Tiểu luận MÔN BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG TÌM HIỂU MẠNG TÍNH TOÁN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN  BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ MÔN HỌC BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU MẠNG TÍNH TOÁN GVHD : TS. Đỗ Văn Nhơn Học viên : Ngô Thanh Tuấn (CH1101054) Email: ngothanhtuan@live.com Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 1/2013 Trang 2 Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng LỜI MỞ ĐẦU Trong bối cảnh xã hội thông tin hiện nay, thông tin chứa rất nhiều tri thức, chúng ta phải xử lý tốt những thông tin đó nhằm mang lại tiện ích cho cuộc sống con người. Tuy nhiên muốn giải quyết được những vấn đề cấp thiết trong cuộc sống hiện nay bằng công nghệ thông tin, thì trước tiên chúng ta cần phải tìm cách đem chúng vào máy tính. Biễu diễn tri thức chính là phương pháp nhằm đem những tri thức, vấn đề trong cuộc sống vào máy tính nhằm hỗ trợ con người giải quyết nhanh chóng các vấn đề gặp phải. Một phương pháp biễu diễn tri thức tốt phải là một phương pháp có những quy ước, ràng buộc mà con người có thể dễ dàng đọc hiểu, dễ dàng thao tác, để mà con người dễ dàng đưa các vấn đề của mình vào một cách nhanh chóng hơn. Trong tiểu luận này, em trình bày phương pháp dùng mạng tính toán để hỗ trợ giải quyết các bài toán sử dụng các giá trị tính toán: toán học, vật lý … Bài tiểu luận trình bày tổng quan về biễu diễn tri thức và cụ thể cho hai phương pháp dùng mạng tính toán với các giá trị đơn và mạng tính toán trên các đối tượng tính toán. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nhơn đã hướng dẫn, giúp em tiếp cận và làm quen với các phương pháp tiếp cận biễu diễn tri thức để tổng hợp thành bài báo cáo chuyên đề này. Tuy nhiên, với kiến thức còn hạn chế và thời gian có hạn nên bài tiểu luận khó tránh khỏi các thiếu sót. Em mong thầy cho em các ý kiến để em có thể hoàn thiện bài báo cáo hơn đồng thời cũng có thể gầy dựn cho mình những kinh nghiệm để làm tốt hơn những chuyên đề khác. Trang 3 Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Trang 4 Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng NỘI DUNG 1 Tổng quan về biễu diễn tri thức 5 2 Mạng tính toán 8 2.1 Giới thiệu: 8 2.2 Mạng tính toán với các giá trị đơn giản: 9 2.2.1 Định nghĩa: 9 2.2.2 Bài toán: 10 2.2.3 Định lý và thuật toán: 11 2.3 Mạng các đối tượng tính toán: 14 2.4 Mở rộng mạng tính toán: 19 3 Ứng dụng: 21 4 Kết luận 23 5 Tài liệu tham khảo 23 Trang 5 Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng 1 Tổng quan về biễu diễn tri thức Biễu diễn tri thức (knowledge representation) là một lĩnh vực trong nghiên cứu trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) nhằm vào mục đích biễu diễn tri thức bằng các ký hiệu tượng trưng để dễ dàng suy luận từ những thành phần của tri thức, và tạo ra những tri thức mới. Biễu diễn tri thức có thể được tạo ra một cách độc lập dưới mô hình tri thức hay cơ sở tri thức (knowledge base system) ví dụ như mạng ngữ nghĩa. Nghiên cứu biễu diễn tri thức liên quan đến phân tích làm thế nào giải thích chính xác, hiệu quả và làm thế nào sử dụng tốt bộ các ký hiệu tượng trưng để biễu diễn tập các sự thật (fact) nội trong một lĩnh vực tri thức. Một từ đại diện và một hệ thống logic kết hợp sẽ có thể tạo thành các suy luận từ các thành phần của tri thức dể tạo thành một tri thức mới. Các loại kỹ thuật biễu diễn tri thức phổ biến: khung (frame), luật (rule), the (tagging), và mạng ngữ nghĩa (semantic network) được hình thành từ nhận thức khoa học. Mục tiêu căn bản của biễu diễn tri thức là tạo điều kiện cho lập luận, suy diễn, hay xây dựng kết luận. Một kỹ thuật biễu diễn tri thức tốt cần phải có cả tri thức mô tả và tri thức thủ tục. Để hiểu biễu diễn tri thức là gì chúng ta có thể hiểu nó thông qua năm vai trò căn bản bên dưới: 1. Biễu diễn tri thức là một đại diện Bất kỳ thực thể thông minh nào đều muốn giải thích hợp lẽ cho những gì mà mình bắt gặp trong thế giới, sự thực là suy luận là quá trình diễn ra trong nội bộ, trong khi những hầu hết các đối tượng khác muốn biết lý do về sự tồn tại chỉ là bên ngoài. Ví dụ, một chương trình (hay người) lắp ráp một chiếc xe đạp, đều phải suy luận về các vật như bánh xe, xích, bánh răng, bàn đạp … những thứ chỉ tồn tại ở thế giới bên ngoài. Khi xem xét biễu diễn tri thức như một đại diện thì tự nhiên dẫn đến hai câu hỏi: Trang 6 Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng - Một đại diện thì nó đự định để nhận dạng hay xác định cái gì: nó đang đại diện cho cái gì? Phải có sự tương đồng cho cái nó dự định đại diện trong thế giới và vật đại diện, một đại diện phải có ý nghĩa về mặt ngữ nghĩa để cho dễ dàng biễu diễn. - Câu hỏi thứ hai là về sự đúng đắn: một đại diện có thực sự gần với đối tượng thực tế mà nó đại diện hay không? Thuộc tính nào của đối tượng thực tế mà nó mô phỏng, làm rõ, và thuộc tính nào nó bỏ qua. Nếu chúng ta đòi hỏi một đại diện mô tả chính xác đối tượng thì nhìn chung là không thể. Với hai bước nhỏ để mở rộng góc nhìn của biễu diễn tri thức như các cách đại diện: - Đối xử như nhau vật thể không thể sờ được như các vật thể có thể chạm được tương tác được. Ví dụ: bánh răng, sử dụng các hàm biễu diễn như các đại diện cho các khái niệm trừu tượng: hoạt động, xử lý, độ tin cậy, chủng loại… cho phép mô tả bên trong mỗi đối tượng. - Những đối tượng hình thức có thể tồn tại bên trong một cách chính xác. Ví dụ: đối tượng/thực thể toán học, có thể mô tả chính xác đúng đắn bởi vì chúng là các đối tượng hình thức. 2. Là một tập các cam kết thuộc bản thể (ontological commitments) Tất cả các phương pháp biễu diễn chỉ mô tả tương đối với thế giới hiện thực, nó biễu diễn một số phương diện và bỏ qua một số phương diện khác. Việc này giống với tạo ra các quyết định về việc chúng ta xem thế giới là cái gì hay nó như thế nào. Ví dụ việc ta chụp một tấm ảnh, ta sẽ đưa ống kính vào vùng ta quan sát, chọn lựa vùng nào làm điểm lấy nét rõ, còn các vùng khác sẽ mờ đi. Quả thật như vậy, chọn lựa một cách để biễu diễn là tạo ra một tập các cam kết thuộc bản thể. Những lựa chọn này không phải ngẫu nhiên, mà chúng thuộc về bản chất, chúng góp phần mô tả rõ hơn đối tượng. - Cam kết bắt đầu từ các lựa chọn ban đầu Trang 7 Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng o Các luật, khung, logic… mỗi cái là biểu hiện của một khía cạnh trên các thứ quan trọng trong thế giới. Logic nhìn thế giới trong phạm vi của các cá thể và mối quan hệ giữa chúng. Hệ thống dựa trên luật nhìn thế giới trong phạm vi bộ ba giá trị - thuộc tính - đối tượng và các luật của các suy luận hợp lý để kết nối chúng, trong khi khung nhìn trên phạm vi của các đối tượng nguyên mẫu ban đầu. - Các cam kết tích lũy dần trong các lớp (layers): cam kết về những khía cạnh riêng biệt của thế giới do đó nó bắt đầu là sự lựa chọn các kỹ thuật để mô tả tri thức, và tích lũy các lựa chọn được quyết định sau đó về làm sao xem xét thế giới trong các phạm vi đã xác định trước. - Biễu diễn tri thức không phải