn > sắp dễ hơn ) và sắp xếp các dãy con rồi ghép 2 dãy con lại (gọi là merge 2 dãy con)

Vậy ta làm như sau:

Chia đôi > được hai dãy con mới là 12 13 45 32 và 100 34 65 10 sắp 2 dãy con lại: 12 13 45 32 gọi là dãy A 100 34 65 10 gọi là dãy B

+ Muốn sắp A ta cũng làm giống như trên:

Chia đôi A, được 2 dãy mới là A11={12 13} A12={45 32}

Chia đôi B được 2 dãy mới là B11={100 34} B12={65 10}

+ Sắp xếp A11, B11, A12, B12

+ Muốn sắp xếp A11 thì ta cũng chia đôi đến khi sắp được ta có 2 dãy con là A21={12} A22={13} Sắp 2 dãy con trên được (đơn giản vì chỉ có một phần tử) là A21={12} A22={13} Sắp xong thì ta merge lại thành A11={12 13}

+ Tương tự sắp xếp cho B11 , A12 , B12 ta cũng có:

- Tách bỏ các nhiễu, phục hồi tín hiệu ban đầu

- Sóng mang tín hiệu: tách sóng để lấy tín hiệu cần thiết

b) Thử vàng bằng nhiệt hoặc kim loại để:

- Thử bằng nhiệt (phun lửa): chất không phải vàng sẽ nóng chảy và lộ ra trước tiên

- Dùng hóa chất để trích vàng trong hỗn hợp vàng-bạc Dùng phép điện giải để mạ các đối tượng

Ứng dụng nguyên tắc trên trong tin học:

Trong môn cơ sở dữ liệu ta tìm phủ tối thiểu của một phụ thuộc hàm:

Ý tưởng: Từ một tập phụ thuộc hàm ban đầu ta loại bỏ các phụ thuộc hàm dư thừa để tìm phủ tối thiểu

Ví dụ: Cho lược đồ quan hệ Q(A,B,C,D) và tập pth F={ABCD, BC,CD} Tìm phủ tối thiểu?

1 Tách các phụ thuộc hàm sao cho vế phải chỉ còn một thuộc tính + Ta có: F={ABC,ABD,BC,CD}

2 Bỏ các thuộc tính dư thừa ở vế trái

+ BC, CD không xét vì vế trái chỉ có một thuộc tính

+ Xét ABC: Nếu bỏ A thì B+=BCD không chứa A nên không thể bỏ

A Nếu bỏ B thì A+=A Không bỏ được thuộc tính nào

+ Xét ABD: Nếu bỏ A thì B+=BCD không chứa A nên không thể bỏ

A Nếu bỏ B thì A+=A Không bỏ được thuộc tính nào

3 Loại khỏi F các thuộc tính hàm dư thừa:

+ Xét ABC: tính AB+=ABCD=Q nên loại bỏ ABC

+ Xét ABD: tính AB+=ABCD=Q nên loại bỏ ABD

- Nói chung nguyên tắc phẩm chất cục bộ phản ảnh khuynh hướng phát triển: từ đơn giản sang phức tạp, từ đơn điệu sang đa dạng

- Tinh thần “Phẩm chất cục bộ” có ý nghĩa lớn đối với nhận thức và xử

lý thông tin: Không phải tin tức hay thông tin nào cũng có giá trị như nhau

Ví dụ: In tất cả các số chia hết cho 9 trong phạm vi [1 10000], với hình thức

in ra: Mỗi hàng có 10 số, mỗi trang có 20 hàng, tạm dừng chờ nhấn phím liên tiếp trang sau (nếu hơn trang) Như vậy nếu chương trình có lỗi thì lỗi của chương trình (phẩm chất cục bộ) là phần kiểm tra một số chia hết cho 9, chứ không phải là phần in ra

- Trong lập trình hướng đối tượng, chúng ta có các phương thức, mà mỗi phương thức có những tính năng khác nhau

- Nguyên tắc đối xứng, có thể nói là trường hợp riêng của 3 nguyên tắc phẩm chất cục bộ

Ứng dụng trong tin học:

Ví dụ: Kiểu biến số nguyên (byte, word, unsigned int) chỉ bao gồm các

số nguyên dương, không có tính đối xứng (có cả âm lẫn dương, như dùng kiểu integer hay longint), nhưng trong thực tế rất nhiều lúc ta chỉ làm việc trên những số dương, rõ ràng khai báo kiểu này ta đã tiết kiệm được bộ nhớ

và làm cho chương trình trong sáng và linh động hơn

- Đối tượng mới được tạo nên do sự kết hợp, thường có những tính chất, khả năng mà đối tượng riêng rẽ chưa từng có Điều này có nguyên nhân sâu

xa là lượng đổi thì chất cũng đổi và do tạo được sự thống nhất của các mặt đối lập

- Nguyên tắc kết hợp thường hay sử dụng với 1.Nguyên tắc phân nhỏ, 3.Nguyên tắc phẩm chất cục bộ…

Minh họa ứng dụng nguyên tắc trên trong tin học:

- Trong lập trình cổ điển (lập trình theo dạng cấu trúc), khi đó dữ liệu và chức năng là những thành phần riêng biệt Khi chuyển sang lập trình hướng đối tượng thì dữ liệu và chức năng (phương thức, sự kiện) gộp chung trong một đối tượng, đây chính là khái niệm Class

- Các ngôn ngữ cấp cao thường cho phép kết hợp với mã nguồn Assembly

- Hiện nay trên thị trường có loại máy đa năng có thể vừa xây sinh tố vừa ép được trái cây…

Ứng dụng nguyên tắc trên trong tin học:

- Một phần mềm quản lý trong một Trường Đại học được đánh giá là tốt, nhất định phần mềm phải đáp ứng chức năng của người sử dụng như:

+ Quản lý hồ sơ sinh viên

+ Quản lý điểm sinh viên

+ Quản lý lịch dạy của giảng viên

1.2.3.7 Nguyên lý rẻ thay cho đắt

Nhận xét:

Có nhiều nguyên nhân để ta phải thay thế đối tượng đắt tiền bởi đối tượng rẻ tiền Bác Hồ có dạy rằng “Cần, kiệm, liêm, chính” là đức tính của mỗi con người chúng ta Vì vậy mỗi người chúng ta cần tiết kiệm cả thời gian, tiền bạc,… Trong cuộc sống người ta cố gắng nghĩ ra những loại máy có công suất sản xuất cao như vậy trong một khoảng thời gian ngắn mà ta sản xuất ra nhiều sản phẩm

Ứng dụng nguyên tắc trong tin học:

Về tiền bạc:

- Hiện nay trên Internet có nhiều phần mềm mã nguồn mở hoặc Shareware hay phần mềm không mất tiền (freeware) chúng ta có thể download về chỉnh sửa vài chỗ là có thể sử dụng được, có một số chương trình diệt vi rút khỏi phải mất tiền mua mà vẫn sử dụng tốt Mặc dù nó không mang tính vạn năng, còn nhiều hạn chế nhưng đáp ứng được nhu cầu không mất tiền nhưng cũng đáp ứng được công việc

- Tùy theo độ phức tạp của công việc mà ta bỏ tiền ra một cách chính đáng là mua hoặc không mua

Ví dụ: Chính sách tiết kiệm của một trường Đại học như sau: