Nghiên cứu mô hình COKB thu hẹp và giải quyết vấn đề trên thành phần tri thức hàm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN  TRẦN PHONG NHÃ NGHIÊN CỨU MỘT MÔ HÌNH COKB THU HẸP VÀ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ TRÊN THÀNH PHẦN TRI THỨC HÀM LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01.01 TP.HỒ CHÍ MINH – NĂM 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN  TRẦN PHONG NHÃ NGHIÊN CỨU MỘT MÔ HÌNH COKB THU HẸP VÀ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ TRÊN THÀNH PHẦN TRI THỨC HÀM LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01.01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐỖ VĂN NHƠN TP.HỒ CHÍ MINH – NĂM 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: i. Luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của riêng tôi. ii. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Học viên Trần Phong Nhã 1 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4 DANH MỤC CÁC BẢNG 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5 MỞ ĐẦU 6 Chương 1. TỔNG QUAN 7 1.1 VẤN ĐỀ TRI THỨC 7 1.1.1 Tri thức là gì ? 7 1.1.2 Các cách tiếp cận khoa học về tri thức 7 1.2 BIỂU DIỄN TRI THỨC 8 1.2.1 Định nghĩa 8 1.2.2 Tầm quan trọng của việc nghiên cứu các mô hình biểu diễn tri thức 8 1.2.3 Các phương pháp biểu diễn tri thức trên máy tính 9 1.2.4 Các phương pháp suy diễn trên máy tính 16 1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 17 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19 2.1 MÔ HÌNH COKB 19 2.1.1 Đối tượng tính toán 19 2.1.2 Các thành phần của mô hình COKB 21 2.1.3 Ngôn ngữ đặc tả cho mô hình COKB 23 2.2 MẠNG TÍNH TOÁN 25 2.2.1 Mạng tính toán với các biến có giá trị đơn giản 26 2.2.2 Mạng các đối tượng tính toán 27 2.2.3 Mạng tính toán mở rộng 29 2 2.3 HỆ GIẢI TOÁN THÔNG MINH 30 2.3.1 Yêu cầu đối với một hệ giải toán: 30 2.3.2 Cấu trúc của một hệ giải toán dựa trên tri thức 30 Chương 3. MÔ HÌNH VÀ THUẬT GIẢI 34 3.1 MÔ HÌNH TRI THỨC FUNCS-COKB 34 3.1.1 Các thành phần của mô hình Funcs-COKB 34 3.1.2 Các loại sự kiện trong mô hình Funcs-COKB 35 3.2 TỔ CHỨC CƠ SỞ TRI THỨC VỀ CÁC COM-OBJECT THEO MÔ HÌNH FUNCS-COKB 37 3.2.1 Các thành phần trong cơ sở tri thức về các Com-Object. 37 3.2.2 Cấu trúc các tập tin lưu trữ các thành phần trong mô hình Funcs-COKB 38 3.3.3 Sơ đồ tổ chức cơ sở tri thức 47 3.3 MÔ HÌNH BÀI TOÁN 48 3.3.1 Định nghĩa 3.2 49 3.3.2 Ví dụ biểu diễn một số bài toán theo mô hình mạng các Com-Object 49 3.4 THUẬT TOÁN GIẢI TOÁN TỰ ĐỘNG THEO MÔ HÌNH FUNCS- COKB 51 3.4.1 Thuật toán giải toán tự động 51 3.4.2 Định nghĩa các bước giải 52 3.4.3 Heuristic 55 3.5 CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT 57 3.5.1 Hợp nhất sự kiện 57 3.5.2 Thuật giải tìm kiếm và suy diễn trên hàm 60 3.5.3 Thuật giải tìm và giải hệ phương trình 61 3.6 CÁC VÍ DỤ MINH HỌA 63 3 Chương 4. THIẾT KẾ ỨNG DỤNG VÀ THỬ NGHIỆM 66 4.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ SỞ TRI THỨC 66 4.2 THIẾT KẾ BỘ SUY DIỄN 74 4.3 MINH HỌA ỨNG DỤNG 76 4.3.1 Đặc tả đề bài toán 77 4.3.2 Một số thủ tục chính được cài đặt bằng Maple 79 4.3.3 Các ví dụ minh họa ứng dụng giải toán 80 4.4 THỬ NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ 88 Chương 5. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 92 5.1 CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 92 5.2 NHỮNG TỒN TẠI CỦA LUẬN VĂN 93 5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 PHỤ LỤC 96 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT TỪ VIẾT ĐẦY ĐỦ Ý NGHĨA COKB Computational Objects Knowledge Base Cơ sở tri thức các đối tượng tính toán Com-Object Computational Object Đối tượng tính toán Com-Net Computational Network Mạng tính toán CO-Net Computational Objects Network Mạng các đối tượng tính toán Funcs-COKB Cơ sở tri thức các đối tượng tính toán khuyết H, tập trung giải quyết thành phần hàm 5 DANH MỤC CÁC BẢNG STT Hình vẽ Trang 1 Bảng 4.1. Thống kê kết quả thử nghiệm ứng dụng giải toán tự động 88 2 Bảng 4.2. Bảng đánh giá – nhận xét về chương trình ứng dụng 91 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ STT Hình vẽ Trang 1 Hình 2.1. Một bài toán trong hình học phẳng 28 2 Hình 2.2. Cấu trúc của một hệ giải toán 30 3 Hình 3.1. Sơ đồ tổ chức cơ sở tri thức theo mô hình Funcs-COKB 47 4 Hình 4.1. Phần mềm ôn thi đại học- môn toán của công ty Adcom 90 5 Hình 4.2. Ứng dụng giải toán online Mathway 90 6 MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực khoa học máy tính nói chung, đặc biệt là lĩnh vực khoa học trí tuệ nhân tạo nói riêng, luôn luôn có những bước phát triển nhảy vọt rất mạnh mẽ, nó đã, đang và sẽ hỗ trợ vào mọi lĩnh vực trong đời sống xã hội, sản phẩm của công nghệ thông tin luôn biến đổi từng ngày, từng giờ. Chính vì vậy, làm khó khăn cho việc học tập và nghiên cứu. Với đề tài đã chọn là: “Nghiên cứu một mô hình COKB thu hẹp và giải quyết vấn đề trên thành phần hàm”, tôi đã sử dụng ngôn ngữ lập trình tính toán hình thức Maple để thực hiện phần ứng dụng minh họa. Về góc độ học tập, nghiên cứu, tôi nhận thấy rằng đề tài này giúp cho tôi hiểu rõ hơn về các mô hình biểu diễn tri thức nói chung và mô hình tri thức các đối tượng tính toán (COKB) nói riêng. Qua đó, phân tích được những ưu điểm cũng như các vấn đề còn tồn tại của mô hình COKB để nghiên cứu, đề xuất một mô hình COKB thu hẹp phù hợp hơn với một số miền tri thức nhất định. Từ việc nắm bắt được về mặt lý thuyết lẫn kỹ thuật, tôi đã viết một ứng dụng minh họa là một ứng dụng giải toán hình học giải tích hai chiều, giúp cho việc giải toán phổ thông được thuận tiện hơn. Ngoài ra việc thực hiện đề tài này còn mang ý nghĩa đánh giá lại quá trình học tập, nghiên cứu của tôi. Nên về mặt tinh thần, tôi đã cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu và chuẩn bị khá chu đáo cho việc thực hiện bài luận văn này. Vì thời gian thực hiện cũng như trình độ tiếp thu của tác giả có giới hạn còn kiến thức thì vô hạn. Vì vậy, bài báo cáo này chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô và độc giả về mặt nội dung cũng như hình thức của tài liệu này. Tôi xin chân thành cám ơn! Học viên Trần Phong Nhã Chương 1. Tổng quan 7 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 VẤN ĐỀ TRI THỨC 1.1.1 Tri thức là gì ? Tri thức thường được xem là những hiểu biết có mức độ khái quát của con người trong một phạm vi, một lĩnh vực, một khía cạnh hay một