VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA CÁ NHÂN

VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA CÁ NHÂN 1. Giới thiệu Bài luận này không có tham vọng trình bày lại tất cả các luận điểm của các thuật toán, mà chỉ có mục đích khái quát lại các thuật toán, nguyên tắc, xen kẽ những lập luận, nhưng ý kiển chủ quan của cá nhân về các nguyên tắc xuất hiện trong các thuật toán đồng thời đưa ra các ví dụ cụ thể để làm sáng rõ các thuật toán này. 2. Các bước giải quyết một vấn đề bài toán và áp dụng nguyên lý Trong bất cứ hoạt động gì của cuộc sống, kể cả học tập, làm việc đến những hoạt động hàng ngày chúng ta luôn phải đối mặt với các vấn đề. Bạn đang lo lắng làm sao để học kì này đạt được một suất học bổng, bạn đang lo lắng ngày mai là sinh nhật người bạn thân, phải mua gì đây? Làm sao xin được tiền của ba mẹ để đi tham quan cùng lớp… Như tôi khi viết bài báo cáo này cũng rất đang lo lăng: làm sao viết được bài báo cáo thật rõ ràng, đáp ứng yêu cầu đề ra, lượng kiến thức cũng như khả năng lập luận, khả năng viết bài được nâng cao, làm sao truyền tải được hết ý của mình đến người đọc đặc biệt là người thầy sẽ chấm điểm môn này :D Kỹ năng giải quyết vấn đề là một điểm mấu chốt trong nghiên cứu khoa học, để đạt được những kết quả tốt trong quá trình nghiên cứu và học tập của mình người làm khoa học cần rèn luyện cho mình khả năng giải quyết công việc và vấn đề. Khi đối mặt với các vấn đề, mỗi người trong chúng ta lại có cách giải quyết riêng của mình, tùy vào đặc tính và khả năng cá nhân, nhưng nhìn chung cách giải quyết đểu được đưa ra dưới dạng mô hình sau: Cần xác định A, B, các thao tác để đi từ A đến B.  A, B không rõ ràng?  Các điều kiện của cách giải không minh bạch? Chúng đa đưa ra một tiến trình để giải quyết các vấn đề nói chung như sau: Bước 1: Xác định vấn đề - bài toán. Bước 2: Lựa chọn phương pháp giải. Bước 3: Xây dựng thuật toán hoặc thuật giải. Bước 4: Cài đặt chương trình. Bước 5: Hiệu chỉnh & Thực hiện chương trình. Bước 6: Lưu trữ, Bảo trì. A → B giả thiết giải pháp mục tiêu PHƯƠNG PHÁP TRỰC TIẾP PHƯƠNG PHÁP GIÁN TIẾP Phương pháp trực tiếp Phương pháp thử sai Phương pháp HeuristicPhương pháp trí tuệ nhân tạo Phương pháp luận sáng tạo khoa học Trang 2 3. Khái quát về các thuật toán, thuật giải, cấu trúc dữ liệu Trong tin học chúng ta có thể chia các phương pháp giải quyết bài toán thành hai mảng lớn: phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp Chúng ta sẽ đi vào từng thuật toán và giải quyết các bài toán tin học cụ thể từ các thuật toán này. 3.1. Phương pháp trực tiếp Phương pháp này chủ yếu tận dụng khả năng tính toán của máy tính, giải quyết bài toán bàng cách đưa dữ liệu vào, còn những thao tác thực thi hoàn toàn do máy tính thực hiện. a) Chính xác Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin – Sinh Viên: Nguyễn Lâm Tú 06520525 Phương pháp luận sáng tạo khoa học Trang 3 Giải phương trình bậc nhất một ẩn: y = ax+b Phương trình trên được giải quyết theo toán học như sau: TH1: a = 0 Nếu y = b: phương trình có vô số nghiệm Nếu y<>b: phương trình vô nghiệm TH2: a<>0 Phương trình có nghiệm duy nhất x = (y-b)/a Việc giải quyết bài toán chỉ là việc thực hiện lại một cách trưc tiếp các chỉ dẫn toán học trên Cài đặt cụ thể: code b) Gần đúng Các bài toán dạng này thường là các bài toán đã biết khoảng kết quả sẵn, chúng ta dùng một thủ thuật nào đó để đi gần đến kết quả nhất có thể. Bài toán tìm nghiệm của phương trình f(x) trong khoảng (a;b)  Xác định vấn đề bài toán: Lấy f(x) = 2x^2 +3 x -2 Tìm một giá trị của x làm cho f(x) = 0; Bài toán không yêu cầu phải tìm đầy đủ 2 nghiệm của phương trình. Vấn đề đầu tiên là, phương trình đã cho liệu có nghiệm không? Rõ ràng ta thấy rằng tich a*c của phương trình trên <0, do đó phương trình trên có nghiệm.  Phương án giải Phương trình có nghiệm ở đâu? Mặt khác ta lại thấy f(-1)*f(-3)<0 =>nghiệm của phương trình nằm trong khoảng [-3;1] Tìm bằng cách nào khi đã biết nghiệm ? Ở đây chúng ta sẽ dùng một phương pháp ước lượng ngiệm gần đúng. Tức là chúng ta sẽ thắt chặt nghiệm từ 2 đầu đã biết trước này.  Thuật toán: Thuật toán được đưa ra đó là phân đôi và xét f(x) tại giá trị ở giữ này. Cụ thể: B1: xác định đoạn [a;b] chứa nghiệm B2: xét f(c) với c=(a+b)/2 • F(c) = 0 => nghiệm là c; đến B3 • F( c ) >0 => nghiệm nằm trong [c;b]; gán a = c; quay lại B2 • F(c) <0 => nghiệm nằm trong [a;c]; gán b =c; quay lại B2 B3: nghiệm là c Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin – Sinh Viên: Nguyễn Lâm Tú 06520525 Phương pháp luận sáng tạo khoa học Trang 4  cài đặt: code c) Đệ quy Đệ quy là một trong những thủ thuật nổi tiếng nhất trong tin học thuật toán. Chúng ta chắc đã đôi lần “chạm chán ” với bài toán tháp Hà Nội hay tìm giai thừa, dãy Fibonaci, chúng đều được giải dưới dạng đệ quy. Bài toán giai thừa: long GT(int n) { // finished condition if(n==0||n==1) return 1; // recursion return n*GT(n-1); } Chúng ta hãy bàn luận một chút về bản chất của đệ quy. Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin – Sinh Viên: Nguyễn Lâm Tú 06520525 …. .… …. .… GT(2) …. .… GT(2) GT(1) Phương pháp luận sáng tạo khoa học Trang 5 Mỗi thuật toán đệ quy mô hình chung đều có 2 phần: phần điều kiện dừng và phần đệ quy. Như ví dụ về tính giai thừa phía trên phần điều kiện dừng chính là khi tham số đầu vào là 1 hoặc 0. Còn phần để quy là n*GT(n-1). Bản chất về cấu trúc của thuật toán đệ quy là stack hóa. Sau mỗi lần thực hiện hàm, kết quả lại được lưu vào trong stack.Quá trình thực hiện stack với hàm GT(3): Đệ quy được chia làm các loại sau:đệ quy đuôi, đệ quy rẽ nhánh, đệ quy hỗ tương.  Đệ quy đuôi: là dạng đệ quy mà trong một cấp đệ quy, chỉ có một lời gọi đệ quy duy nhất xuống cấp thấp. (ví dụ về hàm tính giai thừa phía trên)  Đệ quy nhánh: là dạng đệ quy mà trong suốt quá trình thực hiện hàm đệ quy, lời gọi đệ quy được thực hiện nhiều hơn một lần. Một ví dụ điển hình là bài toán tháp Hà Nội: Bài toán: Bài toán tháp Hà Nội (tiếng Anh gọi là Tower of Hanoi hay Towers of Hanoi) xuất phát từ trò chơi đố Tháp Hà Nội. Mục đích của bài toán là thực hiện được yêu cầu của trò chơi. Dạng bài toán thông dụng nhất là: "Người chơi được cho ba cái cọc và một số