Tiểu luận môn biểu diễn tri thức và suy luận Cơ sở lý thuyết về hệ chuyên gia và mạng các đối tượng tính toán

Với cơ sở lý thuyết được trình bày sau đây, ta sẽ biết về sự quan trọng của cơ sở tri thức trong một hệ giải toán, có thể nói, cơ sở tri thức là một phần không thểthiếu trong các hệ chuy

MỤC LỤC

I PHẦN MỞ ĐẦU 2

II.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Hệ chuyên gia 3

2.1.1 Hệ chuyên gia là gì? 3

2.1.2 Đặc trưng của hệ chuyên gia 3

2.1.3 Cấu trúc của hệ chuyên gia 4

2.2 Cơ sở tri thức (CSTT) 4

2.2.1 Khái niệm 4

2.2.2 Các phương pháp biểu diễn tri thức 5

2.2.3 Hệ cơ sở tri thức 6

2.3 Biểu diễn tri thức bằng mạng tính toán 7

2.3.1 Mạng tính toán 7

2.3.2 Mạng các đối tượng tính toán 9

III PHẦN MỀM GIẢI BÀI TẬP VẬT LÝ 8 - MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG ĐỔI 15

3.1 Giới thiệu về phần mềm 15

3.1.1 Mục tiêu 15

3.1.2 Yêu cầu 15

3.1.3 Kiến trúc hệ thống 15

3.2 Thiết kế cơ sở tri thức 15

3.2.1 Thu thập tri thức về “Dòng điện không đổi” 16

3.2.2 Mô hình tri thức 17

3.2.3 Tổ chức lưu trữ trên máy tính 18

3.2.4 Thiết kế bộ suy diễn 19

3.3 Hướng dẫn sử dụng phần mềm 20

IV KẾT LUẬN 23

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

I PHẦN MỞ ĐẦU

Hệ cơ sở tri thức là chương trình máy tính được thiết kế để mô hình hóa khảnăng giải quyết vấn đề của chuyên gia con người Đây là hệ thống dựa trên tri thức,cho phép mô hình hóa các tri thức của chuyên gia, dùng tri thức này để giải quyết vấn

đề phức tạp thuộc cùng lĩnh vực

Với cơ sở lý thuyết được trình bày sau đây, ta sẽ biết về sự quan trọng của cơ

sở tri thức trong một hệ giải toán, có thể nói, cơ sở tri thức là một phần không thểthiếu trong các hệ chuyện gia như hệ giải toán thông minh, vấn đề đặt ra là làm sao đểchúng ta biến những tri thức tự nhiên của con người thành một mảng tri thức mà máytính có thể hiểu và suy luận như một chuyên gia Có rất nhiều cách để biểu diễn trithức trong máy tính nhưng bài báo cáo này chỉ đề cập đến một phương pháp biểu diễnhiệu quả nhất trong các hệ giải toán thông minh đó là Mạng tính toán và Mạng các đốitượng tính toán

Nội dung bài tiểu luận gồm 2 phần chính:

 Cơ sở lý thuyết về hệ chuyên gia và mạng các đối tượng tính toán

 Phần mềm giải bài tập Vật lý 8 - mạch điện một chiều không đổi

Em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS TS Đỗ Văn Nhơn đã cung cấp cho emnhững kiến thức cần thiết trong môn biểu diễn tri thức và suy luận làm cơ sở nền tảngcho em thực hiện tiểu luận này

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Hệ chuyên gia

2.1.1 Hệ chuyên gia là gì?

Hệ chuyên gia là một hệ thống chương trình máy tính chứa các thông tin trithức và các quá trình suy luận về một lĩnh vực cụ thể nào đó để giải quyết các vấn đềkhó hoặc hóc búa đòi hỏi sự tinh thông đầy đủ của các chuyên gia con người đối vớicác giải pháp của họ Nói cách khác hệ chuyên gia là dựa trên tri thức của các chuyêngia con người giỏi nhất trong lĩnh vực quan tâm

 Tri thức của hệ chuyên gia bao gồm các sự kiện và các luật, các sự kiệnđược cấu thành một số nhiều thông tin khác nhau, được thu thập rộng rãi,công khai và được sự đồng tình của nhiều chuyên gia con người trong lĩnhvực Các luật biểu thị sự quyết đoán chuyên môn của các chuyên gia tronglĩnh vực

 Mức độ hiệu quả của một hệ chuyên gia phụ thuộc vào kích thước và chấtlượng của cơ sở tri thức mà hệ chuyên gia đó có được

 Mỗi hệ chuyên gia chỉ đặc trưng cho một lĩnh vực vấn đề nào đó như ykhoa, tài chính, khoa học hay công nghệ v.v…, mà không phải là cho bất kỳmột lĩnh vực vấn đề nào

2.1.2 Đặc trưng của hệ chuyên gia

4 đặc trưng cơ bản của hệ chuyên gia là:

 Hiệu quả cao: khả năng trả lời với mức độ tinh thông bằng hoặc cao hơn sovới chuyên gia con người trong cùng lĩnh vực

 Thời gian trả lời thỏa đáng: Thời gian trả lời hợp lý bằng hoặc nhanh hơn

so với chuyên gia con người để đi đến cùng một quyết định

 Độ tin cậy cao: Không thể xảy ra sự cố hoặc giảm sút độ tin cậy khi sửdụng

 Dễ hiểu: Hệ chuyên gia giải thích các bước suy luận một cách dễ hiểu vànhất quán.

2.1.3 Cấu trúc của hệ chuyên gia

Một hệ chuyên gia kiểu mẩu gồm các thành phần cơ bản sau:

Hình 2.1 Cấu trúc hệ chuyên gia

2.2 Cơ sở tri thức (CSTT)

2.2.1 Khái niệm

Tập hợp các tri thức liên quan đến vấn đề mà chương trình quan tâm giải quyếttạo thành một cơ sở tri thức

Cách tiếp cận khoa học và công nghệ về tri thức :

 Trước đây mọi hoạt động liên quan đến việc hình thành tri thức và quá trìnhsuy luận trên tri thức đều thuộc chức năng đặc biệt của bộ não con người

 Sự ra đời của máy tính điện tử -> một số công việc cần sử dụng trí óc cóthể được thay thế và thực hiện được bởi máy tính

 Thành tựu bước đầu: Tự động hóa chứng minh logic, chơi cờ, phiên dịch,…

 Con người tìm hiểu sâu hơn bản chất của hoạt động nhận thức của mình ,

hệ thống tri thức tích lũy được, thuộc tính của tri thức, đòi hỏi đối với trithức

 Nghiên cứu đề xuất phương pháp khoa học và giải pháp công nghệ để:

+ Biểu diễn tri thức

+ Thu thập và tìm kiếm tri thức

+ Xử lý tri thức

+ Quản trị tri thức

Vấn đề biểu diễn tri thức: tìm cách diễn đạt, thể hiện, mã hóa tri thức theonhững dạng thức nhất định, thích hợp cho việc tổ chức lưu trữ và xử lý trên máy

Để biểu diễn tri thức ta sử dụng :

+ Các kiểu dữ liệu đơn giản

+ Các kiểu dữ liệu có cấu trúc , các cấu trúc trừu tượng

+ Các mô hình toán học, các cấu trúc toán học

+ Các hệ logic toán học

+ Ngôn ngữ đặc tả

2.2.2 Các phương pháp biểu diễn tri thức

Hình 2.2 Các phương pháp biểu diễn tri thức

Hai yếu tố chính trong hệ CSTT là: tri thức chuyên gia và lập luận

Cấu trúc của hệ CSTT: hai yếu tố chính trong hệ CSTT là cơ sở tri thức vàđộng cơ suy diễn

 Cơ sở tri thức: là tập hợp các tri thức liên quan đến vấn đề mà chương trìnhquan tâm giải quyết

 Động cơ suy diễn: là phương pháp vận dụng tri thức trong cơ sở tri thức đểgiải quyết vấn đề

Sơ đồ biểu diễn mối quan hệ giữa hai khối:

Hình 2.3 Sơ đồ biểu diễn mối quan hệ giữa CSTT và động cơ suy diễn

2.3 Biểu diễn tri thức bằng mạng tính toán

Có rất nhiều phương pháp biểu diễn tri thức nhưng trong hệ giải toán ở đây chỉ

đề cập đến phương pháp Mạng tính toán vì nó thích hợp cho việc biểu diễn hệ tínhtoán cũng như giải bài toán vật lý

2.3.1 Mạng tính toán

Mạng tính toán là 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) tínhtoán giữa các biến Trong ứng dụng cụ thể mỗi biến và giá trị của nó thường gắn liềnvới một khái niệm cụ thể về sự vật, mỗi quan hệ thể hiện một sự tri thức về sự vật

 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 các tậphợp D1,D2, ,Dm ta nói rằng quan hệ này liên kết các biến x1,x2, ,xm, và ký hiệu làR(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 biết đượcgiá 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 m-kia (ở đây x là bộ gồm m biến < x1,x2, ,xm >) Ngoài ra, trong trường hợp cầnnói rõ ta viết u(f) thay cho u, v(f) thay cho v Đối với các quan hệ không phải là đốixứng có hạng k, không làm mất tính tổng quát, ta có thể giả sử quan hệ xác định duynhất một hàm f với tập biến vào là u(f) và tập biến ra là v(f); ta gọi loại quan hệ này là

quan hệ không đối xứng xác định một hàm, hay gọi vắn tắt là quan hệ không đối

M = x1,x2, ,xn,

F = f1,f2, ,fm.

Đối với mỗi f  F, ta ký hiệu M(f) là tập các biến có liên hệ trong quan hệ f

Dĩ nhiên M(f) là một tập con của M: M(f)  M Nếu viết f dưới dạng:

f : u(f)  v(f)thì ta có M(f) = u(f)  v(f)

 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 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 biết giátrị 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

2.3.2 Mạng các đối tượng tính toán

Trong mục này trình bày một số khái niệm về mạng các đối tượng tính toán.Trong đó có khái niệm về quan hệ giữa các đối tượng Ta gọi một quan hệ f giữa các

biến của các đối tượng tính toán là một quan hệ giữa các đối tượng đó Quan hệ này

cho phép ta tính được một hay nhiều biến của các đối tượng từ một số biến khác

Ví dụ 1: Giả sử có 2 đối tượng O1, O2 Trong các biến của đối tượng O1 có mộtbiến, ký hiệu a, có liên hệ f với một biến của đối tượng O2, ký hiệu b, được xác địnhbởi hệ thức:

O3.c = O1.a + O2.a - O2.b

Ta có f là một quan hệ giữa các đối tượng O1, O2, O3

Bây giờ ta xét một bài toán mà việc tính toán có liên quan đến một số đốitượng tính toán và giữa các đối tượng nầy có những quan hệ nhất định Việc giải bài

toán sẽ dựa trên một mạng các đối tượng tính toán Mạng các đối tượng tính toán

bao gồm một tập hợp các đối tượng tính toán:

M(O) = ¿

i=1

n

M (Oi)

M là tập hợp những biến được xem xét trên mạng, kể cả các biến thuộc

i=1

m

M (fi),hay M(O)  M  M(F)

Ví dụ sau đây sẽ minh họa cho các ký hiệu ở trên

Ví dụ 3: Cho tam giác cân ABC, cân tại A, và cho biết trước góc đỉnh , cạnhđáy a Bên ngoài tam giác có hai hình vuông ABDE và ACFG Tính độ dài EG

Bài toán có dạng một mạng các đối tượng tính toán bao gồm:

1 Bốn đối tượng:

O1 : tam giác cân ABC,

O2 : tam giác AEG,

O3 : hình vuông ABDE,

O4 : hình vuông ACFG,

trong đó mỗi tam giác có các biến: a, b, c, , , , ha, hb, hc, S, p, R, r, ,mỗi hình vuông có các biến: a (cạnh), c (đường chéo), S (diện tích),

