Biểu diễn tri thức và suy luận

BIỂU DIỄN TRI THỨC & ỨNG DỤNG Nội dung: - Giới thiệu ứng dụng khác BDTT suy luận (khám phá, sáng tạo), số đề tài - Nghiên cứu phuơng pháp biểu diễn tri thức suy luận hên máy tính (xem) - Một số kỹ thuật máy học (option) - Seminar: CASE STUDY (hay đồ án môn học: thực ứng dụng thực tuơng đối nhỏ) Tài liệu tham khảo: [1] Giáo trình AI, KBS Heuristics Các phuơng pháp BDTT bản: Hệ luật dẫn, mạng ngữ nghĩa, frames classes, [2] Các papers journals, proceedings, [3] Các luận văn, luận án, đề tài dự án KHCN GIỚI THIỆU CÁC ỨNG DỤNG CỦA KR&R (Knowledge Representation & Reasoning) I Phân loại theo hệ thống tin học Hệ thống thông tin, MIS, GIS, Hệ CSTT, HCG, HTGQĐ Hệ quản ý kho tài liệu theo ngữ nghĩa V.v II Phân loại theo lĩnh vực ứng dụng thực tế Giáo dục (E-learning, E-education, ) - Phần mềm dạy học - Phần mềm tra cứu kiến thức - Phần mềm hỗ trợ giải tập (có suy luận dựa CSTT) - Phần mềm kiểm tra đánh giá kiến thức Quản lý hành chánh (E-govemment) - Quản lý công văn: tổ chức xếp luu trữ, xử lý hay giải công văn - Hỗ trợ tìm kiếm tài liệu văn dựa nội dung (semnatic) Thuơng mại (E-commerce) Internet search engine -> Semantic Web, Semantic Search Kinh tế Tài nguyên, môi truờng V.V III Giói thiệu ứng dụng cụ thể Hệ tra cứu kiến thức, tự điển kiến thức máy tính - Tra cứu kiến thức Toán: Hình học, đại số, giải tích, đại số tuyến tính, - Tra cứu kiến thức Vật lý - Tra cứu kiến thức Hóa học Hệ tra giải toán dựa CSTT - Hệ giải tập HHP, Đại số, HHGT, - Hệ giải toán điện xoay chiều, điện chiều - Hệ giải số lóp toán Hóa học Phần mềm dạy học - Phần mềm dạy học tiếng Anh - V.v Hệ quản lý hỗ trợ tìm kiếm văn CNTT Hệ quản lý kho tài nguyên học tập Hệ quản lý văn cho UBND cấp phường, quận, CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY DIỄN Cơ BẢN rm _ ■ Ạ _ X Ấ I_ *Ả ■ Ã I 11 f _ Khái niệm vân đê biêu diên tri thức - Khái niệm tri thức (knowledge): Sự hiểu biết người phạm vi, lĩnh vực đó; xem xét theo mục tiêu hay vấn đề định - Tri thức hệ thống phức tạp, đa dạng trừu tượng bao gồm nhiều thành tố với mối liên hệ tác động qua lại như: • Các khái niệm {concepts), với mối liên hệ định • • • • (relationships) Các quan hệ {relations) : relations? -> Xem lại kiến thức quan hệ góc độ toán học giáo trình “Toán Rời Rạc”: + Định nghĩa quan hệ + Các tính chất quan hệ R tập X: phản xạ, đối xứng, phản xứng, bắc cầu + Quan hệ thứ tự + Quan hệ tương đương + Cách biếu diễn quan hệ R tập X: Biểu diễn dựa “tập họp”, biểu diễn ma trận, biểu đồ (đồ thị) Các toán tử {operators), phép toán, biểu thức hay công thức + Phép toán T tập X ánh xạ T : XxX -ỳ X (a,b) -> a T b - T(a,b) Ví dụ: + : NxN -ỳ N (a,b) -> a+b + Phép toán s trcn tập X S : X ^ X + Các tính chất thường xem xét: giao hoán, kết hợp, phần tử trung hòa, phần