Tiểu luận môn biểu diễn tri thức và suy luận Ứng dụng giải bài tập Vật Lý chuyển động thẳng biến đổi đều

1 Mục Lục GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai 2 Mở đầu Nghiên cứu các phương pháp biểu diễn và xử lý tri thức là cốt lõi cho việc xây dựng những chương trình “thông minh”, đặc biệt là các hệ chuyên gia và các hệ giải toán dựa trên tri thức. Hệ luật dẫn là một trong những phương pháp biểu diễn tri thức cơ bản. Hiện nay các hệ chuyên gia hầu hết đều là các hệ thống dựa trên luật, bởi các lý do: • Bản chất đơn thể: có thể đóng gói tri thức và mở rộng hệ chuyên gia một cách dễ dàng • Khả năng diễn giải dễ dàng: Dễ dàng dùng luật để diễn giải vấn đề nhờ các tiền đề đặc tả chính xác các yếu tố vận dụng luật, từ đó rút ra được kết quả. • Tương tự quá trình nhận thức của con người: Dựa trên các công trình của Newell và Simon, các luật được xây dựng từ cách con người giải quyết vấn đề. Cách biểu diễn luật nhờ IF THEN đơn giản cho phép giải thích dễ dàng cấu trúc tri thức cần trích lọc. [3] Trong phạm vi của một bài thu hoạch môn học, ở đây chỉ trình bày một ứng dụng nhỏ áp dụng mô hình hệ luật dẫn. Ứng dụng này dùng để giải các bài tập chuyển động thẳng biến đổi đều trong chương trình môn Vật Lý lớp 10. GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai 3 1. Mô hình hệ luật dẫn 1.1. Khái niệm Luật: Luật là cấu trúc tri thức dùng để liên kết thông tin đã biết với các thông tin khác giúp đưa ra các suy luận, kết luận từ những thông tin đã biết. Luật dẫn: Luật dẫn đại diện cho các phát biểu, định lý, nguyên tắc, công thức… 1.2. Mô hình hệ luật dẫn Mô hình hệ luật dẫn: (Facts, Rules) Facts là tập các sự kiện hay tác vụ trong phạm vi tri thức. Rules là tập các luật dẫn, mỗi r thuộc Rules có dạng r: gt(r) => kl(r) Ví dụ: Một phần kiến thức về chuyển động thẳng biến đồi đều (1) Facts: Các yếu tố liên quan tới chuyển động của vật: vận tốc ban đầu v 0 , vận tốc cuối v, thời gian chuyển động từ t 0 tới t, quãng đường chuyển động từ x 0 tới x, gia tốc a,… (2) Rules: Các luật nói lên mối liên hệ “dẫn xuất” giữa các sự kiện: hay Phần tri thức trên ta có thể biểu diễn theo mô hình hệ luật dẫn (Facts, Rules) gồm: Facts = {x 0 , x, t 0 , t, v 0 , v, a…} Rules = { r1 : {x 0 , t 0 , t, v 0 , a}  {x} r2 : {t 0 , t, v 0 , a}  {v} r3 : {x 0 , x, v 0 , a}  {v} GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai 4 … } 1.3. Tổ chức lưu trữ Tổ chức lưu trữ được xác lập cụ thể dựa trên các dạng Facts, thường là ta sử dụng các cấu trúc dữ liệu đã biết như struct, frames, classes, … 1.4. Vấn đề suy diễn trên hệ luật dẫn Cho trước hệ luật dẫn K = (Facts, Rules). Giả sử có một tập sự kiện GT đã xác định, ta xét một tập sự kiện mục tiêu KL. Hỏi có thể suy ra KL từ GT dựa trên tri thức K hay không? Ký hiệu bài toán: GT  KL Thuật giải: Thuật giải lan truyền dưới dạng suy diễn tiến Thuật giải suy diễn tiến: B1: Solution = []; Known = GT; B2: While (KL chưa nằm trong Known) do 2.1: Tìm luật r để áp dụng trên Known nhằm sinh ra sự kiện mới: gt(r) ⊆ Known, và kl(r) không nằm trong Known. 