CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỄU DIỄN TRI THỨC THUẬT GIẢI HEURISTIC

Biễu diễn tri thức và ứng dụng MỤC LỤC GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn Trang 1 HVTH : Mã Tuấn Huy Biễu diễn tri thức và ứng dụng CHƯƠNG I. KHÁI NIỆM VỀ TRI THỨC VÀ BIỂU DIỄN TRI THỨC 1. Khái niệm về tri thức (knowledge) • Tri thức không có được định nghĩa chính xác. • Tri thức hay kiến thức có nhiều ý nghĩa tùy theo văn cảnh, nhưng lúc nào cũng có liên quan với những khái niệm như hiểu biết, ý nghĩa, thông tin, giảng dạy, giáo dục (quá trình giáo dục), giao tiếp, diễn tả, học hỏi, suy luận, nhận thức và kích thích trí óc. • Tri thức là các thông tin, các tài liệu, các cơ sở lý luận, các kỹ năng khác nhau, đạt được bởi một tổ chức hay một cá nhân thông qua các trải nghiệm thực tế hay thông qua sự giáo dục đào tạo; các hiểu biết về lý thuyết hay thực tế về một đối tượng, một vấn đề, có thể lý giải được về nó. • Tri thức là sự “hiểu biết” của người trong một phạm vi, lĩnh vực nào đó; được xem xét theo các mục tiêu hay các vấn đề nhất định. • Tri thức thường bao gồm các khái niệm, các loại sự kiện, các luật, … • Ví dụ:  Kiến thức về một lĩnh vực y học và khả năng chuẩn đoán bệnh là tri thức.  Biết một tam giác có các yếu tố nào cùng với các công thức liên hệ giữa các yếu tố là tri thức. GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn Trang 2 HVTH : Mã Tuấn Huy Biễu diễn tri thức và ứng dụng  Biết các dạng cấu trúc dữ liệu thường dùng trong lập trình cùng với các thuật toán xử lý cơ bản trên cấu trúc là tri thức. 2. Khái niệm về biểu diễn tri thức • Biểu diễn tri thức (Knowledge Representation) là sự diễn đạt và thể hiện của tri thức dưới những dạng thích hợp có thể tổ chức một cơ sở tri thức của hệ thống. • Xây dựng một mô hình biểu diễn tri thức để đưa tri thức lên máy tổ chức lưu trữ và xử lý, đặc biệt là cho suy luận giải các vấn đề, các bài toán. • Mô hình biểu diễn tri thức là một hệ thống phức tạp, đa dạng và trừu tượng bao gồm nhiều thành tố với những mối liên hệ tác động qua lại như:  Các khái niệm (concepts), với những mối liên hệ cơ bản nhất định (relationships).  Các quan hệ (relations): xét trên góc độ toán học trong “Toán rời rạc”.  Các toán tử (operators), phép toán, các biểu thức hay công thức  Các hàm (functions)  Các luật (rules)  Sự kiện (facts)  Các thực thể hay đối tượng, một phần tử cụ thể (objects). • Các công cụ cho việc biểu diễn tri thức:  Các cấu trúc dữ liệu cơ bản: dãy, danh sách, tập hợp, mẫu, …  Các cấu trúc dữ liệu trừu tượng: ngăn xếp, hàng đợi. GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn Trang 3 HVTH : Mã Tuấn Huy Biễu diễn tri thức và ứng dụng  Các mô hình toán học đồ thị: đồ thị, cây.  Các mô hình đối tượng.  Các ngôn ngữ đặc tả tri thức. 3. Ví dụ về biểu diễn tri thức Kiến thức về một tam giác cần cho việc giải toán tam giác được biểu diễn gồm:  Một tập hợp các biến thực, mỗi biến đại diện cho một yếu tố của tam giác.  Một tập hợp các công thức liên hệ tính toán trên các yếu tố của tam giác. • Tập các biến trong tam giác gồm:  a, b, c : 3 cạnh của tam giác.  α, β, γ : 3 góc đối diện với 3 cạnh tương ứng trong tam giác.  h a , h b , h c : 3 đường cao tương ứng với 3 cạnh của tam giác.  S : diện tích tam giác.  P : nửa chu vi của tam giác.  R : bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác.  v.v • Tập công thức trong tam giác gồm:  f1 : a + b + g = p (radian).  