là một cấu trúc dữ liệu. 3. Là một lý thuyết rời rạc của sự suy luận thông minh Vai trò này xuất phát từ khái niệm ban đầu của biễu diễn được hỗ trợ bởi những quan niệm bên trong làm thế nào con người suy luận một cách thông minh, hay bởi sự tin tưởng về cái mà biễu diễn tri thức làm phương tiện để suy luận thông minh. 4. Là phương tiện của tính toán hiệu năng cao Từ cái nhìn một cách máy móc, sự suy diễn bên trong các máy móc (con người) là một quá trình tính toán. Biễu diễn tri thức căn bản cung cấp một tập các ý tưởng làm thế nào để tổ chức, sắp xếp thông tin theo cách nào đó để dễ dàng tạo ra các suy diễn. Ví dụ, khái niệm frame (khung) là một dạng mô tả rập khuôn, gắn kết mỗi khung với vài loại thông tin. Một số thông tin về việc gì sẽ xảy ra tiếp theo, hay một số nói về cái gì tiếp tục nếu những dự định chưa được xác nhận. 5. Là phương tiện cho sự diễn đạt của con người Trang 8 Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng Biểu diễn tri thức là phương tiện con người mô tả những điều về thế giới, phương tiện mô tả và giao tiếp mà chúng ta đưa vào máy tính. Vai trò của biểu diễn không thể chối cãi trong lúc mà chúng ta còn cần mô tả thế giới vào máy tính. Mô tả thế giới vào máy tính dẫn đến hai dạng câu hỏi:  Dạng câu hỏi về sự quen thuộc: Các hàm biễu diễn về vai trò phương tiện mô tả tốt như thế nào? Nó tổng quát ra sao? Chính xác như thế nào? Nó có mô tả đầy đủ không?  Dạng câu hỏi khác ít phổ biến hơn: Vai trò của nó về phương tiện giao tiếp tốt ra sao? Làm thế nào dễ dàng cho chúng ta nó chuyện với nó? Khó khăn và thuận lợi gì trong ngôn ngữ giao tiếp với nó? Sự biễu diễn là ngôn ngữ mà chúng ta giao tiếp, do đó chúng ta có thể nói bình thường mà không cần phải cường điệu nó lên. 2 Mạng tính toán 2.1 Giới thiệu: Trong lĩnh vực khoa học trí tuệ nhân tạo, mô hình và phương pháp đóng một vai trò quan trọng trong hệ cơ sở tri thức và hệ chuyên gia. Ngày nay, có nhiều mô hình biễu diễn tri thức được đề nghị và ứng dụng vào thực tế như: logic vị từ, khung, mạng ngữ nghĩa, luật suy diễn. Giữa các phương pháp như mạng neural logic mờ có thể sử dụng cho tính toán thông minh. Một số phương pháp khác lại phù hợp cho sử lý ngữ nghĩa và biễu diễn như là đồ thị khái niệm. Các phương pháp nêu trên rất cho việc thiết kế một hệ thống thông minh, và giải quyết các bài toán phức tạp. Tuy nhiên, nó lại không phù hợp để biễu diễn tri thức trong các trường hợp ứng dụng cụ thể trong thực tế, đặc biệt hệ thống có thể giải quyết các bài toán trong thực tiễn dựa trên hệ cơ sở tri thức. Kỹ thuật ontology mà được gọi là COKB-ONT được giới thiệu công cụ tốt và hữu dụng để phát triển hệ cơ sở tri thức Trang 9 Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng trong thực tiễn. Kỹ thuật ontology được dùng để xây dựng một số hệ thống thông minh trong dạy học. Tuy vậy kỹ thuật COKB-ONT không đủ mạnh để biễu diễn tri thức trong nhiều ứng dụng thực tế. Do đó chúng ta cần một mô hình khác để biễu diễn các bài toán dùng tri thức. Trong các phần tiếp theo của tiểu luận này sẽ trình bày kỹ thuật biểu diễn tri thức dùng mạng tính toán. Nó được dùng để thiết kế một số cơ sở tri thức trong dạy học như hỗ trợ dạy học, giải quyết phân tích các bài toán địa lý … Các ứng dụng này thường được xây dựng trên ngôn ngữ C++, JAVA, MAPLE. 