tử nghịch đảo, phần tử đối, phân phối (hay phân bố), Các hàm {functions) Các luật {rules) Sự kiện (facts) Phân biệt thuật ngữ: - Ánh xạ Hàm Quan hệ Toán tử Vấn đề biểu diễn hi thức: Xây dựng mô hình biếu diễn tri thức đế đua tri thức lên máy tố chức luu trữ xử lý, đặc biệt cho suy luận giải vấn đề, toán Hiên nay, mỏ hình biếu diễn tri thức thuởng dua trcn: - Các cấu trúc liệu trừu tuợng biết - Các mô hình cấu trúc toán học: DSTT, TRR, Đồ Thị, GT, HHGT, XSTK, LOGIC, - Logic toán học, xác suất thống kê - Các mô hình biếu diễn tri thức bản: + logic vị từ + mạng ngự nghĩa + Hệ luật dẫn + frames, classes + scripts - Các ngôn ngữ đặc tả - Các ontology Các mô hình biểu diễn tri thức - Xem lại: • Logic vị từ + mô hình: (Predicates, Clauses) Predicates tập gồm vị từ, vị từ biểu diễn cho phát biểu nói tính chất đối tuợng hay quan hệ đối tuợng vị từ xác định tên vị từ kiểu tham biến Ví dụ: gioi(x:sinhvien) Ví dụ: vg(v: vector, P: plane) Clauses tập gồm biểu thức vị từ gồm dạng fact rule + Nên dùng PROLOG, công cụ xử lý biểu diễn theo vị từ Prediactes us(integer, integer) uscln(integer, integer, integer) clauses uscln(A,0,A) uscln(0,A,A) uscln(A,B,D) A > B, AI = A-B, uscln(Al,B,D) uscln(A,B,D) A dạng mô hình đặc biệt Ví dụ 1: Mạng suy diễn - tính toán (Computational Net) Ví dụ 2: Đồ thị khái niệm (Conceptial Graph) -> ứng dụng semantic web, biểu diễn ngữ nghĩa tài liệu văn Ví dụ : Sơ đồ tu (Mind map) - Bài tập áp dụng: Bài nộp - BDTT&ƯD Xây dựng mô hình biểu diễn tri thức tể chức tri thức máy cho ứng dụng sau đây: BT1: Biểu diễn tri thức giải toán có dạng duới hên hình phẳng nhu: tam giác hay trường họp đặc biệt hơn, tứ giác hay truờng hợp đặc biệt hơn, Bài toán: Trên hình (H), cho truớc tập yếu tố (biết giá trị) Yêu cầu tính hay số yếu tố mục tiêu Một số mẫu chạy thứ chuông trĩnh: Ml: Input: GT: a = 5, b = 4, A = pi/2 KL: S, R Output: S=6R = 2.5 Lời giải (khi có yêu cầu) Bl : Áp dụng định lý Pitago ta có aA2 = bA2 + cA2 (1) B2: Áp dụng (1) a=5, b=4 suy C = B3: Các viẽc phải thuc hiên cho truởng hơp “TAM GIÁC”: (1) Thu thập hi thức xác định vấn đề (hay toán): xong Tri thức gồm: khái niệm yếu tố tam giác, định lý, tính chất, công thức, NX: Có luật dạng phuơng trình, các luật dạng bất phuơng trình, có luật dạng luật dẫn (2) Mô hình biểu diễn hi thức: thành phần - Các khái niệm yếu tố tam giác, yếu tố biểu diễn biến số thực duơng nhu a, b , c, - Các luật liên hệ trcn biến a,b, c, đuợc phân làm phần: phần gồm luật dạng phuơng trình, phần gồm luật dạng bất phuơng trình, phần gồm luật dạng luật dẫn ■=> Mô hình đuợc xây dựng với cấu trúc nhu sau: (V, R) V = {a, b, c, } gồm biến thực duơng R = RI u R2 u R3 Với RI = { phuơng trình nhu A+B+C=pi, } R2 = { bất phuơng trình nhu a+b>c, } R3 = { luật dẫn nhu if aA2 = bA2 + CA2 then A = pi/2, } Tồ chức hi thức trcn đĩa: dạng tập tin TEXT có cấu trúc Chẳng hạn: - File luu tri thức V: + tên file: c.txt + vị trí đĩa: + Cấu trúc file nhu nào? Begin : giải cho yếu tố NNTN : giải cho yếu tố NNTN v.v End - File RI TXT đế luu thành phần RI mô hình biếu diễn tri thức + vị trí đĩa: + Cấu trúc file nhu nào? Begin : giải NNTN : giải NNTN s = a*ha / : công thức tính diện tích theo cạnh đường cao v.v End - V.v BT2: Xây dựng chương trình tìm chuỗi phản ứng hóa học để điều chế số chất từ chất cho trước, phạm vi kiến thức: hóa vô chương trình giáo dục phổ thông BT3*: Xây dựng chương hình tính toán mạch điện chiều, xoay chiều Xét kiến thức mạch điện chiều Các viẽc phải thưc hiên: (1) Thu thập hi thức xác định vấn đề (hay toán) Tri thức gồm: Định luật Ồm công thức liên quan đến thông số vật lý đoạn mạch “đơn giản” gồm điện hở hay biến hở mắc song song hay nối tiếp Các thông số: điện hở, dòng qua điện trở, hiệu điện ứng với điện trở, công suất, tổng hở cho đoạn mạch hay cho toàn đoạn mạch, dòng hiệu điện đoạn mạch hay toàn đoạn mạch lớn Vấn đề: Trên đoạn mạch “đơn giản”, cho trước giá trị số biến, tính giá trị vài biến mục tiêu (2) Mô hình biếu diễn hi thức: Ri -1 !□— R2 —1 R3 R R S I E,r D Trên đoạn mạch cụ thể ta có thông số sau đây: RI, II, ui, Pl, , R5,15, U5, P5, Rx, Ix, Ux, Px, R(R1 *R2), I(R1 *R2), U(R1 *R2), P(R1 *R2), , R(R3*R4*R5), I(R3*R4*R5), , R(Rx II R3*R4*R5), R(Rx II R3*R4*R5), NX: Các thông số biểu diễn biến thực duơng Các luật liên hệ thông số viết duới dạng phuơng trình Chẳng hạn nhu: U1 =R1 *11, P1 =U1 *11, R(R1 *R2) = Rl + R2, U(R1 *R2) = Ul + U2, , 1/ R(Rx II R3*R4*R5) = 1/Rx + / (R3+R4+R5), NX: Tri thức có dạng “mạng tính toán” Tuy nhiên mạng không cố định mà tùy thuộc vào mạch điện cụ đuợc cho -> khó khăn cho việc tố chức xử lý máy Cần cách biếu diễn khác Ta sử dụng mô hình “mạng đối tuợng tính toán” (Kiếm & Nhơn, 1996) - Mỗi đoạn mạch gồm điện trở R đuợc biếu diễn đối tuợng tính toán nhu sau: * Các thuộc tính gồm biến: R, I, U, p, công thức liên hệ nội u = R*I, p = U*I, * Các hành vi xử lý: áp dụng thuật giải hên mạng tính toán - Một đoạn mạch tổng hợp: biểu diễn công thức hên đối tuợng có phép toán * (ghép nối tiếp) + (ghép song song); Ví dụ: OI * 02 * (06 + 03*04*05) - Luật liên hệ đối tuợng: + Luật liên quan đến phép ghép nối tiếp: (A*B).R = A.R + B.R (A*B).U = A.U + B.U (A*B).I = A.I = B.I + Luật liên quan đến phép ghép song song: 1/(A+B).R = 1/A.R + 1/B.R Mô hình tri thức: (C, Ops, Rules) c = { “đoạn mạch gồm điện trở”, “đoạn mạch”} Ops = {*, + } Rules = { luật liên quan đến phép toán * + } Bài toán nhập vào theo mô hình “Network of C-Objects”: - - Tên đối tượng kiểu đối tượng, vi dụ: Ol, 06; Cấu trúc mạch điện viết dưói dạng công thức đối tượng với phép toán * + ví dụ: 01*02*(06 + 