Phát triển một mô hình biểu diễn tri thức hàm và phương pháp giải quyết các vấn đề

 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ________________    !"#$ LUẬN VĂN THẠC SĨ, KHÓA LUẬN CAO HỌC NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01.01 %&'()*+, 1  TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN     !"#$ LUẬN VĂN THẠC SĨ, KHÓA LUẬN CAO HỌC NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01.01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐỖ VĂN NHƠN %&'()*+, 2 !  Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Công nghệ thông tin đã tận tình chỉ dạy cho em nhiều kiến thức bổ ích trong suốt thời gian học tập tại trường. Em kính chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khoẻ và thành công trong công việc. Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS.TS Đỗ Văn Nhơn, người thầy đã tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Con gửi tất cả lòng biết ơn và sự kính trọng đến ông bà, cha mẹ đã nuôi dạy, luôn bên cạnh động viên và ủng hộ con trên con đường mà con đã yêu thích và lựa chọn, đã cho con niềm tin và nghị lực vượt qua mọi khó khăn. Qua đây tôi gởi lời cảm ơn các em của tôi trong gia đình, các em đã tạo một động lực cho tôi phấn đấu không ngừng trong học tập cũng như trong cuộc sống để trở xứng đáng trở thành một người chị gương mẫu. Xin cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên, giúp đỡ và hỗ trợ tôi rất nhiều cũng như đóng góp cho tôi nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thiện hơn cho đề tài này. Luận văn đã hoàn thành và đạt được một số kết quả nhất định tuy nhiên vẫn không tránh khỏi thiếu sót. Kính mong sự cảm thông và đóng góp ý kiến từ quý thầy cô và các bạn. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 12 năm 2014 Học viên thực hiện Nguyễn Thị Ngọc Diễm 3 / Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực.Vì vậy tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về công trình nghiên cứu của mình. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 12 năm 2014 012345607893: 4 Mục lục 5 ;< 6 => Phương pháp biểu diễn tri thức và các thuật toán suy diễn tự động là các vấn đề quan trọng trong việc thiết kế hệ cơ sở tri thức trong Trí tuệ nhân tạo, đặc biệt là trong hệ giải các bài toán thông minh. Một trong những mô hình biểu diễn tri thức hiệu quả là mô hình tri thức các đối tượng tính toán (mô hình COKB), có thể được sử dụng để biểu diễn cho các miền tri thức tổng quát và thiết kế cơ sở tri thức cho hệ thống giải các bài toán thông minh. Tuy nhiên, bên cạnh các thành phần tri thức về các khái niệm, các quan hệ, các luật, còn có một khái niệm tri thức khá phổ biến nhưng chưa được nghiên cứu kỹ, đó là thành phần tri thức về hàm. Thành phần tri thức về hàm bao gồm các hàm, các quan hệ, sự kiện, các luật và các thuật toán suy luận tự động trên hàm. Do đó, luận văn sẽ giới thiệu mô hình COKB năm thành phần và trình bày cụ thể phương pháp biểu diễn tri thức và các thuật toán suy luận tự động trên các thành phần tri thức về hàm. Ngoài ra, phương pháp này được sử dụng để thiết kế và triển khai một ứng dụng cụ thể giải các bài toán Hình học không gian chương trình lớp 11 và cho ra lời giải phù hợp với cách giải tự nhiên của con người. Chương trình này là một công cụ hỗ trợ đắc lực cho nhu cầu học và ôn luyện toán hình học của học sinh Trung học Phổ thông. 7 Chương 1. Tổng quan  +? @ +?+? @$  AB& +?+?