2.2 Mạng tính toán với các giá trị đơn giản: 2.2.1 Định nghĩa: Định nghĩa 1: Mạng tính toán với các giá trị đơn là một cặp (M, F), trong đó - M = {x 1 , x 2 … x n }: tập các biến giá trị đơn (dữ liệu không có cấu trúc) - F = {f 1 , f 2 … f n }: tập các quan hệ tính toán trên các biến của tập M. Mỗi quan hệ tính toán f  F có dạng như sau: i. Một phương trình trên các biến của M ii. Luật suy diễn f: u(f)  v(f), u(f)  M, v(f)  M, và có công thức tương ứng để tính toán v(f) từ u(f). Có thể định nghĩa tập M(f) = u(f)  v(f). * Trong một số ứng dụng phương trình được nói đến ở trên cũng có thể là các luật suy diễn. Ví dụ 1: Tri thức tính toán trên các thành phần của tam giác ABC biễu diễn thông qua mạng tính toán (M, F) với M = {A, B, C, a, b, c, R, S, p …} (tập các thuộc tính của tam giác ABC) - A, B, C: là 3 đỉnh của tam giác - a, b, c: là 3 cạnh của tam giác tương ứng đối diện 3 đỉnh A, B, C - R, S, p: lần lượt là bán kính đường tròn ngoại tiếp, diện tích, chu vi tam giác Trang 10 Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng Và F = {f1: A + B + C = π, f2:      ,      ,      , f5: p=(a+b+c)/2, f6: S = a.h a /2, f7: S = b.h b /2, f8: S = c.h c /2, f9: S= a.b.sin(C)/2, … }. Ví dụ 2: Mạng tính toán cho một hình chữ nhật. - a, b: là 2 cạnh của hình chữ nhật - d: là đường chéo hình chữ nhật - S: là diện tích - p: là chu vi hình chữ nhật M= {a, b , d, S, p}; F = {f1: S=a*b, f2:2*(a+b), f3: d 2 =a 2 +b 2 } 2.2.2 Bài toán: Cho mạng tính toán (M, F). Bài toán đặt ra từ các ứng dụng thực tế tìm cách giải quyết để xác định G  M từ tập H  M. Bài toán được ký hiệu là H  G. H là giả thiết, còn G là kết luận của bài toán. Muốn giải quyết bài toán, ta phải trả lời hai câu hỏi: 1. Bài toán có thể giải quyết được với hệ cơ sở tri thức K = (M, F)? 2. Làm thế nào để đạt được G từ giả thuyết H từ tri thức K = (M, F) trong trường hợp vấn đề có thể giải được? Ví dụ 3: từ tri thức K= (M, F) ở ví dụ trên, giả sử ta có tập giả thiết H = {a=3, b=4, C= /2} Định nghĩa 2: cho mạng tính toán K = (M, F) 1. Với mỗi A  M và f  F, gọi f(A) = A  M(f) là tập suy ra từ A dựa vào f. Gọi S = [f 1 , f 2 … f n ] là danh sách các quan hệ trong F, ký hiệu S(A)= f k (f k-1 ( … f 2 (f 1 (A)) …)) để mô tả tập các biến suy ra từ A dựa vào các quan hệ trong S. 2. Danh sách S = [f 1 , f 2 … f n ] được gọi là lời giải cho bài toán H  G nếu S(H)  G. Lời giải S gọi là một lời giải tốt nếu không có một lời danh [...]... Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng Trang 23 4 Kết luận Qua quá trình tìm hiểu, và hoàn thành tài liệu nghiên cứu này, đã giúp em có thêm những kiến thức tổng quát về biễu diễn tri thức, vai trò của biễu diễn tri thức Biễu diễn tri thức là phương tiện hỗ trợ con người thực hiện các tính toán, suy luận dựa trên những tri thức, đi tìm giải pháp cho các bài toán nhanh chóng Mạng tính toán là một ví dụ biễu diễn. .. các đối tượng Một mạng các đối tượng tính toán bao gồm 1 tập các đối tượng tính toán O = {O1, O2 … On} và một tập các quan hệ tính toán F = {f1, f2 … fn} Ký hiệu mạng tính toán này là (O, F) Với:  M (fi): tập thuộc tính của các đối tượng tính toán trong quan hệ fi Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng Trang 15  ⋃  ⋃  M: tập các thuộc tính của các đối tượng tính toán được xem xét trong bài toán nào đó  Mi... rộng mạng tính toán: Mạng tính toán với giá trị đơn, và mạng với các đối tượng tính toán có thể được dùng để biễu diễn tri thức trong nhiều lĩnh vực khác nhau Các thành phần cơ bản của tri thức bao gồm tập các giá trị đơn giản và tập các quan hệ tính toán trên các biến Tuy nhiên, có những miền tri thức dựa lên tập các nhân tố, mỗi nhân tố có thể là một biến đơn hay là một hàm Định nghĩa 1: một mạng tính. .. 