f2 : a2 = b2 + c2 - 2.b.c.cos a GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn Trang 4 HVTH : Mã Tuấn Huy Biễu diễn tri thức và ứng dụng  f3 : b2 = a2 + c2 - 2.a.c.cos b  f4 : c2 = a2 + b2 - 2.a.b.cos g  f5 : a / sin a = b / sin b  v.v 4. Phân loại biểu diễn tri thức • Phân loại theo các hệ thống tin học:  Hệ thống thông tin, MIS, GIS, …  Hệ CSTT, HCG, HTGQĐ.  Hệ quản ý kho tài liệu theo ngữ nghĩa.  V.v… • Phân loại theo lĩnh vực ứng dụng thực tế  Giáo dục (E-learning, E-education, …)  Phần mềm dạy học  Phần mềm tra cứu kiến thức  Phần mềm hỗ trợ giải bài tập (có suy luận dựa trên CSTT)  Phần mềm kiểm tra đánh giá kiến thức  Quản lý hành chánh (E-government)  Quản lý công văn: tổ chức sắp xếp lưu trữ, xử lý hay giải quyết công văn. GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn Trang 5 HVTH : Mã Tuấn Huy Biễu diễn tri thức và ứng dụng  Hỗ trợ tìm kiếm các tài liệu văn bản dựa trên nội dung (semantic).  Thương mại (E-commerce)  Internet và các search engineSemantic Web, và Semantic Search.  Kinh tế  Tài nguyên, môi trường  V.v… • Các ứng dụng cụ thể  Hệ tra cứu kiến thức, các tự điển kiến thức trên máy tính  Tra cứu kiến thức Toán: Hình học, đại số, giải tích, đại số tuyến tính, …  Tra cứu kiến thức Vật lý  Tra cứu kiến thức Hóa học  Hệ tra giải bài toán dựa trên CSTT  Hệ giải bài tập HHP, Đại số, HHGT, …  Hệ giải bài toán điện xoay chiều, điện 1 chiều.  Hệ giải một số lớp bài toán Hóa học  Phần mềm dạy học  Phần mềm dạy học tiếng Anh.  V.v… GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn Trang 6 HVTH : Mã Tuấn Huy Biễu diễn tri thức và ứng dụng  Hệ quản lý và hỗ trợ tìm kiếm các văn bản về CNTT  Hệ quản lý kho tài nguyên học tập về CNTT (hoặc ngoại ngữ, vật, hóa, …)  Hệ quản lý văn bản cho một UBND cấp phường, quận, … CHƯƠNG II. CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỄU DIỄN TRI THỨC 1. Biểu diễn dựa trên logic hình thức • Sử dụng các biểu thức logic hình thức trong một hệ thống logic để diễn đạt các sự kiện và các luật trong cơ sở tri thức. • Phép tính logic vị từ cấp 1 được sử dụng phổ biến nhất và có cả một ngôn ngữ lập trình hỗ trợ cho phương phát này. Đó là ngôn ngữ PROLOG • Trong ngôn ngữ PROLOG, chỉ cần khai báo các sự kiện và các luật. Hệ thống sẽ thực hiện giải quyết vấn đề được yêu cầu trên tri thức được khai báo. • Mô hình: : (Predicates, Clauses) Predicates là tập gồm các vị từ, mỗi vị từ biểu diễn cho phát biểu nói về một tính chất của đối tượng hay một quan hệ giữa các đối tượng. mỗi vị từ xác định bởi tên vị từ và các kiểu tham biến. Ví dụ: gioi(x:sinhvien), vg(v: vector, P: plane). Clauses là tập gồm các biểu thức vị từ gồm 2 dạng fact và rule. => Nên dùng PROLOG, công cụ xử lý biểu diễn theo vị từ. Predicates GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn Trang 7 HVTH : Mã Tuấn Huy Biễu diễn tri thức và ứng dụng us(integer, integer) uscln(integer, integer, integer) clauses uscln(A,0,A). uscln(0,A,A). uscln(A,B,D) :- A > B, A1 = A-B, uscln(A1,B,D). uscln(A,B,D) :- A <= B, B1 = B-A, uscln(A,B1,D). goal uscln(24,36, What) Run  What = 12 2. Hệ luật dẫn • Mỗi luật dẫn được phát biểu dưới dạng If <giả thiết> then <kết luận> • Mô hình: (Facts, Rules)  Facts: là tập ký hiệu đại diện cho các sự kiện.  