ỨNG DỤNG CƠ SỞ TRI THỨC VÀ SỬ DỤNG THƯ VIỆN MAPPLE GIẢI BÀI TOÁN HOÁ VÔ CƠ

Đại Học Quốc Gia TP.HCM Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin BÀI THU HOẠCH MÔN LẬP TRÌNH SYMBOLIC ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CƠ SỞ TRI THỨC VÀ SỬ DỤNG THƯ VIỆN MAPPLE GIẢI BÀI TOÁN HOÁ VÔ CƠ GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn Người thực hiện: Bùi Chí Cường Mã số: CH1101007 Lớp: Cao học khóa 6 TP.HCM – 2013 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời chân thành cảm ơn đến Ban Chủ nhiệm trường Đại học công nghệ thông tin TP HCM đã tạo điều kiện cho em được tiếp cận với bộ môn lập trình Symbolic. Em xin cảm ơn thầy PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn đã tận tình truyền đạt kiến thức cho chúng em cũng những gì thầy đã giúp đỡ, hướng dẫn để em thực hiện bài tiểu luận. Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô trong Khoa Công nghệ Thông tin cùng các bạn bè thân hữu đã nhiệt tình đóng góp ý kiến, cũng như động viên để em hoàn thiện hơn đề tài của mình. Mặc dù đã rất cố gắng nhưng đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót và sai lầm, em mong thầy cô và bạn bè cho ý kiến để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn! Tp. HCM, 15 tháng 1 năm 2013 Bùi Chí Cường CH1101007 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH v 1 CHƯƠNG I - MỞ ĐẦU 6 1.1 Giới thiệu chung 6 1.2 Hoạt động nghiên cứu 6 1.3 Một số thành tựu hiện có 7 2 CHƯƠNG II - TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH COKB VÀ MỘT SỐ CẢI TIẾN 10 2.1 Mô hình COKB 10 2.1.1 Định nghĩa đối tượng tính toán (C-Object): 10 2.1.2 Mô hình cho một C-Object 10 Attrs là tập hợp các thuộc tính của đối tượng 10 F là tập hợp các quan hệ suy diễn tính toán 10 Facts là tập hợp các tính chất hay sự kiện vốn có của đối tượng 10 Rules là tập hợp các luật suy diễn trên các sự kiện liên quan đến các thuộc tính cũng như liên quan đến bản thân đối tượng 11 2.1.3 Mô hình tri thức các đối tượng tính toán (COKB) 11 2.2 Một số cải tiến mới 13 2.2.1 Mở rộng kiểu thuộc tính của C-Object 13 2.2.2 Quan hệ tính toán phụ thuộc 16 2.2.3 Tập 10 sự kiện 18 3 CHƯƠNG III – XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRI THỨC VÀ CÀI ĐẶT ỨNG DỤNG GIẢI BÀI TOÁN HOÁ VÔ CƠ 22 3.1 Mô hình tri thức 22 3.1.1 Tập C 22 3.1.2 Tập H 23 3.1.3 Tập R 24 3.1.4 Tập Rules 24 3.2 Cách tổ chức lưu trữ 25 3.2.1 Tập các khái niệm (C-Object) 25 3.2.2 Tập các quan hệ phân cấp 27 3.2.3 Tập các quan hệ R 27 3.2.4 Tập các luật suy diễn 28 3.3 Tổng quan bài toán 28 3.4 Cấu trúc dữ liệu 32 3.5 Giải thuật 32 3.6 Hướng dẫn cài đặt và sử dụng chương trình 32 3.6.1 Yêu cầu 32 3.6.2 Cài đặt và sử dụng chương trình 33 3.6.3 Thử nghiệm 39 4 CHƯƠNG IV - KẾT LUẬN 40 4.1 Tóm tắt kết quả đạt được 40 4.2 Hướng phát triển 41 4.3 Tài liệu tham khảo 41 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1 - Mẫu ví dụ về ChEBI 8 Hình 2 - Chemlap 9 Hình 3 - Giao diện chính của DCE 2008 9 Hình 4 - Ví dụ về sơ đồ mạch điện 15 Hình 5 - Giao diện chính 34 Hình 6 - Giao diện hướng dẫn 35 Hình 7 - Giao diện thông tin học viên 36 Hình 8 - Load bài toán mẫu 37 Hình 9 - Chọn 1 bài toán mẫu bất kỳ 38 Hình 10 - Sau khi load xong bài toán mẫu 38 6 BÙI CHÍ CƯỜNG - CH1101007 LỚP CH CNTTQM - K6 1 CHƯƠNG I - MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu chung. Trong những ngành cần quan tâm ứng dụng Công nghệ thông tin, Giáo dục là một trong những ngành được nhà nước ta tập trung hàng đầu. Đem Công nghệ thông tin vào Giáo dục giúp nâng cao chất lượng đào tạo, nâng cao trình độ con người trong xã hội mới. Ứng dụng Công nghệ thông tin trong giao dục bao gồm: các phần mềm hỗ trợ soạn thảo bài giảng cho giáo viên; phần mềm hỗ trợ học tập, tra cứu kiến thức cho học sinh; các hệ thống e-learning trực tuyến . Nói về phần mềm hỗ trợ học tập, phần lớn các phần mềm loại này chỉ đáp ứng được nhu cầu cơ bản của học sinh như ôn tập lý thuyết, tra cứu và hỗ trợ giải các bài tập mẫu. Gần như ít có phần mềm nào tiếp cận tới vấn đề hỗ trợ học sinh tìm lời giải cho các bài toán khác nhau. Việc sử dụng các phần mềm có khả năng hỗ trợ tìm lời giải sẽ giúp học sinh tiếp cận kiến thức mới nhanh hơn, tự do sáng tạo hơn để tìm ra những lời giải mới. Trong chương trình Phổ thông, đặc biệt là chương trình ban A, Toán – Lý – Hóa là 3 môn học quan trọng. Các bài tập, bài kiểm tra của các môn này nặng về tư duy giải toán. Không phải học sinh nào cũng có đủ năng lực để giải hết các bài tập khó dễ trong các đề thi của 3 môn học. Học sinh cần có một công cụ hỗ trợ, gợi ý để tìm ra lời giải. Từ những gợi ý của công cụ phần mềm, học sinh sẽ dễ dàng luyện tập nâng cao kĩ năng giải toán trong các kì thi hơn. 1.2 Hoạt động nghiên cứu. Đề tài tiểu luận này sẽ nghiên cứu phát triển mô hình COKB, ứng dụng vào biểu diễn tri thức và hệ tự động giải 1 số bài tập hoá vô cơ trong chương trình Phổ thông. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu mở rộng mô hình COKB nhằm phục vụ cho việc xây dựng mô hình cơ sở tri thức Hóa Vô cơ để có thể lưu trữ và xử lý suy luận giải 7 BÙI CHÍ CƯỜNG - CH1101007 LỚP CH CNTTQM - K6 bài tập trên máy tính; cùng với phát triển 1 ứng dụng demo hỗ trợ giải bài toán Hóa Vô cơ thỏa mãn các yêu cầu sau: • Có cơ sở tri thức về Hóa vô cơ lưu trữ riêng trên máy tính với cấu trúc đơn giản để người sử dụng dễ thay đổi, chỉnh sửa khi cần thiết. • Cho phép nhập bài toán bằng ngôn ngữ đơn giản gần với ngôn ngữ tự nhiên. • Tìm ra lời giải gần với cách giải của con người, trình bày đẩy đủ, dễ hiểu. • Giao diện phần mềm trực quan, sinh động, dễ thao tác Phạm vi của đề tài này sẽ tập trung mở rộng mô hình COKB, cụ thể là tập thuộc tính và quan hệ tính toán của C-Object để áp dụng vào biểu diễn tri thức Hóa Vô cơ, xây dựng mô hình bài toán cùng thuật giải để giải quyết 1 số lớp bài toán Hóa vô cơ phổ biến trong chương trình sách giáo khoa THPT cũng như trong đề thi Tốt nghiệp THPT, đề thi Đại học khối A, B hằng năm. Đề tài sẽ sử dụng công cụ lập trình chính là Maple 16 vì ngôn ngữ này hỗ trợ khá tốt lập trình tính toán hình thức, một trong những kĩ thuật cơ bản trong lập trình các hệ thống tự động giải toán. 1.3 Một số thành tựu hiện có Mặc dù, hóa học là 1 ngành học đã có từ lâu đời nhưng các nghiên cứu về xây dựng hệ thống tri thức cho lĩnh vực này còn khá mới mẻ. Kết quả của quá trình tìm tòi trên mạng và các tài liệu chính thức, hiện tại chỉ có 1 vài công trình nghiên cứu đã hoàn thiện và đang được tiếp tục phát triển, tiêu biểu là công trình khoa học mang tên ChEBI (Chemical Entities of Biological Interest) . 8 BÙI CHÍ CƯỜNG - CH1101007 LỚP CH CNTTQM - K6 Hình 1 - Mẫu ví dụ về ChEBI ChEBI là một hệ cơ sở tri thức mở về các hợp chất hữu cơ, được dùng để tra cứu thông tin về các chất, mối liên hệ giữa các chất và cấu tạo của chúng. Mục tiêu của ChEBI là xây dựng hệ thống tiêu chuẩn dùng để biểu diễn tri thức của các hợp chất hữu cơ và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu. Có thể gọi ChEBI là một Ontology của lĩnh vực hóa hữu cơ. Mọi cá nhân, tổ chức có nhu cầu đều có thể tải miễn phí toàn bộ mã nguồn và cơ sở dữ liệu của ChEBI trên trang chủ www.ebi.ac.uk. Bên cạnh sự hiếm hoi các đề tài nghiên cứu về lĩnh vực này là các ứng dụng thương mại hỗ trợ dạy và học Hóa thông minh với các chức năng tương đối hiện đại và cao cấp. Ví dụ tiêu biểu nhất là phần mềm tạo thí nghiệm ảo trên máy tính Chemlap. Phần mềm này cung cấp đầy đủ các công cụ và tính năng ảo cần thiết cho việc thực hiện 1 thí nghiệm hóa học. Nhận biết được quá trình xảy ra các phản ứng hóa học và hiện tượng của nó. Có thể nói phần mềm này đã xử lý rất tốt tri thức thực tế về các hóa chất trong Hóa học, khả năng xử lý phân tích với các điều kiện khác nhau tương đối chính xác và đem lại 1 môi trường ảo thân thiện với người dùng. 9 BÙI CHÍ CƯỜNG - CH1101007 LỚP CH CNTTQM - K6 Hình 2 - Chemlap Trong nước, các nghiên cứu khoa học và đề tài ứng dụng liên quan tới biểu diễn tri thức của lĩnh vực Hóa học nói chung và Hóa vô cơ nói riêng gần như vẫn chưa có nhiều thành tựu đáng kể ngoại trừ một số phần mềm ứng dụng mang tính đơn giản và không chứa các yếu tố liên quan tới tri thức và xử lý tri thức. Một ứng dụng phổ biến về hỗ trợ học Hóa học có thể kể đến là phần mềm “Từ điển phương trình Hóa học DCEv4.00”, phần mềm hỗ trợ tra cứu tìm kiếm phương trình phản ứng hóa học do nhóm học sinh trường Lê Hồng Phong thực hiện. Phần mềm thực hiện tra cứu các phương trình phản ứng hóa học dựa trên thông tin về chất tham gia, chất tạo thành. Kết quả trả về là các phản ứng tìm được cùng với thông tin chi tiết về phản ứng đó. Chương trình sử dụng các kĩ thuật cơ bản để so khớp thông tin tìm kiếm và không có khả năng xử lý suy diễn trên các phản ứng tìm được. Hình 3 - Giao diện chính của DCE 2008 10 BÙI CHÍ CƯỜNG - CH1101007 LỚP CH CNTTQM - K6 2 CHƯƠNG II - TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH COKB VÀ MỘT SỐ CẢI TIẾN 2.1 Mô hình COKB 2.1.1 Định nghĩa đối tượng tính toán (C-Object): Ta gọi một đối tượng tính toán (C-object) là một đối tượng O có