BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG MẠNG TÍNH TOÁN

 Cần phải thực hiện những tính toán hay suy diễn ra những yếu tố cần thiếtnào 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 t

BÀI BÁO CÁO MÔN HỌC:

BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ

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

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 trìnhhọc tập tại trường Thầy đã rất nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quátrình 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 việcxây 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

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

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 trungtâm 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 khíacạnh nào đó của tri thức và có những nhược điểm nhất định

Þ Cần xây dựng và phát triển các mô hình biểu diễn tri thức giúp thiết kế và càiđặt 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 dạngnhư sau:

 Cần phải thực hiện những tính toán hay suy diễn ra những yếu tố cần thiếtnào 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 chophép ta có thể suy ra được một số yếu tố từ giả thiết đã biết một số yếu tốkhác

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 : a, b, g; 3 đường caotương ứng : ha, hb, hc; diện tích S của tam giác; nửa chu vi p của tam giác; bánkính 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 thứcsau đây:

a sin

c sin

b sin

a





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 t1 đến thời điểm t2 Vận tốùcban đầu của vật thể là v1, vận tốc ở thời điểm cuối là v2, và vận tốc trung bình

là v Khoảng cách giữa điểm đầu và điểm cuối là Ds Lực tác động của chuyểnđộng là f Độ biến thiên vận tốc giữa 2 thời điểm là Dv, và độ biến thiên thờigian là Dt Ngoài ra còn có một số yếu tố khác nữa của chuyển động vật thể cóthể được quan tâm

Để giải những bài toán về chuyển động nầy chúng ta phải sử dụng một sốcông thức liên hệ giữa các yếu tố của chuyển động, chẳng hạn như:

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 mộtdạng tương tự như trong 2 ví dụ trên : Cho trước một số chất hóa học, hãytìm cách điều chế ra một hay một số chất nào đó

2.1 Khái niệm tri thức

c) b)(p a)(p

p(p   

° 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 giữacác yếu tố là tri thức

3 Biết các dạng cấu trúc dữ liệu thường dùng trong lập trình cùng với cácthuật 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 hiệncủa 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 càiđặt một cơ sở tri thức cho các hệ chuyên gia, các hệ cở sở tri thức và các hệgiải 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 thểđược 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

a, b, g : 3 góc đối diện với 3 cạnh tương ứng trong tam giác

ha, hb, hc : 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

 Tri thức mô tả: các khái niệm, các đối tượng cơ bản

 Tri thức cấu trúc: các khái niệm cấu trúc, các quan hệ, cácđối tượng phức hợp,

 Tri thức thủ tục: các luật dẫn, các thủ tục xử lý, các chiếnlược, …

 Tri thức meta: tri thức về các dạng tri thức khác và cách

sử dụng chúng

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

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

• 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

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>

- 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 thức một cách trực quan giúp thiết

kế các xử lý như: thêm/bớt các khái niệm hay các đối tượng, tìm kiếm thông tin

° Nhận xét: Mô hình khá trừu tượng và khái quát, trong áp dụng phải phát triển các mô hình tri thức cụ thể hơn

4.4 Các khung(frame)

° Các khung (frame) thể hiện các khái niệm dưới dạng cấu trúc mẫu tin 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

° Khung lớp: thể hiện các tính chất tổng quát của một lớp các đối tượng, với

những quan hệ kế thừa và cấu trúc phân cấp

V MẠNG TÍNH TOÁN

1 Giới thiệu

Một trong những vấn đề hiện nay đang được quan tâm của “Trí Tuệ NhânTạo” là nghiên cứu các phương pháp biểu diễn và xử lý tri thức Trên cơ sở đó cóthể tạo ra những chương trình “thông minh” ở một mức độ nào đó Trong nhiềulĩnh vực chúng ta thường gặp những vấn đề đặt ra dưới dạng như sau : Chúng taphải thực hiện những tính toán hay suy diễn ra những yếu tố cần thiết nào đó từmột 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 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 diễn tri thức có thể dùng biểu diễn các trithức 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 biến Trong ứng dụng cụ thể mỗibiến và giá trị của nó thường gắn liền với một khái niệm cụ thể về sự vật, mỗiquan hệ thể hiện một sự tri thức về sự vật

2.1 Các quan hệ:

Cho M = x1,x2, ,xm là một tập hợp các biến có thể lấy giá trị trong các miềnxác định tương ứng D1,D2, ,Dm Đối với mỗi quan hệ R  D1xD2x xDm trên cáctập hợp D1,D2, ,Dm ta nói rằng quan hệ nầy liên kết các biến x1,x2, ,xm, và ký hiệu

là R(x1,x2, ,xm) hay vắn tắt là R(x) (ký hiệu x dùng để chỉ bộ biến < x1,x2, ,xm >)

Ta có thể thấy rằng quan hệ R(x) có thể được biểu diễn bởi một ánh xạ fR,u,v với u

 v = x, và ta viết : fR,u,v : u  v, hay vắn tắt là f : u  v

Đối với các quan hệ dùng cho việc tính toán, cách ký hiệu trên bao hàm ýnghĩa như là một hàm: ta có thể tính được giá trị của các biến thuộc v khi biếtđược giá trị của các biến thuộc u