Rules là tập luật dẫn trong đó <giả thiết> và <kết luận> là các tập hợp sự kiện. • Tổ chức lưu trữ: được xác lập cụ thể dựa trên các dạng facts. Thường là ta sử dụng các cấu dữ liệu đã biết như struct, frames, classes, … • Lưu trên đĩa; sử dụng 2 tập tin dạng “text có cấu trúc”: Facts.txt và Rules.txt • Ví dụ: một phần kiến thức về một tam giác trong hình học GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn Trang 8 HVTH : Mã Tuấn Huy Biễu diễn tri thức và ứng dụng  Các yếu tố của tam giác, mỗi sự kiện là một phát biểu nói lên tính xác định của yếu tố  ký hiệu cho các sự kiện: a, b, c, A, B, C, S, p, R, ha, hb, hc, …  Các luật nói lên liên hệ “dẫn xuất” giữa các sự kiện: if A, B then C; if B, C then A; if A, C then B; if a, A then R; v.v … • Nhận xét: mô hình hệ luật dẫn trên khó áp dụng trực tiếp vì quan niệm sự kiện khá đơn giản. 3. Mạng ngữ nghĩa • Mạng ngữ nghĩa (semantic network) có dạng một đồ thị các nút và các cung:  Các nút thể hiện các khái niệm, các đối tượng.  Các cung thể hiện các quan hệ giữa các đối tượng. • Dựa trên mạng ngữ nghĩa ta nhận biết tri thứ một cách trực quan giúp thiết kế các xử lý như: thêm/ bớt các khái niệm hay các đối tượng, tìm kiếm thông tin. • Mô hình tri thức dạng đồ thị: (Nodes, Arcs)  Nodes gồm các yếu tố hay các bộ phận cấu thành tri thức. Các node có thể là khái niệm, đối tượng, sự kiện, cấu trúc trừu tượng, …  Arcs gồm các liên kết biểu diễn cho các quan hệ giữa các nodes. Các quan hệ có thể là: IS_A, HAS_A, …  Tổ chức lưu trữ: Dựa trên các kỹ thuật biểu diễn và tổ chức lưu trữ xử lý đồ thị. GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn Trang 9 HVTH : Mã Tuấn Huy Biễu diễn tri thức và ứng dụng  Ví dụ: Biểu diễn ma trận, biểu diễn dạng danh sách kề hay danh sách cạnh, … • Ví dụ: “Mạng tính toán trên tam giác”. Tamgiac.txt: Begin_variables a : cạnh a của tam giác. b : cạnh b của tam giác. … S : diện tích tam giác. … End_variables Begin_formulas A + B + C = pi : công thức về góc tam giác. S = sqrt(p*(p-a)*(p-b)*(p-c)) : Công thức Hê-rông. End_formulas • Nhận xét: mô hình khá trừu tượng và khái quát, trong áp dụng phải phát triển các mô hình tri thức cụ thể hơn. 4. Các khung • Các khung (frame) thể hiện các khái niệm dưới dạng cấu trúc mẫu in và có hình thức như một bảng mẫu • Khung cơ bản: gồm các thành phần cơ bản sau:  Tên đối tượng (loại khung).  Các thuộc tính.  Giá trị của các thuộc tính. GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn Trang 10 HVTH : Mã Tuấn Huy [...]... nhất Thuật giải Heuristic trong trường hợp này rõ ràng đã cho chúng ta những lời giải tương đối tốt GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn HVTH : Mã Tuấn Huy Trang 19 Biễu diễn tri thức và ứng dụng CHƯƠNG V CÀI ĐẶT THUẬT GIẢI HEURISTIC 1 Giải thuật trên maple GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn HVTH : Mã Tuấn Huy Trang 20 Biễu diễn tri thức và ứng dụng GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn HVTH : Mã Tuấn Huy Trang 21 Biễu diễn tri thức. .. là quá trình suy diễn được thuật giải hóa và có thể cài đặt thành chương trình máy tính • Các kỹ thuật cơ bản:  Suy diễn tiến  Suy diễn lùi 2 Hợp giải trong tri thức dạng logic • Phương pháp: thực hiện quá trình phát sinh sự kiện mới bằng cách sử dụng các luật suy diễn cơ bản trên các biểu thức logic như: Modus Ponens, Modus Tollens, tam đoạn luận • Trong logic vị từ: quá trình hợp giải có thể được... sau: • Thường tìm được lời giải tốt (nhưng không chắc là lời giải tốt nhất) • Giải bài toán theo thuật giải Heuristic thường dễ dàng và nhanh chóng đưa ra kết quả hơn so với giải thuật tối ưu, vì vậy chi phí thấp hơn • Thuật giải Heuristic thường thể hiện khá tự nhiên, gần gũi với cách suy nghĩ và hành động của con người • Có nhiều phương pháp để xây dựng một thuật giải Heuristic, trong đó người ta... được các sự kiện đã biết hay được sự kiện suy luận • Trong áp dụng cụ thể