1: tính A thông qua f1 - Bước 2: tính b thông qua f2 Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng Trang 14 - Bước 3: Tính S thông qua f9 2.3 Mạng các đối tượng tính toán: Trong nhiều bài toán ta gặp nhiều loại đối tượng khác nhau, mỗi đối tượng có những đặc tính đặc trưng và có mối quan hệ riêng bên trong của nó Do đó, chúng ta cần xem xét để mở rộng mạng tính toán trong trường hợp các biến là các đối tượng tính toán. .. Phần này không đề cập lại mà chỉ mô tả thuật toán tìm lời giải cho bài toán Điều quan trọng cần ghi nhớ ở đây các đối tượng có thể tham gia vào các lời giải như là các quan hệ tính toán Thuật toán 1: tìm lời giải cho H  G trên mạng các đối tượng tính toán Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng Trang 17 Bước 1: Solution  empty; // Solution là dãy các quan hệ sẽ áp dụng Bước 2: if G  H then begin Solution_found... duy của con người về việc tìm kiếm các mẫu bài toán trong quá trình suy luận để giải quyết bài toán, cũng được xây dựng để dùng hiệu quả đối tượng tính toán Tuy nhiên, ứng dụng chỉ minh họa cho việc tính toán trên các giá trị đơn giản, chưa xây dựng được ứng dụng trên các đối tượng tính toán Đây cũng là một hạn chế của tiểu luận 5 Tài liệu tham khảo  Danh sách giáo trình và sách điện tử 1 Computational... {t1, t2…, tk} là tập các toán tử trên các đối tượng Trên cấu trúc (O, T), có các mô tả của các đối tượng mà mỗi mô tả đó luôn có những thuộc tính mà như thể nó là một đối tượng Sự mở rộng của mạng tính toán làm cho khả năng hiện thực các tri thức ngày càng mạnh mẽ hơn 3 Ứng dụng: Cài đặt thuật toán mạng tính toán trên các giá trị đơn bằng Maple, để minh họa cho ví dụ mạng tính toán giá trị đơn Trong... 2 … m] Dựa vào ký hiệu trên thì Mi là tập các thuộc tính xem xét của đối tượng Oi Trên mạng tính toán (O, F), chúng ta xét bài toán xác định các thuộc tính trong tập G từ các thuộc tính trong tập H Ký hiệu bài toán H  G Ví dụ 2: cho hình sau Giả sử: AB = AC, góc A và cạnh BC cho trước, ABDE và ACFG là hình vuông Tính độ dài cạnh EG Bài toán có thể được xem xét trong mạng đối tượng tính toán (O, F)... là một ví dụ biễu diễn tri thức Mạng tính toán xuất phát từ nhu cầu giải quyết cho các bài toán có đối tượng là các giá trị đơn giản, rồi mở rộng các giá trị đơn thành các đối tượng tính toán đáp ứng tốt hơn để giải các vấn đề thực tiễn Các đối tượng tính toán mang trong mình khả năng có thể tính toán giá trị các thuộc tính nội tại của nó Mô hình COKB cũng đề ra một mô hình tính toán được đề ra sáu thành... On} là tập các đối tượng tính toán mở rộng Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng Trang 21 2) M là tập các thuộc tính của đối tượng Ký hiệu: Mv(Oi) là tập các thuộc tính giá trị đơn của đối tượng Oi, tương tự Mf(Oi) là tập các thuộc tính hàm của Oi, M(Oi) = Mv(Oi) ∪ Mf(Oi), M(O) = M(O1) ∪ M(O2) ∪ … ∪ M(On), và M ⊆ M(O) 3) F = F(O) là tập các quan hệ tính toán trên các thuộc tính trong M và trên các đối tượng . 2.4 Mở rộng mạng tính toán: 19 3 Ứng dụng: 21 4 Kết luận 23 5 Tài liệu tham khảo 23 Trang 5 Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng 1 Tổng quan về biễu diễn tri thức Biễu diễn tri thức (knowledge. Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Trang 4 Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng NỘI DUNG 1 Tổng quan về biễu diễn tri thức. Biễu Diễn Tri Thức và Ứng Dụng Biểu diễn tri thức là phương tiện con người mô tả những điều về thế giới, phương tiện mô tả và giao tiếp mà chúng ta đưa vào máy tính. Vai trò của biểu diễn