2 Các quan hệ giữa các đối tượng:

f1 : O1.c = O3.a // cạnh c của tam giác ABC = cạnh của hình vuông ABDE

f2 : O1.b = O4.a // cạnh b của tam giác ABC = cạnh của hình vuông ACFG

f3 : O2.b = O4.a // cạnh b của tam giác AEG = cạnh của hình vuông ACFG

f4 : O2.c = O3.a // cạnh c của tam giác AEG = cạnh của hình vuông ABDE

M(f4) =  O2.c , O3.a ,

M(f5) =  O1. , O2. ,

M =  O1.b, O1.c, O1., O2.b, O2.c, O2., O3.a, O4.a, O2.a

Ở đây O2.a (cạnh EG của tam giác AEG) là biến cần tính

 Vấn đề trên mạng các đối tượng

Cho một mạng các đối tượng tính toán (O,F), trong đó O là tập hợp các đốitượng tính toán và F là tập hợp các quan hệ giữa các đối tượng Xét một tập hợp biến

1 Có thể xác định được tập B từ tập A nhờ các quan hệ trong F và các đối

tượng thuộc O hay không? Nói cách khác, ta có thể tính được giá trị của các biếnthuộc B với giả thiết đã biết giá 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

Tương tự như đối với một mạng tính toán, bài toán xác định B từ A trên mạng(O,F) được viết dưới dạng:

A  B,trong đó A được gọi là giả thiết, B được gọi là mục tiêu tính toán (hay tập biến cầntính) của bài toán Trường hợp tập B chỉ gồm có một phần tử b, ta viết vắn tắt bàitoán trên là A  b

III PHẦN MỀM GIẢI BÀI TẬP VẬT LÝ 8 - MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU

KHÔNG ĐỔI

3.1 Giới thiệu về phần mềm

Chương trình được xây dựng bằng ngôn ngữ C# trên phần mềm Microsoft

Visual Studio 2010 với dung lượng nhẹ, không chiếm nhiều tài nguyên máy tính khi

sử dụng Sử dụng được trên hầu hết các máy tính dùng từ Windows XP trở lên

Đặc điểm của phần mềm là giao diện đẹp, đơn giản, rất trực quan, dễ sử dụng

và thân thiện với người dùng

3.1.1 Mục tiêu

Giải được các bài tập về mạch điện một chiều không đổi có tối đa 2R với cáckiểu mắc nối tiếp, song song

Là công cụ hữu ích dành cho: học sinh, giáo viên, phụ huynh và người dùng tự

do có thể học tốt hơn và kiểm tra kết quả các dạng bài tập có liên quan một cáchnhanh chóng

3.1.2 Yêu cầu

Giải được các bài tập tổng quát trong phạm vi kiến thức của hệ một cách chínhxác, tường minh và có lời giải gần với bài giải thực tế của con người (giáo viên, họcsinh)

Tính toán đưa ra lời giải và đáp án

Tốc độ giải nhanh

3.1.3 Kiến trúc hệ thống

Hệ thống có kiến trúc khá đơn giản Giao diện nhận yêu cầu (giả thiết, kếtluận) từ người dùng rồi gửi yêu cầu đó cho bộ suy diễn Bộ suy diễn căn cứ vào yêucầu để tìm đến cơ sở tri thức phù hợp rồi suy diễn cho ra kết quả, trả về giao diện hiểnthị cho người dùng

3.2 Thiết kế cơ sở tri thức

R1 R2 R3 Rn

RnR3

R2R1

3.2.1 Thu thập tri thức về “Dòng điện không đổi”

Định luật Ôm cho đoạn mạch chỉ có điện trở

I= U

R(A)

- Nếu có R và I, có thể tính hiệu điện thế như sau:

U = VA - VB = I.R; I.R: gọi là độ giảm thế (độ sụt thế hay sụt áp) trên điện trở

- Công thức của định luật ôm cũng cho phép tính điện trở:

Điện trở mắc nối tiếp

Điện trở tương đương được tính theo công thức:

Rtđ = Rl + R2+ R3+ … + Rn

Im = Il = I2 = I3 =… = InIm=Rtđ U

Um = Ul + U2+U3+…+ Un

Điện trở mắc song song

Điện trở tương đương được tính theo công thức:

Im = Il + I2 + … + In Im=Rm U

Um = Ul = U2 = U3= …=Un

3.2.2 Mô hình tri thức

Mô hình tri thức “Giải bài tập Vật lý 8” có cấu trúc:

Math_Physical (C- Object, Formula_Rule , Relation )

Trong đó:

C- Object : là các đối tượng tính toán.