phương pháp thường sử dụng kết hợp với các qui tắc heuristic trong việc chọn luật 4 Suy diễn lùi • Phương pháp: truy ngược từ kết luận trở về giả thiết, phương pháp này được tiến hành bằng cách truy ngược từ mục tiêu cần đạt trở về phần giả thiết của bài toán bằng cách áp dụng các luật trong cơ sở tri thức • Quá trình suy diễn. .. suy diễn tiến: không cảm nhận được sự gần tới đích GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn HVTH : Mã Tuấn Huy Trang 12 Biễu diễn tri thức và ứng dụng • Nhược điểm của suy diễn lùi: thường dẫn tới sự phân nhánh lớn và không cảm nhận được sự cần chuyển hướng dòng suy nghĩ CHƯƠNG IV THUẬT GIẢI HEURISTIC 1 Khái niệm • Thuật giải Heuristic là một sự mở rộng khái niệm thuật toán Nó thể hiện cách giải bài toán với các. .. và lời giải sẽ được tìm thấy khi tất cả các mục tiêu ở các nút lá của cây mục tiêu đều thuộc về những sự kiện đã biết • Trong áp dụng cụ thể phương pháp thường sử dụng kết hợp với các qui tắc heuristic trong việc chọn luật 5 Suy diễn hỗn hợp • Phương pháp: kết hợp cả 2 quá trình suy diễn tiến và suy diễn lùi nhằm khắc phục khuyết điểm của mỗi phương pháp và năng cao hiệu quả của quá trình suy diễn trong... trên kỹ thuật hợp nhất (unification) và quay lui (backtracking • PROLOG là một ngôn ngữ lập trình được thiết kế với chức năng suy diễn theo phương pháp này GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn HVTH : Mã Tuấn Huy Trang 11 Biễu diễn tri thức và ứng dụng 3 Suy diễn tiến • Phương pháp: suy dẫn từ giả thiết đi đến kết luận Chiến lược này được bắt đầu bằng tập sự kiện đã biết, rút ra các sự kiện mới nhờ dùng các luật... trong hình tiếp theo thì thuật giải cho chúng ta một hành trình có chiều dài là 14 trong khi hành trình tối ưu là 13 Kết quả của thuật giải Heuristic trong trường hợp này chỉ lệch 1 đơn vị so với kết quả tối ưu Trong khi đó, độ phức tạp của thuật giải Heuristic này chỉ là 0(n2) GVHD : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn HVTH : Mã Tuấn Huy Trang 15 Biễu diễn tri thức và ứng dụng Hình 4.1.1 : Giải bài toán sử dụng nguyên.. .Biễu diễn tri thức và ứng dụng • Khung lớp: thể hiện các tính chất tổn quát của một lớp các đối tượng, với những quan hệ kế thừa và cấu trúc phân cấp CHƯƠNG III SUY DIỄN TỰ ĐỘNG 1 Khái niệm • Suy diễn nhằm vận dụng kiến thức đã biết trong quá trình lập luận giải quyết vấn đề trong đó quan trọng nhất là các chiến lược điều khiển phát sinh những sự kiện mới từ các sự kiện đã có • Suy diễn tự... lời giải  Nguyên lý thứ tự: Thực hiện hành động dựa trên một cấu trúc thứ tự hợp lý của không gian khảo sát nhằm nhanh chóng đạt được một lời giải tốt 2 Hàm Heuristic • Trong việc xây dựng các thuật giải Heuristic, người ta thường dùng các hàm Heuristic Đó là các hàm đánh già thô, giá trị của hàm phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của bài toán tại mỗi bước giải Nhờ giá trị này, ta có thể chọn được cách . II. CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỄU DIỄN TRI THỨC 1. Biểu diễn dựa trên logic hình thức • Sử dụng các biểu thức logic hình thức trong một hệ thống logic để diễn đạt các sự kiện và các luật trong cơ sở tri. cùng với các thuật toán xử lý cơ bản trên cấu trúc là tri thức. 2. Khái niệm về biểu diễn tri thức • Biểu diễn tri thức (Knowledge Representation) là sự diễn đạt và thể hiện của tri thức dưới. Mã Tuấn Huy Biễu diễn tri thức và ứng dụng  Các mô hình toán học đồ thị: đồ thị, cây.  Các mô hình đối tượng.  Các ngôn ngữ đặc tả tri thức. 3. Ví dụ về biểu diễn tri thức Kiến thức về một