cấu trúc bao gồm: (1) Một danh sách các thuộc tính Attrs = {x 1 , x 2 , , x n } trong đó mỗi thuộc tính lấy giá trị trong một miền xác định nhất định, và giữa các thuộc tính ta có các quan hệ thể hiện qua các sự kiện, các luật suy diễn hay các công thức tính toán. (2) Các hành vi liên quan đến sự suy diễn và tính toán trên các thuộc tính của đối tượng hay trên các sự kiện như:  Xác định bao đóng của một tập hợp thuộc tính A ⊂ Attr(O), tức là đối tượng O có khả năng cho ta biết tập thuộc tính lớn nhất có thể được suy ra từ A trong đối tượng O.  Xác định tính giải được của bài toán suy diễn tính toán có dạng A → B với A ⊂ Attr(O) và B ⊂ Attr(O). Nói một cách khác, đối tượng có khả năng trả lời câu hỏi rằng có thể suy ra được các thuộc tính trong B từ các thuộc tính trong A không.  Thực hiện các tính toán  Thực hiện việc gợi ý bổ sung giả thiết cho bài toán  Xem xét tính xác định của đối tượng, hay của một sự kiện. 2.1.2 Mô hình cho một C-Object Một C-Object có thể được mô hình hoá bởi một bộ (Attrs,F,Fact,Rules) Trong đó: - Attrs là tập hợp các thuộc tính của đối tượng - F là tập hợp các quan hệ suy diễn tính toán - Facts là tập hợp các tính chất hay sự kiện vốn có của đối tượng [...]... chứa bất kỳ thành phần nào thuộc Class_i ni = k: list chứa đúng k thành phần thuộc Class_i 21 BÙI CHÍ CƯỜNG - CH1101007 LỚP CH CNTTQM - K6 CHƯƠNG III – XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRI THỨC VÀ CÀI 3 ĐẶT ỨNG DỤNG GIẢI BÀI TOÁN HOÁ VÔ CƠ Mô hình tri thức 3.1 Mô hình gồm 4 thành phần: (C,H,R, Rules) - Tập C: tập các khái niệm về các “đối tượng hóa chất” Tập H: tập các quan hệ thừa kế giữa 1 số đối tượng trong C Tập... tiến mới Mở rộng kiểu thuộc tính của C-Object Đối tượng tính toán C-Object được giới thiệu từ năm 1997 là cơ sở cho sự hình thành các mô hình biểu diễn tri thức sau nay như mô hình mạng các đối tượng tính toán COKB, mô hình mạng tính toán mở rộng ECOKB cùng với rất nhiều bài báo khoa học, nghiên cứu ứng dụng đã được xuất bản Dù được phát tri n qua nhiều giai đoạn nhưng C-Object vẫn đóng vai trò là... dịch X Ứng với các dạng bài toán được đề cập như trên, thì ta có thể đưa ra mô hình bài toán như sau để có thể mô hình hóa các dạng bài toán đưa ra ở trên: (O, F, Goals) Trong đó: O là tập hợp các đối tượng được đề cập hoặc có khả năng tham gia vào trong bài toán Mỗi phần tử được biểu diễn dưới dạng [tên đối tượng , tên khái niệm] F là tập hợp các sự kiện dựa theo dữ kiện bài toán đưa ra Các sự kiện... hệ tính toán không đối xứng là 1 quan hệ tính toán toán có dạng 1 ánh xạ u(f) -> v(f) Với u(f) là tập biến đầu vào và v(f) là tập biến đầu ra của quan hệ Ví dụ như trong tam giác ta có các quan hệ tính toán sau: - A+B+C = Pi // quan hệ giữa 3 góc trong tam giác S= ½*a*b*sin(C) // quan hệ tính diện tích tam giác Tuy nhiên, khi mở rộng kiểu thuộc tính trong đối tượng tính toán, ngoài việc sử dụng lại... giả thiết của luật và phần kết luận của luật Phần giả thiết và phần kết luận đều là các tập hợp sự kiện trên các đối tượng