BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG MẠNG TÍNH TOÁN

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÀI BÁO CÁO MÔN HỌC: BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI: MẠNG TÍNH TOÁN TP.HCM,Tháng 2,năm 2013 GVHD: PGS.TS. ĐỖ VĂN NHƠN SINH VIÊN THỰC HIỆN: PHẠM QUANG DIỆU CH1101077 UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY PHẦN NHẬN XÉT VÀ CHO ĐIỂM GIẢNG VIÊN NHẬN XÉT: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Xếp loại ý thức, thái độ học tập và chấp hành nội quy của sinh viên: Tốt Khá Trung bình Yếu Kém Điểm: Bằng chữ:……………………………………………………………………. TP HCM, ngày… tháng… năm 2013 Giảng viên chấm bài 2 UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY Lời cảm ơn Qua đây em xin được bày tỏ lòng biết ơn đến thầy TS. Đỗ Văn Nhơn. Thầy là người đã truyền thụ cho chúng em rất nhiều kiến thức quý báu trong quá trình học tập tại trường. Thầy đã rất nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện bài thuyết trình này Lời mở đầu Nghiên cứu các phương pháp biểu diễn và xử lý tri thức là cốt lõi cho việc xây dựng những chương trình “thông minh”, đặc biệt là các hệ chuyên gia và các hệ giải toán dựa trên tri thức. Phần này sẽ nêu lên một mô hình biểu diễn tri thức được gọi là Mạng Suy diễn - Tính toán. Các thuật giải cho các vấn đề cơ bản trên mô hình được thiết kế và áp dụng trong một số chương trình cụ thể. 3 UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY NỘI DUNG I. Dẫn nhập II. Tri thức và biểu diễn tri thức III. Cấu Trúc Của Hệ Giải Toán Dựa Trên Tri Thức IV. Các Phương Pháp Biểu Diễn Tri Thức V. Mạng Tính toán VI. Tài liệu tham khảo I. Dẫn Nhập 1.1 Sự cần thiết của việc nghiên cứu xây dựng và phát triển các mô hình biểu diễn tri thức cho các chương trình giải toán thông minh. 1.2 Các ví dụ dẫn tới sự đề xuất mô hình Mạng Suy diễn - Tính toán và các vấn đề cơ bản trên mô hình. 1.1 VẤN ĐỀ BIỂU DIỄN TRI THỨC • Trong cấu trúc của một hệ giải toán dựa trên tri thức, 2 thành phần trung tâm là cơ sở tri thức và bộ suy diễn dựa trên tri thức. • Đã có nhiều phương pháp biểu diễn tri thức và suy diễn đã được nghiên cứu và đề xuất. Tuy nhiên mỗi phương pháp đều chỉ thể hiện được một khía cạnh nào đó của tri thức và có những nhược điểm nhất định. ⇒ Cần xây dựng và phát triển các mô hình biểu diễn tri thức giúp thiết kế và cài đặt phần tri thức cũng như phần suy diễn của các hệ giải toán dựa trên tri thức. 1.2 CÁC VÍ DỤ DẪN TỚI MÔ HÌNH Trong nhiều chủ đề giải toán thường gặp những vấn đề đặt ra dưới dạng như sau: 4 UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY • Cần phải thực hiện những tính toán hay suy diễn ra những yếu tố cần thiết nào đó từ một số yếu tố đã được biết trước. • Để giải quyết vấn đề người ta phải vận dụng một số hiểu biết (tri thức) nào đó về những liên hệ giữa các yếu tố đang được xem xét. Những liên hệ cho phép ta có thể suy ra được một số yếu tố từ giả thiết đã biết một số yếu tố khác. Ví dụ 1: Giả sử chúng ta đang quan tâm đến một số yếu tố trong một tam giác, chẳng hạn : 3 cạnh a, b, c; 3 góc tương ứng với 3 cạnh : α, β, γ; 3 đường cao tương ứng : ha, hb, hc; diện tích S của tam giác; nửa chu vi p của tam giác; bán kính đường tròn nội tiếp r của tam giác. Giữa 12 yếu tố trên có các công thức thể hiện những mối quan hệ giúp ta có thể giải quyết được một số vấn đề tính toán đặt ra như: Tính một yếu tố từ một số yếu tố được cho trước. Chẳng hạn, tính S khi biết a, b và p. Trong tam giác chúng ta có thể kể ra một số quan hệ dưới dạng công thức sau đây: • Liên hệ giữa 3 góc : α + β + γ = π • Địnhlýcosin: a 2 =b 2 +c 2 -2.b.c.cosα b 2 =a 2 +c 2 -2.a.c.cosβ c 2 = a 2 + b 2 - 2.a.b.cosγ • Định lý Sin: • Liên hệ giữa nửa chu vi và 3 cạnh : 2.p = a + b + c • Một số công thức tính diện tích: S = a.h a /2; S = b.h b /2; 5 γβα sin c sin b sin a == UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY S=c.h c /2; S = p.r • Công thức tính diện tích theo 3 cạnh (công thức Heron): Ví dụ 2. Một vật thể có khối lượng m chuyển động thẳng với gia tốc không thay đổi là a trong một khoảng thời gian tính từ thời điểm t 1 đến thời điểm t 2 . Vận tốùc ban đầu của vật thể là v 1 , vận tốc ở thời điểm cuối là v 2 , và vận tốc trung bình là v. Khoảng cách giữa điểm đầu và điểm cuối là ∆s. Lực tác động của chuyển động là f. Độ biến thiên vận tốc giữa 2 thời điểm là ∆v, và độ biến thiên thời gian là ∆t. Ngoài ra còn có một số yếu tố khác nữa của chuyển động vật thể có thể được quan tâm. Để giải những bài toán về chuyển động nầy chúng ta phải sử dụng một số công thức liên hệ giữa các yếu tố của chuyển động, chẳng hạn như: • f = m * a; • ∆v = a*∆t; • ∆s = v*∆t; • 2*v = v 1 + v 2 ; • ∆v = v 2 - v 1 ; • ∆t = t 2 - t 1 ; Ví dụ 3. Trong hóa học chúng ta thường phải sử dụng các phản ứng hóa học để điều chế các chất nầy từ các chất khác. Loại vấn đề nầy cũng cho ta một dạng tương tự như trong 2 ví dụ trên : Cho trước một số chất hóa học, hãy tìm cách điều chế ra một hay một số chất nào đó. II. TRI THỨC VÀ BIỂU DIỄN TRI THỨC 6 c)b)(pa)(pp(p −−− UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY 2.1 Khái niệm tri thức ° Tri thức không có được định nghĩa chính xác ° Khái niệm: Tri thức (knowledge) là sự hiểu biết về một lĩnh vực của chủ đề. ° Lĩnh vực: miền chủ đề được chú trọng. ° Tri thức thuờng bao gồm các khái niệm, các loại sự kiện, các luật, Ví dụ: 1. Kiến thức về một lĩnh vực y học và khả năng chẩn đoán bệnh là tri thức. 2. Biết một tam giác có các yếu tố nào cùng với các công thức liên hệ giữa các yếu tố là tri thức. 3. Biết các dạng cấu trúc dữ liệu thường dùng trong lập trình cùng với các thuật toán xử lý cơ bản trên các cấu trúc là tri thức. 2.2 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 để có thể tổ chức một cơ sở tri thức của hệ thống. ° Tại sao phải biểu diễn tri thức?Biểu diễn tri thức giúp có thể tổ chức và cài đặt một cơ sở tri thức cho các hệ chuyên gia, các hệ cở sở tri thức và các hệ giải bài toán dựa trên tri thức. 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. ° Các mô hình toán học: đồ thị, cây. ° Các mô hình đối tượng. ° Các ngôn ngữ đặc tả tri thức. Vídụ: Kiến thức về một tam giác cần thiết cho việc giải bài toán tam giác có thể được biểu diễn gồm: ° Một tập hợp các biến thực, mỗi biến đại diện cho một yếu tố của tam giác. 7 UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY ° 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 các công thức trong tam giác gồm: • f 1 : α + β + γ = π (radian). • f 2 : a 2 = b 2 + c 2 - 2.b.c.cos α • f 3 : b 2 = a 2 + c 2 - 2.a.c.cos β • f 4 : c 2 = a 2 + b 2 - 2.a.b.cos γ • f 5 : a / sin α = b / sin β • v.v 2.3 Các dạng tri thức • Tri thức mô tả: các khái niệm, các đối tượng cơ bản. • Tri thức cấu trúc: các khái niệm cấu trúc, các quan hệ, các đối tượng phức hợp, • Tri thức thủ tục: các luật dẫn, các thủ tục xử lý, các chiến lược, … • Tri thức meta: tri thức về các dạng tri thức khác và cách sử dụng chúng. 8 UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY III. CẤU TRÚC CỦA HỆ GIẢI TOÁN DỰA TRÊN TRI THỨC 3.1 Cấu Trúc Hệ Thống Các thành phần chính của hệ thống trong việc giải toán: Hệ giải toán thông minh có thể giải được các dạng bài toán tổng quát trong một miền tri thức. ° Cơ sở tri thức (Knowledge Base). Đây là trái tim của hệ thống, trong đó chứa các kiến thức cần thiết cho việc giải các bài toán. ° Bộ suy diễn (hay mô tơ suy diễn). Bộ suy diễn sẽ áp dụng kiến thức được lưu trữ trong cơ sở tri thức để giải quyết hay tìm lời giải cho các bài toán đặt ra. Sự tách biệt của bộ suy diễn và cơ sở tri thức là một tiêu chuẩn quan trọng. Sự tách biệt: tính độc lập tương đối giữa cơ sở tri thức và bộ suy diễn. Cần có sự tách biệt này vì: 1. Việc biểu diễn tri thức sẽ được thực hiện một cách tự nhiên hơn, gần gũi hơn với quan niệm của con người. 