Trong phần sau ta xét các quan hệ xác định bởi các hàm có dạng f : u  v,

trong đó u  v =  (tập rỗng) Đặc biệt là các quan hệ đối xứng có hạng (rank)

bằng một số nguyên dương k Đó là các quan hệ mà ta có thể tính được k biến bất

kỳ từ m-k biến kia (ở đây x là bộ gồm m biến < x1,x2, ,xm >) Ngoài ra, trongtrường hợp cần nói rõ ta viết u(f) thay cho u, v(f) thay cho v Đối với các quan hệkhông phải là đối xứng có hạng k, không làm mất tính tổng quát, ta có thể giả sửquan hệ xác định duy nhất một hàm f với tập biến vào là u(f) và tập biến ra là v(f);

ta gọi loại quan hệ nầy là quan hệ không đối xứng xác định một hàm, hay gọi vắn

tắt là quan hệ không đối xứng.

Ta có thể vẽ hình biểu diễn cho các quan hệ đối xứng và quan hệ không đốixứng như sau:

XmX1

Quan hệ không đối xứng có hạng k

Ví dụ: Quan hệ f giữa 3 góc A,B,C trong tam giác ABC cho bởi hệ thức: A+B+C=

trong đó mỗi biến đều có giá trị là thuộc tập hợp các số thực dương Giữa các biến ta đã biết có các quan hệ sau đây:

f1: s= b1*b2;

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 trongM

Các vấn đề đặt ra là:

1 Có thể xác định được tập B từ tập A nhờ các quan hệ trong F hay không?

Nói cách khác, ta có thể tính được giá trị của các biến thuộc B với giả thiết đã biếtgiá trị của các biến thuộc A hay không?

2 Nếu có thể xác định được B từ A thì quá trình tính toán giá trị của các biến

thuộc B như thế nào?

3 Trong trường hợp không thể xác định được B, thì cần cho thêm điều kiện gì

để có thể xác định được B

Bài toán xác định B từ A trên mạng tính toán (M,F) được viết dưới dạng:

A  B,trong đó A được gọi là giả thiết, B được gọi là mục tiêu tính toán của bài toán

Định nghĩa 2.1:

Bài toán A  B được gọi là giải được khi có thể tính toán được giá trị các

biến thuộc B xuất phát từ giả thiết A Ta nói rằng một dãy các quan hệ f1, f2, ,fk  F là một lời giải của bài toán A  B nếu như ta lần lượt áp dụng các quan

hệ fi (i=1, ,k) xuất phát từ giả thiết A thì sẽ tính được các biến thuộc B Lời giải

f1, f2, , fk được gọi là lời giải tốt nếu không thể bỏ bớt một số bước tính toántrong quá trình giải, tức là không thể bỏ bớt một số quan hệ trong lời giải

Việc tìm lời giải cho bài toán là việc tìm ra một dãy quan hệ để có thể ápdụng suy ra được B từ A Điều nầy cũng có nghĩa là tìm ra được một quá trình tínhtoán để giải bài toán

Định nghĩa 2.2 :

Cho D = f1, f2, , fk là một dãy quan hệ của mạng tính toán (M,F), A là

một tập con của M Ta nói dãy quan hệ D là áp dụng được trên tập A khi và chỉ

khi ta có thể lần lượt áp dụng được các quan hệ f1, f2, , fk xuất phát từ giả thiết A

Nhận xét : Trong định nghĩa trên, nếu đặt : A0 = A, A1 = A0  M(f1), ,

Ak = Ak-1  M(fk), và ký hiệu Ak là D(A), thì ta có D là một lời giải của bài toán A

 D(A) Trong trường hợp D là một dãy quan hệ bất kỳ (không nhất thiết là ápdụng được trên A), ta vẫn ký hiệu D(A) là tập biến đạt được khi lần lượt áp dụngcác quan hệ trong dãy D (nếu được) Chúng ta có thể nói rằng D(A) là sự mở rộngcủa 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 giảiđược của vấn đề trên một mạng tính toán : bao đóng của một tập hợp biến trên mộtmạng tính toán

Định nghĩa 4.1: Cho mạng tính toán (M,F), và A là một tập con của M Ta

có thể thấy rằng có duy nhất một tập hợp B lớn nhất  M sao cho bài toán A  B

là giải được, và tập hợp B nầy được gọi là bao đóng của A trên mô hình (M,F).

Một cách trực quan, có thể nói bao đóng của A là sự mở rộng tối đa của A trên môhình (M,F) Ký hiệu bao đóng của A là A, chúng ta có định lý sau đây:

Định lý 4.1 Trên một mạng tính toán (M,F), bài toán A  B là giải được

khi và chỉ khi B  A

Từ định lý nầy, ta có thể kiểm tra tính giải được của bài toán A  B bằng cáchtính bao đóng của tập A rồi xét xem B có bao hàm trong A hay không

Định lý 4.2 Cho một mạng tính toán (M,F), A, B là hai tập con của M Ta

có các điều sau đây là tương đương:

Dễ dàng thấy rằng dãy f1, f2, , fk nầy thỏa các điều kiện (2)