03*04*05); Giả thiết (các giá trị cho trước) mục tiêu (yếu tế cần tính) Ol.u = 5, 01.1 = , (01*02*(06 + 03*04*05)).u = 100 MẠNG CÁC ĐỐI TƯỢNG TÍNH TOÁN I, - MẠNG TÍNH TOÁN Mô hình: (M, F) M: tập biến đơn, biến thực F: Tập luật dạng phương hình biến M Kỹ thưât vân dưng: không xử dụng trực tiếp phương trình trình suy luận mà chuyển sang dạng luật dẫn để dùng thuật giải suy diễn tiến hệ luật dẫn Mỗi luật dạng phương trình chuyển đổi thành số luật dẫn kèm theo công thức tính toán tương ứng Ví dụ: luật A+B+C = pi chuyển thành luật dẫn sau: A, B -> c, với c A, B, = pi - A - B; c -> B, với B = pi - A - C; c -> A, với A = pi - B - C; Ví dụ: Công thức Hê-rông chuyển thành luật dẫn a, b, c, p -> s, với s = s, p, a, b -> c, v.v Ta có mô hình dạng hệ luật dẫn: (M, R) M = tập kiện, phát biểu tính xác định biến R = tập luật dẫn, luật dẫn có công thức tính toán tương ứng Vấn đề: Cho trước số biến, yêu cầu tìm (hay tính) số biến mục tiêu Thuật giải - Thuật giải lan truyền dạng suy diễn tiến 4 Mộ ví dụ áp dụng - Giải toán tam giác Known = {A, B, a} f: A+B+C=pi II - MẠNG CÁC ĐỐI TƯỢNG TÍNH TOÁN Khái niệm mô hình Vấn đề Thuật giải Ví dụ áp dụng Tham khảo: trang web KRR.VN KR-Group.org Công cụ hỗ trợ lập trình xử lý máy - Ngôn ngữ lập hình thông dụng: C/C++, c#, JAVA - Ngôn ngữ lập trình tính toán symbolic: MAPLE Câu hỏi ôn tập: Trình bày mô hình mạng đối tượng tính toán ứng dụng vào vấn đề cụ thể Biểu diễn hệ thống tri thức gồm khái niệm với quan hệ, định luật, nhằm thiết kế hệ tra cứu kiến thức Huởng dẫn trả lởi: Câu 1: (a) Trình bày mô hình mạng đối tượng tính toán: - Giới thiệu khái niệm đối tượng tính toán, ví dụ (2/3 trang) - Cấu trúc mô hình mạng đối tượng tính toán, ví dụ (1/2 trang) - Vấn đề thuật giải (1 + 1/3) (b) Chọn ứng dụng cụ thể HHP, điện chiều: - Phát biếu toán hên tri thức cụ thế, cho mẫu toán cụ - Trình bày biểu tri thức, có sử dụng mạng đối tượng tính toán - Viết lại thuật giải chi tiết (nếu cần thiết) - Cho ví dụ toán cụ thể Câu 2: (a) Biếu diễn tri thức cho miền tri thức ứng dụng gồm khái niệm, quan hệ, luật - Xây dựng mô hình biểu diễn tri thức để tổ chức lưu trữ xử lý hên máy (b) Thiết kế hệ tra cứu kiến thức cho CSTT gồm khái niệm, quan hệ, luật ?? Bài tập: ỨNG DỤNG 1: THIẾT KÉ HỆ TRA cứu KIẾN THỨC VỀ - TOÁN AI - HÌNH HỌC - v.v Các giai đoan thưc hiên: Tra cửu kiến thức Toán Al Thu thập kiến thức (hay tri thức), Xác định yêu cầu tra cứu người dùng (sinh viên, giảng viên) Biểu diễn tri thức tể chức CSTT đáp ứng cho yêu cầu tra cứu TaoCSTT Thiết kế thuật giải xử lý tìm kiếm theo yêu cầu tra cứu Cài đặt thử nghiệm MÔ HÌNH Cơ SỞ TRI THỨC CÁC ĐỐI TƯỢNG TÍNH TOÁN (KBCO: Knowledge Base of Computational Objects ) (COKB: Computational Objects Knowledge Base) - Tài liệu - Slide Giai đoạn 2000-2001: Cấu trúc thành phần Giai