+? C8D5EF40D5CDG9H1I934JK9J5L8 Tri thức đóng vai trò rất quan trọng trong khả năng của một chuyên gia. Trong lĩnh vực khoa học trí tuệ nhân tạo để xây dựng một hệ chuyên gia, các hệ thống giải toán dựa trên tri thức của con người, ta phải thiết kế được một cơ sở tri thức đầy đủ và động cơ suy diễn đủ mạnh để giải quyết vấn đề dựa trên tri thức [1]. Chất lượng hoạt động của một hệ chuyên gia phụ thuộc rất lớn vào cơ sở tri thức đã có, cho nên việc nghiên cứu các phương pháp biểu diễn tri thức có nghĩa rất lớn về lý thuyết cũng như trong ứng dụng. Hiện nay có nhiều mô hình biểu diễn tri thức khác nhau đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều miền tri thức khác nhau. Những phương pháp này có thể được phân loại như sau (theo các tài liệu [6], [7], [8], [10]): 5EF40D5CDG9H1I934IMNJKO4PQ0985R45J5L8S Các phương pháp này sử dụng các biểu thức logic hình thức để diễn đạt các sự kiện và các luật trong cơ sở tri thức. Các thủ tục chứng minh sẽ áp dụng kiến thức vào các bài toán cụ thể. Với phương pháp này ưu điểm là rất rõ về mặt hình thức, nhưng không thể mô tả đầy đủ với những tri thức có độ trừu tượng lớn hay phức tạp hơn. 5EF40D5CDG9H1I934GT405UP1VJIW4SLoại phương pháp này biểu diễn tri thức như một tập hợp các chỉ thị dùng cho việc giải quyết các bài toán. Phương pháp này biểu diễn tri thức bằng luật sinh được phát minh bởi Newell và Simon trong lúc hai ông đang cố gắng xây dựng một hệ giải toán tổng quát. Đây là một kiểu biểu diễn tri thức có cấu trúc bằng một cặp điều kiện – hành động (if … then): “NẾU điều kiện xảy ra THÌ hành động sẽ được thi hành”, nói theo một cách khác thì hệ luật dẫn là tri thức có dạng một tập các luật dẫn trên các sự kiện hay các tác vụ. 5EF40D5CDG9H1I934IX40:X40S Là phương pháp biểu diễn tri thức dạng đồ thị. Trong đó mỗi đỉnh là một yếu tố về tri thức, mỗi cung là một thể hiện của 8 Chương 1. Tổng quan quan hệ giữa các yếu tố đó. Phổ biến nhất của phương pháp này là mạng ngữ nghĩa, và đồ thị khái niệm. Ưu điểm của phương pháp biểu diễn dạng mạng là tính trực quan, tự nhiên, thể hiện rõ quan hệ giữa các yếu tố thông qua các cung. Trong [10], tác giả cũng đã đề cập đến mô hình mạng tính toán và mạng các đối tượng tính toán, nhưng trong mô hình này, vấn đề về biểu diễn các quan hệ giữa các đối tượng lại chưa được đề cập đến một cách đầy đủ. Phương pháp biểu diễn dạng mạng rất tốt trong việc phân loại các khái niệm, tuy nhiên, các mạng biểu diễn tri thức này vẫn còn có những khiếm khuyết nhất định và chưa thể biểu diễn được cho một miền tri thức thực tế. Bên cạnh đó, đặc biệt là các mạng ngữ nghĩa, thì việc sử dụng chúng còn phải phụ thuộc vào ngôn ngữ dùng để biểu diễn tri thức. 5EF40D5CDG9H1I934JK9J5L8J5YQ8Z1JK[845E\KN:Y]A8K9DJS Phương pháp này cho phép sử dụng các cấu trúc dữ liệu phức tạp và các cấu trúc dữ liệu trừu tượng trong biểu diễn. Các cấu trúc phổ biến là Frame, Script, Class. Frame là một cấu trúc dữ liệu chứa đựng tất cả những tri thức liên quan đến một đối tượng cụ thể nào đó, nó có liên hệ chặt chẽ đến khái niệm hướng đối tượng. Ngược lại với những phương pháp biểu diễn đã được đề cập đến, frame đóng gói toàn bộ một đối tượng, tình huống hoặc cả một vấn đề phức tạp thành một thực thể duy nhất có cấu trúc. Một frame bao hàm trong nó một khối lượng tương đối lớn tri thức về một đối tượng, sự kiện, vị trí, tình huống hoặc những yếu tố khác. Do đó, frame giúp ta mô tả chi tiết một đối tượng, thường dùng để biểu diễn những tri thức chuẩn hoặc những tri thức được xây dựng trên những kinh nghiệm hoặc các đặc điểm đã được hiểu biết cặn kẽ. Script và Class cũng là những cách biểu diễn tri thức như frame trong đó có các thuộc tính và các hành vi. Ở Script, thay vì đặc tả một đối tượng, nó mô tả một chuỗi các sự kiện. Phương pháp này có ưu điểm giúp cho việc diễn đạt các khái niệm trong miền tri thức tốt hơn, dễ cài đặt các thuộc tính cũng như các mối liên hệ, dễ dàng tạo ra các thủ tục chuyên biệt hoá, dễ đưa vào các thông tin mặc định, dễ thực hiện các thao tác phát hiện các giá trị bị thiếu sót. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là khó có thể suy diễn để giải quyết các vấn đề một cách tự động, thiếu một cơ sở lý thuyết chặt chẽ 5EF40D5CDG9H1I934JK9J5L8GT40/4JQPQ02: Phương pháp này được bắt nguồn từ triết học nhằm biểu diễn tất cả các thực thể. Biểu diễn tri thức bằng 9 Chương 1. Tổng quan Ontology khá tổng quát nên khi áp dụng vào các miền tri thức cụ thể ta sẽ phải xây dựng một dạng Ontology riêng cho miền tri thức ấy. Việc xây dựng các mô hình tri thức tiếp cận Ontology hiện nay đang là một hướng tiếp cận mới và đã có được một số thành quả nhất định. ^5R45/_: Trong [10] tác giả đã trình bày phương pháp biểu diễn tri thức bằng mô hình COKB với các thành phần (C, H, R, Ops, Funcs, Rules) biển diễn được khá nhiều khía cạnh của tri thức: các khái niệm, các quan hệ, sự kế thừa, các toán tử, hàm và luật. Mô hình COKB thể hiện một cách đầy đủ và toàn diện kiến thức thực tế của con người. So với cách biểu diễn tri thức khác thì phương pháp biểu diễn dựa trên mô hình COKB tỏ ra hiệu quả hơn về nhiều mặt: biểu diễn, suy diễn, giao tiếp, v.v… Với cách tổ chức tri thức theo mô hình này, ta có thể thiết kế được mô hình biểu diễn vấn đề tổng quát hơn, và trên cơ sở đó thiết kế được các thuật giải tổng quát mô phỏng hành vi suy luận giải quyết vấn đề dựa trên tri thức của con người. 5V4`aJS Các phương pháp biểu diễn tri thức này đều có những điểm mạnh, điểm yếu nhất định, như là các phương pháp chỉ biểu diễn được những tri thức đơn giản như logic vị từ, những khía cạnh của tri thức như phương pháp biểu diễn có cấu trúc, phương pháp dạng mạng. Trong khi tri thức cần được biểu diễn trong các ứng dụng, hay một hệ chuyên gia là rất đa dạng và thường bao gồm những khái niệm từ đơn giản, đến những khái niệm phức tạp, các quan hệ giữa các khái niệm này, các hệ thức tính toán với những quy luật, các liên hệ đa dạng gồm cả định tính, lẫn định lượng, các luật dẫn, các heuristics, v.v… Mô hình COKB là mô hình có thể biểu diễn khá đầy đủ cơ sở tri thức của một hệ thống thông minh, chẳng hạn như các hệ thống hỗ trợ học, và giải bài toán trong các miền tri thức toán học, vật lý, hóa học. Tuy nhiên, trong mô hình này các thành phần chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ, đặc biệt là thành phần Ops-toán tử, thành phần Funcs-hàm. +?+?)? C8D5EF40D5CDb12P1V4JMcd40 Bên cạnh mô hình biểu diễn tri thức, 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 10 [...]... khái niệm hàm Từ đó nghiên cứu một dạng mô hình biểu diễn tri thức là một dạng thu hẹp của mô hình COKB, trong đó sẽ khảo sát một số vấn đề biểu diễn tri thức liên quan tới thành phần tri thức hàm và xây dựng thuật giải suy luận giải quyết một số vấn đề trên mô hình tri thức đó Mô hình biểu diễn được nghiên cứu sẽ là một đóng góp quan trọng về phương pháp biểu diễn và kỹ thuật xử lý tri thức, nhằm... của mô hình COKB tổng quát, hay gọi là mô hình COKB rút gọn Trong đó đề tài sẽ tập trung khảo sát một số vấn đề biểu diễn tri thức liên quan tới thành phần tri thức hàm và xây dựng thuật giải suy luận giải quyết một số vấn đề trên mô hình tri thức đó Mô hình tri thức các đối tượng tính toán COKB rút gọn là một hệ thống gồm 5 thành phần: 2.1.1 Một tập hợp các khái niệm về các đối tượng tính toán Mô hình. .. trình bày một giải pháp hoàn chỉnh về vấn đề này Vì vậy, còn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu về thành phần tri thức hàm và thành phần tri thức toán tử 1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu một mô hình biểu diễn tri thức và xây dựng các thuật giải suy diễn tập trung vào các vấn đề liên quan đến thành phần tri