vấn đề nào đó, là kết quả của quá trình nhận thức, học tập và lập luận, là kiến thức mà con người tích lũy được thông qua quá trình hoạt động lao động sản xuất vật chất. Các tri thức thường gặp bao gồm: các khái niệm, các sự kiện, nguyên lý, định lý, định luật, quan hệ giữa các khái niệm và kinh nghiệm. Hoạt động nhận thức của con người bao gồm việc tìm kiếm tri thức để tăng cường hiểu biết về tự nhiên, xã hội và cuộc sống, đồng thời sử dụng các tri thức có được để tạo nên các kỹ thuật, công nghệ và giải pháp nhằm không ngừng cải thiện cuộc sống của mình. Tập hợp các tri thức liên quan đến vấn đề mà chương trình quan tâm giải quyết tạo thành một cơ sở tri thức [3]. 1.1.2 Các cách tiếp cận khoa học về tri thức Cho đến gần đây, mọi hoạt động liên quan đến việc hình thành tri thức và các quá trình suy luận trên tri thức đều thuộc chức năng đặc biệt của bộ não con người. Sự ra đời của máy tính điện tử đã mở ra triển vọng là một số chức năng trí óc có thể dần dần được thực hiện bởi máy tính. Những thành tựu bước đầu của việc dùng máy tính để tự động hoá chứng minh các định lý của Logic toán, để chơi cờ, để phiên dịch, ngay từ thập niên 50, tuy còn khá thô sơ nhưng cũng đủ để kích thích sự phát triển của nhiều ngành khoa học và công nghệ tri thức trong những thập niên tiếp theo. Trong quá trình phát triển đó, một mặt con người có dịp tìm hiểu sâu hơn bản thân hoạt động nhận thức của mình, hệ thống tri thức mà mình đã tích luỹ được, những thuộc tính của tri thức và những đòi hỏi đối với tri thức trong hoạt động thực tiễn của con người, mặt khác thúc đẩy việc nghiên cứu đề xuất nhiều phương pháp khoa học và giải pháp công nghệ để biểu diễn tri [...]... thành phần tri thức, đáp ứng được yêu cầu mô hình hóa và biểu diễn tri thức thực tế đơn giản hơn, linh hoạt hơn trong một số miền tri thức cụ thể  Nghiên cứu và giải quyết các vấn đề trên thành phần tri thức hàm: đặc tả cụ thể thành phần tri thức hàm về cấu trúc, xây dựng các sự kiện, các luật suy diễn liên quan đến thành phần tri thức hàm 17 Chương 1 Tổng quan  Xác lập một số vấn đề trên thành phần. .. phần tri thức hàm, từ đó xây dựng một số thu t giải giải quyết các vấn đề đó trong một số miền tri thức cụ thể dựa trên mô hình Funcs -COKB và các nghiên cứu về thành phần tri thức hàm đưa ra ở trên  Xây dựng ứng dụng giải một số bài toán tổng quát trong chương trình hình học giải tích 2 chiều để minh họa cho kết quả nghiên cứu của đề tài Nhận xét Từ những phần trình bày ở trên về mô hình biểu diễn tri. .. giới hạn phạm vi của các thành phần, loại bỏ một số thành phần tri thức nhằm giảm bớt độ phức tạp của mô hình COKB, để phù hợp hơn trong việc biểu diễn tri thức trên một số lớp bài toán trong miền tri thức Hình học giải tích hai chiều, từ đó nghiên cứu sâu hơn về thành phần tri thức hàm và đề xuất một mô hình tri thức mới tối ưu hơn mô hình COKB trong một số miền tri thức cụ thể Phần chương 3 của bài... Từ những lý do đó, tôi đã chọn đề tài Nghiên cứu một mô hình COKB thu hẹp và giải quyết vấn đề trên thành phần tri thức hàm để làm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ của mình 1.2.4 Các phương pháp suy diễn trên máy tính Cùng với các vấn đề