đoạn 2004-2008: Cấu trúc thành phần GIỚI THIỆU VỀ ONTOLOGY Tham khảo viết COKB-ONT Slides Sách: • Công nghệ phần mềm hướng tác tử (agent) I, - Nắm vững phương pháp biểu diễn tri thức (xem trang - ) II, - Mô hình mạng tính toán mạng đối tượng tính toán (xem trang 10 - 11) III, - Mô hình tri thức đối tượng tính toán (COKB) (xem trang 13) Câu hỏi thi: Lý thuyết BDTT: Xem mô hình biết - Các mô hình - Mạng tính toán - Mạng đối tượng tính toán - COKB - Option: Đồ thị khái niệm, Mind map Vận dụng: - T r i thức: HHP, HHGT - Điện chiều Một sế câu hỏi cụ thể: Trình bày mô hình mạng đối tượng tính toán ứng dụng vào vấn đề cụ thể Biểu diễn hệ thống tri thức gồm khái niệm với quan hệ, định luật, nhằm thiết kế hệ tra cứu kiến thức BT1: Biếu diễn tri thức giải toán có dạng hình phẳng như: tam giác hay trường họp đặc biệt hơn, tứ giác hay trường họp đặc biệt hơn, Bài toán: Trên hình (H), cho hước tập yếu tố (biết giá trị) Yêu cầu tính hay số yếu tố mục tiêu Xây dựng chuơng trình tính toán mạch điện chiều, xoay chiều MỘT SỐ ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN TRI THỨC I - Xây dựng ứng dụng tính toán (giải toán) động học II - Xây dựng ứng dụng tìm chuỗi phản ứng hóa học hóa học vô (phạm vi kiến thức phổ thông) - Tài liệu: “Giúp hí nhớ chuỗi phản ứng hóa học”, TG: Lê Kim Hùng III - Biểu diễn hi thức tổ chức CSTT kiến thức hình học vector hong mặt phẳng, phục vụ cho việc xây dựng ứng dụng giải toán vector IV - v v [...]... Câu 2: (a) Biếu diễn tri thức cho một miền tri thức ứng dụng gồm các khái niệm, các quan hệ, và các luật - Xây dựng mô hình biểu diễn tri thức để có thể tổ chức lưu trữ và xử lý hên máy (b) Thiết kế hệ tra cứu kiến thức cho CSTT gồm các khái niệm, quan hệ, và luật ?? Bài tập: ỨNG DỤNG 1: THIẾT KÉ HỆ TRA cứu KIẾN THỨC VỀ - TOÁN AI - HÌNH HỌC - v.v Các giai đoan thưc hiên: Tra cửu kiến thức Toán Al 1... T r i thức: HHP, HHGT - Điện một chiều Một sế câu hỏi cụ thể: 1 Trình bày mô hình mạng các đối tượng tính toán và ứng dụng vào một vấn đề cụ thể 2 Biểu diễn hệ thống tri thức gồm các khái niệm cùng với các quan hệ, các định luật, nhằm thiết kế hệ tra cứu kiến thức 3 BT1: Biếu diễn tri thức và giải bài toán có dạng dưới đây trên một hình phẳng như: tam giác hay trường họp đặc biệt hơn, tứ giác hay trường... Các giai đoan thưc hiên: Tra cửu kiến thức Toán Al 1 Thu thập kiến thức (hay tri thức) , Xác định các yêu cầu tra cứu của người dùng (sinh viên, giảng viên) 2 Biểu diễn tri thức và tể chức CSTT đáp ứng cho các yêu cầu tra cứu 3 TaoCSTT 4 Thiết kế các thuật giải xử lý tìm kiếm theo yêu cầu tra cứu 5 Cài đặt thử nghiệm MÔ HÌNH Cơ SỞ TRI THỨC CÁC ĐỐI TƯỢNG TÍNH TOÁN (KBCO: Knowledge Base of Computational... xoay chiều MỘT SỐ ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN TRI THỨC I - Xây