thức hàm Cụ thể hơn, đề tài tập trung nghiên cứu các thành phần của mô hình COKB... CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TRI THỨC CÁC ĐỐI TƯỢNG TÍNH TOÁN RÚT GỌN 2.1 MÔ HÌNH TRI THỨC CÁC ĐỐI TƯỢNG TÍNH TOÁN RÚT GỌN Mô hình tri thức các đối tượng tính toán (gọi tắt là COKB) là một mô hình gồm 6 thành phần được trình bày trong tài liệu [10] Tuy nhiên đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu các thành phần của mô hình COKB liên quan tới khái niệm hàm Do đó mô hình biểu diễn tri thức được xét trong đề tài là một dạng... thức hình học Ví dụ, phương pháp này không thể biểu diễn cho kiến thức liên quan đến các tính toán biểu thức, các phương trình, các tính toán mối quan hệ giữa các đối tượng hình học Bên cạnh đó, JGEX không thể giải nhiều dạng toán hình học, như tính toán giá trị của các đối tượng hình học Trong khi đó mô hình COKB cho thấy hiệu quả của việc biểu diễn tri thức và giải quyết nhiều vấn đề trong miền tri. .. begin_functions 28 Chương 2 Một mô hình tri thức các đối tượng tính toán rút gọn end_functions end_object 29 Chương 3 Các vấn đề trên mô hình COKB rút gọn CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ TRÊN MÔ HÌNH COKB RÚT GỌN 3.1 MÔ HÌNH BÀI TOÁN Các vấn đề tổng quát được xét trong mô hình COKB rút gọn có thể được mô hình hóa bằng mạng của các đối tượng tính toán tương tự như mô hình COKB tổng quát [9, 10] Mô hình bài toán... suy diễn sẽ mô phỏng được xác thực hơn cách suy nghĩ của con người trong quá trình giải quyết vấn đề và sẽ cho kết quả tốt hơn so với các phương pháp suy diễn khác Nhận xét: Các phương pháp suy diễn tự động trên máy tính hiện nay đều gắn liền với mô hình biểu diễn tri thức Động cơ suy diễn là một thành phần rất quan trọng không thể tách rời với mô hình Hiện nay, chiến lược suy diễn tiến và suy diễn. .. (Analogical Reasoning): Dựa trên các loại suy luận ấy, trong ngành trí tuệ nhân tạo, đã đề xuất các dạng suy luận để sử dụng cho các mô hình biểu diễn tri thức: Phương pháp hợp giải trong biểu diễn tri thức dưới dạng logic vị từ: Trong phương pháp biểu diễn logic hình thức đã sử dụng các luật suy diễn như luật “Modus Ponens”, luật “Modus Tollens” và luật “Tam đoạn luận” Phương pháp suy diễn tiến (forward chaining):... và suy diễn lùi vẫn là phương pháp chủ đạo trong các mô hình biểu diễn tri thức Tuy nhiên, các phương pháp suy diễn đều không đạt được hiệu quả tốt nhất nếu không kết hợp với các tri thức thực tế, các kinh nghiệm của con người trong quá trình giải quyết vấn đề Vì vậy, để tăng sự hiệu quả trong suy diễn, các phương pháp đều sử dụng kết hợp với các quy tắc heuristic Việc sử dụng các heuristic này giúp... miền tri thức toán hình học Trong tri thức của con người, bên cạnh các tri thức về các khái niệm đối tượng tính toán, các quan hệ, các luật đã có mô hình để biểu diễn trên máy tính còn tồn tại một dạng tri thức khác cũng rất phổ biến nhưng chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều là tri thức về các khái niệm hàm và suy luận giải toán tự động trên các hàm Chẳng hạn như kiến thức về hình học phẳng, hình học . tập trung khảo sát một số vấn đề biểu diễn tri thức liên quan tới thành phần tri thức hàm và xây dựng thuật giải suy luận giải quyết một số vấn đề trên mô hình tri thức đó. Mô hình tri thức các đối tượng. đề biểu diễn tri thức liên quan tới thành phần tri thức hàm và xây dựng thuật giải suy luận giải quyết một số vấn đề trên mô hình tri thức đó. Mô hình biểu diễn được nghiên cứu sẽ là một đóng. thông minh. Một trong những mô hình biểu diễn tri thức hiệu quả là mô hình tri thức các đối tượng tính toán (mô hình COKB), có thể được sử dụng để biểu diễn cho các miền tri thức tổng quát và thiết