biểu diễn tri thức, các phương pháp suy luận và kỹ thu t 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... tri thức của con người bằng các cấu trúc dữ liệu mà máy tính có thể xử lý được, tìm ra các kỹ thu t, các phương pháp để diễn đạt tri thức nhằm tổ chức được cơ sở tri thức trên máy tính và thực hiện các xử lý tri thức, vận dụng tri thức giải quyết vấn đề 1.2.2 Tầm quan trọng của việc nghiên cứu các mô hình biểu diễn tri thức Nghiên cứu, xây dựng, phát tri n các mô hình biểu diễn tri thức và các thu t giải. .. thực tế để mô phỏng được hầu hết các bài toán mẫu trong nhiều miền tri thức khác nhau là một vấn đề vô cùng khó khăn 1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Từ những nội dung nêu ở trên, mục tiêu của đề tài sẽ tập trung vào nghiên cứu các vấn đề sau:  Nghiên cứu và phân tích mô hình COKB, từ đó đề xuất một dạng mô hình Funcs -COKB từ mô hình COKB bằng cách giảm bớt thành phần tri thức về quan hệ phân cấp H trên các... của mô hình COKB đối với những miền tri thức cụ thể Dẫn đến, vấn đề đặt ra là thu hẹp bớt phạm vi của các thành phần cũng như giảm bớt thành phần trong mô hình COKB mà vẫn biểu diễn được tri thức với đầy đủ cơ sở tri thức và động cơ suy diễn Nếu làm được điều này thì việc mô hình hóa tri thức, xây dựng cơ sở tri thức cho nhiều lớp bài toán sẽ trở nên đơn giản hơn, hiệu quả hơn trong một số miền tri thức. .. dù vây, mô hình COKB vẫn có một số hạn chế như:  Thành phần đối tượng tính toán Com-Object có phạm trù quá rộng 15 Chương 1 Tổng quan  Các thành phần có thể dư thừa đối với một số lớp bài toán  Thành phần tri thức hàm vẫn chưa hoàn thiện về cấu trúc lẫn động cơ suy diễn Các nghiên cứu về COKB hiện nay hầu hết đều chưa đi sâu vào giải quyết các vấn đề trên hành phần tri thức hàm, hay thu hẹp lại... tổ chức tri thức theo mô hình này, ta có thể thiết kế được mô hình biểu diễn tri thức cho các bài toán tổng quát, và trên cơ sở đó thiết kế được các thu t giải tổng quát mô phỏng hành vi suy luận giải quyết vấn đề dựa trên tri thức của con người Điều này giúp cho việc thiết kế các module suy diễn khá dễ dàng và cho lời giải tường minh với sự giải thích về sự vận dụng tri thức trong cơ sở tri thức một... của COKB so với các phương pháp biểu diễn truyền thống:  Có cấu trúc tường minh và bộ sự kiện rất gần với tri thức thực tế  Có khả năng mô hình hóa được phần lớn các cơ sở tri thức thực tế, trên cơ sở đó thiết kế được các thu t giải tổng quát mô phỏng hành vi, suy luận giải quyết vấn đề dựa trên tri thức của con người  Có đầy đủ ngôn ngữ khai báo và ngôn ngữ đặc tả một cách tự nhiên Mô hình COKB . lý tri thức, vận dụng tri thức giải quyết vấn đề. 1.2.2 Tầm quan trọng của việc nghiên cứu các mô hình biểu diễn tri thức Nghiên cứu, xây dựng, phát tri n các mô hình biểu diễn tri thức và. sẽ tập trung vào nghiên cứu các vấn đề sau:  Nghiên cứu và phân tích mô hình COKB, từ đó đề xuất một dạng mô hình Funcs -COKB từ mô hình COKB bằng cách giảm bớt thành phần tri thức về quan. quả hơn trong một số miền tri thức cụ thể. Từ những lý do đó, tôi đã chọn đề tài Nghiên cứu một mô hình COKB thu hẹp và giải quyết vấn đề trên thành phần tri thức hàm để làm luận văn tốt nghiệp