dựng ứng dụng tính toán (giải các bài toán) về động học II - Xây dựng ứng dụng tìm chuỗi phản ứng hóa học về hóa học vô cơ (phạm vi kiến thức phổ thông) - Tài liệu: “Giúp hí nhớ về chuỗi phản ứng hóa học”, TG: Lê Kim Hùng III - Biểu diễn hi thức và tổ chức CSTT về kiến thức hình học về vector hong mặt phẳng, phục vụ cho... pháp biểu diễn tri thức cơ bản (xem trang 3 - 5 ) II, - Mô hình mạng tính toán và mạng các đối tượng tính toán (xem trang 10 - 11) III, - Mô hình tri thức về các đối tượng tính toán (COKB) (xem trang 13) Câu hỏi thi: 1 Lý thuyết về BDTT: Xem các mô hình đã biết - Các mô hình cơ bản - Mạng tính toán - Mạng các đối tượng tính toán - COKB - Option: Đồ thị khái niệm, Mind map 2 Vận dụng: - T r i thức: ... KR-Group.org 4 Công cụ hỗ trợ lập trình và xử lý trên máy - Ngôn ngữ lập hình thông dụng: C/C++, c#, JAVA - Ngôn ngữ lập trình tính toán symbolic: MAPLE Câu hỏi ôn tập: 1 Trình bày mô hình mạng các đối tượng tính toán và ứng dụng vào một vấn đề cụ thể 2 Biểu diễn hệ thống tri thức gồm các khái niệm cùng với các quan hệ, các định luật, nhằm thiết kế hệ tra cứu kiến thức Huởng dẫn trả lởi: Câu 1: (a) Trình... tượng tính toán: - Giới thiệu khái niệm về đối tượng tính toán, và một ví dụ (2/3 trang) - Cấu trúc của mô hình mạng các đối tượng tính toán, ví dụ (1/2 trang) - Vấn đề và thuật giải (1 + 1/3) (b) Chọn một ứng dụng cụ thể như HHP, điện 1 chiều: - Phát biếu bài toán hên tri thức cụ thế, và cho một mẫu bài toán cụ thế - Trình bày biểu tri thức, trong đó có sử dụng mạng đối tượng tính toán - Viết lại thuật... 1/A.R + 1/B.R Mô hình tri thức: (C, Ops, Rules) c = { “đoạn mạch cơ bản gồm một điện trở”, “đoạn mạch”} Ops = {*, + } Rules = { các luật liên quan đến 2 phép toán * và + } Bài toán được nhập vào theo mô hình “Network of C-Objects”: - - Tên của các đối tượng và kiểu đối tượng, vi dụ: Ol, 06; Cấu trúc của mạch điện viết dưói dạng công thức trên các đối tượng với các phép toán * và + ví dụ: 01*02*(06... trước) và mục tiêu (yếu tế cần tính) Ol.u = 5, 01.1 = 3 , (01*02*(06 + 03*04*05)).u = 100 MẠNG CÁC ĐỐI TƯỢNG TÍNH TOÁN I, - MẠNG TÍNH TOÁN 1 Mô hình: (M, F) M: tập các biến đơn, như các biến thực F: Tập các luật dạng phương hình trên các biến của M Kỹ thưât vân dưng: không xử dụng trực tiếp các phương trình trong quá trình suy luận mà chuyển sang dạng luật dẫn để có thể dùng thuật giải suy diễn tiến... một biến R = tập các luật dẫn, mỗi luật dẫn có một công thức tính toán tương ứng 2 Vấn đề: Cho trước một số biến, yêu cầu tìm (hay tính) một số biến mục tiêu 3 Thuật giải - Thuật giải lan truyền dưới dạng suy diễn tiến 4 Mộ ví dụ áp dụng - Giải bài toán tam giác Known = {A, B, a} f: A+B+C=pi II - MẠNG CÁC ĐỐI TƯỢNG TÍNH TOÁN 1 2 3 4 Khái niệm và mô hình Vấn đề Thuật giải Ví dụ áp dụng Tham khảo: trên