2. Các nhà thiết kế hệ thống sẽ tập trung vào vệc nắm bắt và tổ chức cơ sở tri thức hơn là phải đi vào những chi tiết cho việc cài đặt trên máy tính. 3. Giúp tăng cường tính mô-đun hóa của phần cơ sở tri thức, bộ suy diễn và bộ phận cập nhật, hiệu chỉnh kiến thức. Sự bổ sung hay loại bỏ bớt một phần kiến thức sẽ không gây ra những hiệu ứng lề cho các thành phần khác trong hệ thống. 4. Cho phép cùng một chiến lược điều khiển và giao tiếp có thể được sử dụng cho nhiều hệ thống khác nhau. 9 UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY 5. Sự tách biệt của kiến thức giải bài toán và bộ suy diễn còn giúp ta có thể thử nghiệm nhiều chiến lượt điều khiển khác nhau trên cùng một cơ sở tri thức. 3.2 Vấn đề biểu diễn tri thức ° Biểu diễn tri thức đóng vai trò rất quan trọng trong thiết kế và xây dựng một hệ giải bài toán thông minh và các hệ chuyên gia. ° Phương pháp biểu diễn tri thức thích hợp sẽ tạo nên một hệ thống có trái tim khỏe mạnh. ° Xây dựng và phát triển các phương pháp biểu diễn tri thức là một hướng nghiên cứu quan trọng cho các nhà nghiên cứu về Trí tuệ Nhân tạo 3.3 Vấn suy diễn tự động ° Suy diễn tự động để giải quyết các bài toán dựa trên tri thức cũng là một vấn đề quan trọng. ° Các phương pháp suy diễn tự động nhằm vận dụng kiến thức đã biết trong quá trính lập luận giải quyết vấn đề trong đó quan trọng nhất là các chiến lược điều khiển giúp phát sinh những sự kiện mới từ các sự kiện đã có. • Xây dựng và phát triển các phương pháp biểu diễn tri thức là một hướng nghiên cứu quan trọng cho các nhà nghiên cứu về Trí tuệ Nhân tạo IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN TRI THỨC 4.1 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 pháp này. Đó là ngôn ngữ lập trình PROLOG. ° Trong ngôn ngữ PROLOG, chỉ cần khai báo các sự kiện và các luật. Hệ thống sẽ thức hiện giải quyết vấn đề được yêu cầu dựa trên tri thức được khai báo. 4.2 Hệ luật dẫn ° Mỗi luật dẫn được phát biểu dưới dạng: if <giả thiết> then <kết luận> ° Mô hình: Một cách hình thức, hệ luật dẫn gồm 1) Tập ký hiệu đại diện cho các sự kiện. 2) tập luật dẫn trong đó <giả thiết> và <kết luận> là các tập hợp sự kiện ° Nhận xét: Mô hình hệ luật dẫn trên khó áp dụng trực tiếp vì quan niệm sự kiện khá đơn giản. 4.3 Mạng ngữ nghĩa 10 [...]... một dạng biểu diễn tri thức có thể dùng biểu diễn các tri thức về các vấn đề tính toán và được áp dụng một cách có hiệu quả để giải một số dạng bài toán Mỗi mạng tính toán là một mạng ngữ nghĩa chứa các biến và những quan hệ có thể cài đặt và sử dụng được cho việc tính toán Chúng ta xét một mạng tính toán gồm một tập hợp các biến cùng với một tập các quan hệ (chẳng hạn các công thức) tính toán giữa các... vận dụng một số hiểu biết (tri thức) nào đó về những liên hệ giữa các yếu tố đang được xem xét Những liên hệ cho phép ta có thể suy ra được một số yếu tố từ giả thiết đã biết một số yếu tố khác Trong bài viết này chúng ta xét đến một mô hình biểu diễn và xử lý tri thức có thể áp dụng giải tự động các bài toán trên và ta gọi mô hình này là Mạng tính toán 2 MẠNG TÍNH TOÁN Mạng tính toán là một dạng biểu. .. Proving [12] Adam Blum (1992) Neural Networks in C++ John Wiley & Sons, Inc 23 UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY Mục lục 1 Dẫn nhập 2 Tri thức và