nhất định Như vậy, một luật r có thể được mô hình dưới dạng: r : {sk1, sk2, , skn} -> { sk1, sk2, , skm } Để mô hình luật dẫn trên có hiệu lực trong cơ sở tri thức và để có thể khảo sát các thuật giải để giải quyết các bài toán, ta cần định nghĩa các dạng sự kiện khác nhau 12 BÙI... được xác định bởi và các loại đối tượng của quan hệ, và quan hệ có thể có một số tính chất trong các tính chất sau đây: tính chất phản xạ, tính chất đối xứng, tính chất phản xứng và tính chất bắc cầu Ví dụ: Quan hệ cùng phương trên 2 đoạn thẳng có các tính chất phản xạ, đối xứng và bắc cầu [4] Một tập hơp Ops các toán tử Các toán tử cho ta một số phép toán trên các biến thực cũng như... trong suy diễn tính toán Quan hệ tính toán được định nghĩa là “Mỗi quan hệ thể hiện một qui luật suy diễn và cho phép ta có thể tính toán một hay một số thuộc tính nầy từ một số thuộc tính khác của đối tượng”[1] Nói 1 cách khác, quan hệ tính toán là 1 biểu thức tính toán giữa các thuộc tính bên trong đối tượng Quan hệ tính toán có 2 loại: - Quan hệ tính toán đối xứng có hạng (rank) bằng 1 số nguyên dương... trong phản ứng (đã được trình bày cụ thể ở mục 3.2.1) - Tập các quan hệ tính toán F: mỗi hàm là 1 công thức tính toán để tính giá trị của các thuộc tính dựa trên các thuộc tính khác trong tập Attr Ví dụ như công thức tính số mol của 1 chất từ khối lượng và phân tử khối của nó là: n= m/M Trong quan hệ tính toán F, ta định nghĩa thêm tập các quan hệ tính toán phụ thuộc DF: là các quan hệ tính toán dựa... 0,23 B 0,18 C 0,08 D 0,16 Thí nghiệm của bài toán là "Hòa tan hỗn hợp (FeO, Fe3O4, Fe2O3) vào dung dịch HCl" Bài toán có 2 thí nghiệm có chung một đối tượng tham gia vào việc thực hiện thí nghiệm DH.A.09.175 Câu 2: Hoà tan hết m gam ZnSO4 vào nước được dung dịch X Cho 110 ml dung dịch KOH 2M vào X, thu được a gam kết tủa Mặt khác, nếu cho 140 ml dung dịch KOH 2M vào X thì cũng thu được a gam kết tủa Giá... 12,375 D 17,710 Bài toán có 2 thí nghiệm là: TN1: Cho 110 ml dung dịch KOH vào dung dịch X TN2: Cho 140 ml dung dịch KOH vào dung dịch X Đối tượng chung của 2 thí nghiệm này là dung dịch X 29 BÙI CHÍ CƯỜNG - CH1101007 LỚP CH CNTTQM - K6 Bài toán có sản phẩm tạo ra từ thí nghiệm này tham gia vào việc thực hiện thí nghiệm kia DH.A.10.253 Câu 21: Hoà tan hoàn toàn 8,94 gam hỗn hợp gồm Na, K và Ba vào nước, . TP.HCM Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin BÀI THU HOẠCH MÔN LẬP TRÌNH SYMBOLIC ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CƠ SỞ TRI THỨC VÀ SỬ DỤNG THƯ VIỆN MAPPLE GIẢI BÀI TOÁN HOÁ VÔ CƠ GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn Người thực. tập thuộc tính và quan hệ tính toán của C-Object để áp dụng vào biểu diễn tri thức Hóa Vô cơ, xây dựng mô hình bài toán cùng thuật giải để giải quyết 1 số lớp bài toán Hóa vô cơ phổ biến trong. hình cơ sở tri thức Hóa Vô cơ để có thể lưu trữ và xử lý suy luận giải 7 BÙI CHÍ CƯỜNG - CH1101007 LỚP CH CNTTQM - K6 bài tập trên máy tính; cùng với phát tri n 1 ứng dụng demo hỗ trợ giải bài toán