Formula_Rule : Các công thức trong mạng tính toán.

Relation : Quan hệ giữa các đối tượng tính toán ( Điện trở R) C-Object

Cấu trúc: C-Object (Facts, Formula)Trong đó :

 Facts có cấu trúc : Facts (Symbol, Meaning)

+ Symbol: là tập các ký hiệu của C- Object (mạch điện một R)

+ Symbol { U, R, I, U1, R1, …}

+ Meaning: là định nghĩa cho các biến trên tập gồm các phần tử:

+ Meaning{ Điện trở (R); Hiệu điện thế (U); Cường độ dòng điện (I); Côngsuất (A); Nhiệt điện (Q); …}

 Formula có cấu trúc : Formula (Rule, Formula, )

+ Rule: là các luật từ giả thiết suy ra kết luận có cấu trúc trong mỗi một Object

C-+ Rule{ U, R -> I; U, I -> R; …}

+ Formula: là các công thức, định luật trong mỗi một C-Object

+ Formula { U = I x R;

3.2.3 Tổ chức lưu trữ trên máy tính

Tổ chức tri thức trên bộ nhớ phụ với dạng file *.txt ( có tất cả 4 file *.txt)

Cụ thể:

 File luat.txt: Biểu diễn các luật và công thức trong mạch điện 1 chiều, 1điện trở R và các đối tượng khác : U, I

 File luat_R1ntR2.txt: Biểu diễn các luật và công thức trong mạch 1 chiều,

có 2 điện trở là R1 và R2 mắc nối tiếp và các đối tượng khác: U1, U2, U,I1, I2, I, R

 File luat_R1ssR2.txt: Biểu diễn các luật và công thức trong mạch 1 chiều,

có 2 điện trở là R1 và R2 mắc song song với nhau và các đối tượng khác:U1, U2, U, I1, I2, I, R

 File luat_noitiep_songsong: Biểu diễn kiểu mạch điện

3.2.4 Thiết kế bộ suy diễn

 Suy diễn tiến: Tư tưởng của thuật giải suy diễn tiến là từ những giả thiết đãbiết (know) ta áp dụng các tập luật để sinh thêm giả thiết mới bổ sung vàogiả thiết ban đầu (know) Quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi kết luận cầntìm đã nằm trong (know) hoặc không có thể áp dụng được luật nào để sinhthêm giả thiết mới nữa và chương trình kết thúc

 Suy diễn lùi: Trong thuật giải suy diễn lùi, ta dùng kỹ thuật đệ quy để thựchiện suy diễn lùi Để suy ra được kết luận, ta thực hiện tìm luật để suy rađược đến đích là kết luận, ta phải quay về để tìm những thành phần cònthiếu của một hay nhiều luật bài đó mà sinh ra kết luận đó, tiếp tục ta lại đệquy với đích mới là thành phần còn thiếu ta mới tìm được đó Quá trình đệquy cứ tiếp tục cho đến khi các hàm đệ quy được khử hay nói cách khác là

ta tìm đủ điều kiện để suy ra được đích Nếu ta cho hàm đệ quy thực hiệnsuy diễn lùi vô hạn thì trong một số trường hợp bài toán không thể giảiđược trong khi ta vẫn có thể giải được bằng suy diễn tiến, do vậy ta phảiđặt số lần quay lui cho hàm đệ quy Đặt số lần đệ quy là n, thì sau n lần suydiễn lùi, nếu vẫn không đủ giả thiết để thực thi được các luật, ta sử dụngsuy diễn tiến để sinh ra thêm giả thiết để giải bài toán

3.3 Hướng dẫn sử dụng phần mềm