biểu diễn tri thức 3 Cấu Trúc Của He äGiải Toán Dựa Trên Tri Thức 4 Các Phương Pháp Biểu Diễn Tri Thức 5 Mạng Tính toán 6 Tài liệu tham khảo 24 ... lượt áp dụng các quan hệ trong dãy D (nếu được) Chúng ta có thể nói rằng D(A) là sự mở rộng của tập A nhờ áp dụng dãy quan hệ D 4 GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ : 4.1 Tính giải được của bài toán : Trong mục nầy chúng ta nêu lên một khái niệm có liên quan đến tính giải được của vấn đề trên một mạng tính toán : bao đóng của một tập hợp biến trên một mạng tính toán Định nghĩa 4.1: Cho mạng tính toán (M,F), và A là... được diễn đạt một cách rõ ràng trên sơ đồ mạng sau đây: Ví dụ 2: Chúng ta biết rằng trong hóa học, việc xem xét các phản ứng hóa học là một trong những vấn đề quan trọng Về mặt tri thức người ta đã biết được nhiều chất và các phản ứng hóa học có thể chuyển hóa từ một số chất nầy thành các chất khác Tạm thời bỏ qua một số điều kiện phản ứng, ta có thể xem tri thức đó như một mạng tính toán mà mỗi phản ứng. .. f2: p= 2*b1+2*b2; f3: d2= b12+b22; các quan hệ này đều là các quan hệ đối xứng hạng 1 Như vậy tập biến và tập quan hệ của mạng tính toán này là: M= {b1,b2,d,s,p} F={f1,f2,f3} 3 BÀI TOÁN TRÊN MẠNG TÍNH TOÁN : Cho một mạng tính toán (M,F), M là tập các biến và F là tập các quan hệ Giả sử có một tập biến A ⊆ M đã được xác định và B là một tập biến bất kỳ trong M Các vấn đề đặt ra là: 1 Có thể xác định... trình tính toán các biến để giải bài toán A→B như sau: bước 1: tính các biến trong tập B1 \ B0 (áp dụng f1) bước 2: tính các biến trong tập B2 \ B1 (áp dụng f2) v.v bước m: tính các biến trong tập Bm \ Bm-1 (áp dụng fm) 19 UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY (2) Từ chứng minh của định lý trên, ta có thể ghi ra một thuật toán để xây dựng dãy các tập biến {B1’, , Bm-1’, Bm’} rời nhau cần lần lượt tính toán. .. có bước tính toán thừa, chẳng hạn là f5 Thuật toán 3.3 sẽ lọc ra từ lời giải trên một lời giải tốt là {f1, f2, f9}: {a, β, γ} f 1→ {a, β, γ, α} f 2→ {a, β, γ, α, b} f 9→ {a, β, γ, α, b, S}    Theo lời giải nầy, ta có quá trình tính toán như sau : bước 1: tính α (áp dụng f1) 20 UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY bước 2: tính b (áp dụng f2) bước 3: tính S (áp dụng f9) Quá trình tính toán (gồm... mô hình tính toán là cần thiết Dưới đây là thuật toán cho phép xác định bao đóng của tập hợp A ⊆ M Trong thuật toán nầy chúng ta thử áp dụng các quan hệ f ∈ F để tìm dần những biến thuộc M có thể tính được từ A; cuối cùng sẽ được bao đóng của A Thuật toán 4.1 tìm bao đóng của tập A ⊆ M : Nhập :Mạng tính toán (M,F), A ⊆ M Xuất : A Thuật toán : 1 B ← A; 2 Repeat B1 ← B; for f ∈ F do if ( f đối xứng and... dẫn tới việc tính toán một số biến thừa, tức là các biến tính ra mà không có sử dụng cho các bước tính phía sau Do đó, chúng ta cần xem xét quá trình áp dụng các quan hệ trong lời giải và chỉ tính toán các biến thật sự cần thiết cho quá trình giải theo lời giải Định lý sau đây cho ta một sự phân tích tập các biến được xác định theo lời giải và trên cơ sở đó có thể xây dựng quá trình tính toán các biến . mô hình biểu diễn và xử lý tri thức có thể áp dụng giải tự động các bài toán trên và ta gọi mô hình này là Mạng tính toán . 2. MẠNG TÍNH TOÁN. Mạng tính toán là một dạng biểu diễn tri thức có. Tại sao phải biểu diễn tri thức ?Biểu diễn tri thức giúp có thể tổ chức và cài đặt một cơ sở tri thức cho các hệ chuyên gia, các hệ cở sở tri thức và các hệ giải bài toán dựa trên tri thức. Công. TECHNOLOGY NỘI DUNG I. Dẫn nhập II. Tri thức và biểu diễn tri thức III. Cấu Trúc Của Hệ Giải Toán Dựa Trên Tri Thức IV. Các Phương Pháp Biểu Diễn Tri Thức V. Mạng Tính toán VI. Tài liệu tham khảo I.