2.2: if (không có r) then Dừng: không tìm được lời giải 2.3: Thêm r vào Solution; thêm kl(r) vào Known; End while B3: Tìm được lời giải sử dụng danh sách luật Solution Chú ý: Rút gọn lời giải cho Solution GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai 5 2. Ứng dụng giải bài tập Vật Lý chuyển động thẳng biến đổi đều 2.1. Một số khái niệm về chuyển động thẳng biến đổi đều Chuyển động thẳng của một chất điểm được hiểu một cách khá đơn giản là chuyển động của chất điểm đó theo quỹ đạo là một đoạn thẳng. Ví dụ: Chuyển động rơi, chuyển động theo quán tính Chuyển động thẳng là một chuyển động theo một đường thẳng có hướng và thẳng mải trong mọi điểm thời gian. Các chuyển động thẳng với vận tốc không đổi gọi là chuyển động thẳng đều. Các chuyển động thẳng với vận tốc biến đổi theo thời gian gọi là chuyển động thẳng đều với vận tốc biến đổi. Chuyển động thẳng đều là chuyển động của một vật có quỹ đạo là đường thẳng, có vận tốc như nhau trên mọi quãng đường. Chuyển động thẳng đều có ba đại lượng đặc trưng là: vận tốc, quãng đường và thời gian chuyển động. Chuyển động thẳng biến đổi đều là chuyển động của một vật có quỹ đạo là đường thẳng, và có vận tốc tức thời hoặc là tăng đều hoặc là giảm đều theo thời gian. Chuyển động thẳng biến đổi đều của vật mà vận tốc tức thời tăng đều theo thời gian được gọi là chuyển động thẳng nhanh dần đều; ngược lại là chuyển động thẳng chậm dần đều. Chuyển động thẳng biến đổi đều của vật được đặc trưng bởi bốn đại lượng sau: gia tốc, vận tốc tức thời, quãng đường đi được và thời gian chuyển động. [2] Ta có thể xem chuyển động thẳng đều là chuyển động thẳng biến đổi đều với biến thiên vận tốc (gia tốc) = 0. 2.2. Phát biểu yêu cầu Xây dựng một ứng dụng giúp giải các bài tập Vật Lý về chuyển động thẳng biến đổi đều, giới hạn trong phạm vi chương trình vật lý lớp 10. Ví dụ: Một bài tập vật lý về chuyển động thẳng biến đổi đều Một vật được thả rơi tự do ở độ cao 20m, vận tốc đầu của vật là 0 m/s. Tính vận tốc của vật ngay trước khi chạm đất biết gia tốc trọng trường là 9.8 m/s 2 GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai 6 2.3. Mô hình Thuật toán được thiết kế theo mô hình hệ luật dẫn (Facts, Rules) Trong đó: Facts = {x0, x, t0, t, v0, v, a} x0 : tọa độ điểm xuất phát x : tọa độ điểm kết thúc t0 : thời điểm bắt đầu t : thời điểm kết thúc v0 : vận tốc ban đầu v : vận tốc cuối a : gia tốc Rules = { r1 : {x 0 , t 0 , t, v 0 , a}  {x} r2 : {t 0 , t, v 0 , a}  {v} r3 : {x 0 , x, v 0 , a}  {v} } 2.4. Tổ chức lưu trữ và ngôn ngữ lập trình 2.4.1. Tổ chức lưu trữ Sử dụng 2 tập tin dạng text có cấu trúc: Facts.txt và Rules.txt Cấu trúc file Facts.txt Begin x0 : Start Point x : End Point t0 : Start Time t : End Time v0 : Start Velocity GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai 7 v : End Velocity a : Acceleration End Cấu trúc file Rules.txt x0,t0,t,v0,v->x=( v0 + v ) * ( t - t0 ) / 2 + x0 x0,x,t0,t,v0->v=2 * ( x - x0 ) / ( t - t0 ) - v0 x0,x,t0,t,v->v0=2 * ( x - x0 ) / ( t - t0 ) - v x0,x,t0,v0,v->t=2 * ( x - x0 ) / ( v0 + v ) + t0 x0,x,t,v0,v->t0=t - 2 * ( x - x0 ) / ( v0 + v ) x0,a,t0,t,v0->x=a * ( t * t - 2 * t * t0 + t0 * t0 ) / 2 + v0 * ( t - t0 ) + x0 x,a,t0,t,v0->x0=x - a * ( t * t - 2 * t * t0 + t0 * t0 ) / 2 - v0 * ( t - t0 ) x,x0,t0,t,v0->a=2 * ( x - v0 * ( t - t0 ) - x0 ) / ( t * t - 2 * t * t0 + t0 * t0 ) t0,t,v0,a->v=a * ( t - t0 ) + v0 t0,t,v,a->v0=v - a * ( t - t0 ) t0,t,v0,v->a=( v - v0 ) / ( t - t0 ) t0,v0,v,a->t=( v - v0 ) / a + t0 t,v0,v,a->t0=t - ( v - v0 ) / a x0,x,v0,a->v=sqrt ( 2 * a * ( x - x0 ) + v0 * v0 ) x0,x,v,a->v0=sqrt ( v * v - 2 * a * ( x - x0 ) ) x0,v0,v,a->x=( v * v - v0 * v0 ) / ( 2 * a ) + x0 x,v0,v,a->x0=( x - ( v * v - v0 * v0 ) / ( 2 * a ) ) 2.4.2. Ngôn ngữ lập trình Ứng dụng được viết bằng C# trên Visual Studio 2010, sử dụng .NET Framework 4.0 GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai 8 2.5. Một số mẫu chạy thử Bài toán 1: Một chất điểm chuyển động thẳng đều với vận tốc 5 m/s trên quãng đường 18.5m. Hỏi thời gian để chất điểm đi hết quãng đường là bao nhiêu? Lời giải: Dựa vào dữ liệu bài toán ta có: Giải thiết: v 0 = v = 5 m/s (chuyển động đều) x 0 = 0 m x = 18.5 m t 0 = 0 s Kết luận: t = ? Áp dụng luật dẫn t = 2( x - x 0 )/( v 0 + v ) + t 0 Ta có t = 3.7 s Figure 1. Screenshot of Problem 1 GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai 9 Bài toán 2: Một vật nặng nằm trong khinh khí cầu đang chuyển động thẳng đều lên với vận tốc 5 m/s. Người ta thả vật nặng xuống và đo được thời gian vật nặng rơi xuống đất là 10 giây. Tính độ cao lúc vật nặng được thả xuống, biết gia tốc trọng trường là 9.8 m/s 2 Lời giải: Dựa vào dữ liệu bài toán ta có: Giải thiết: t 0 = 0 s t = 10 s x 0 = 0 m v 0 = -5 m/s (vật chuyển động lên trên, ngược với phương thẳng đứng khi vật rơi xuống nên vận tốc có giá trị âm) a = 9.8 m/s 2 Kết luận: x = ? Áp dụng luật dẫn Ta có x = 440 m GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai 10 Figure 2. Screenshot of Problem 2 2.6. Hạn chế và hướng phát triển Ứng dụng hiện nay chưa xét đến chuyển động tròn, chỉ có chuyển động thẳng. Do đó, ứng dụng có thể được mở rộng và phát triển theo hướng thêm các Facts và Rules liên quan tới chuyển động tròn của chất điểm, cũng như thiết kế lại một số các hàm tính toán để có thể tính được các đại lượng trong chuyển động tròn. GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai [...]...11 Tài liệu tham khảo [1] Van Bien’s Blog Giải bài toán tam giác bằng mô hình hệ luật dẫn https://bienuit.wordpress.com [2] Wikipedia Chuyển động thẳng http://vi.wikipedia.org/wiki/Chuy%E1%BB%83n_ %C4%91%E1%BB%99ng_th%E1%BA%B3ng [3] PGS.TS Phan Huy Khánh Giáo trình Hệ chuyên gia Đại học Đà Nẵng . thẳng đều là chuyển động thẳng biến đổi đều với biến thiên vận tốc (gia tốc) = 0. 2.2. Phát biểu yêu cầu Xây dựng một ứng dụng giúp giải các bài tập Vật Lý về chuyển động thẳng biến đổi đều, . thẳng đều. Các chuyển động thẳng với vận tốc biến đổi theo thời gian gọi là chuyển động thẳng đều với vận tốc biến đổi. Chuyển động thẳng đều là chuyển động của một vật có quỹ đạo là đường thẳng, . một bài thu hoạch môn học, ở đây chỉ trình bày một ứng dụng nhỏ áp dụng mô hình hệ luật dẫn. Ứng dụng này dùng để giải các bài tập chuyển động thẳng biến đổi đều trong chương trình môn Vật Lý