đĩa có kích thước khác nhau có thể cho vào các cọc này. Ban đầu sắp xếp các đĩa theo trật tự kích thước vào một cọc sao cho đĩa nhỏ nhất nằm trên cùng, tức là tạo ra một dạng hình nón. Người chơi phải di chuyển toàn bộ số đĩa sang một cọc khác, tuân theo các quy tắc sau: + một lần chỉ được di chuyển một đĩa + một đĩa chỉ có thể được đặt lên một đĩa lớn hơn (không nhất thiết hai đĩa này phải có kích thước liền kề, tức là đĩa nhỏ nhất có thể nằm trên đĩa lớn nhất)". Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin – Sinh Viên: Nguyễn Lâm Tú 06520525 Phương pháp luận sáng tạo khoa học Trang 6 Phân tích phương án giải: Với trường hợp 2 đĩa,giả sử 3 cột lần lượt là A,B,C;Với A là cột chứa các đĩa theo thứ tự nhỏ đến lớn; ta chỉ cần chuyển: 1. đĩa trên cùng qua B, 2.dĩa còn lại qua C; 3. Đĩa từ B qua C là đã thỏa mãn yêu cầu bài toán. Trường hợp 3 đĩa: 1. AB 2. AC 3. BC 4. AB 5. CA 6. CB 7. AB Trường hợp 4 đĩa: 1. AB 2. AC 3. BC 4. AB 5. CA 6. CB 7. AB 8. AC Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin – Sinh Viên: Nguyễn Lâm Tú 06520525 Phương pháp luận sáng tạo khoa học Trang 7 9. BC 10. BA 11. CA 12. BC 13. AB 14. AC 15. BC Có một quy luật nào đó trong sự vận chuyển đĩa chăng? Có sự đệ quy nào ở đây ? Hãy nhìn số bước làm việc: với n = a và n = b; b-a = 1 thì số bước cần thực hiện luôn có dạng: f(n) Thì f(b) = f(a)*2+1;Có quy luật trên là do với n= b ta phải 2 lần công việc của n = a cộng thêm một lần vận chuyển đĩa nữa. Thuật toán: Việc vận chuyển như trên phụ thuộc vào 2 yếu tố: vai trò của các cột di chuyển và số lượng đĩa được di chuyển. Thuật toán được nêu ra để thực hiện việc vần chuyển này đó là(với n đĩa ban đầu : A – nguồn, B-Trung gian, C - đích) B1: vận chuyển n-1 đĩa từ nguồn A qua B B2: vận chuyển đĩa còn lại qua C B3: vận chuyển n-1 đĩa từ B qua C Sự đệ quy sẽ suất hiện trong B1 và B3 khi này n đã giảm đi 1 đơn vị. Cùng với sự đệ quy này là sự thay đổi vai trò của các cột: ở B1 cột A là nguồn, cột B là đích, C là trung gian; ở B2 : B- là nguồn, C là đích, A là trung gian. Trong bài toán này chúng ta dã sử dụng đệ quy trong 2 nhánh B1 và B3. Cài đặt: code  Đệ quy hỗ tương: là dạng đệ quy mà trong đó có sự gọi quay vòng như A gọi B, B gọi C rồi C gọi lại A. d)Quy hoạch động Trong nghành Khoa học máy tính và toán học người ta sử dụng phương pháp quy hoạch đông(dynamic programming) để giải quyết các vấn đề phức tạp bằng cách chia nhỏ vấn đề phức tạp đó thành các vấn đề đơn giản hơn. Chúng ta vừa tiếp cận một số phương pháp giải toán : tính trực tiếp chính xác, gần đúng và đệ quy. Các phương pháp đó chỉ có thể giải quyết các bài toán mang tính chất đơn giản, gần gũi với khả năng tính toán của con người. Để giải quyết các vấn đề phức tạp hơn, có sự biến thiên các giá trị trong một vùng xác định người ta sử dụng đến quy hoạch động. Phương pháp quy hoạch động có thể được khái quát bởi hình ảnh sau: Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin – Sinh Viên: Nguyễn Lâm Tú 06520525 BOTTOM-TOP OVERLAPPING -SUBPROBLEMSTOP-DOWN OPTIMAL SUBSTRUCTURE Phương pháp luận sáng tạo khoa học Trang 8 Hướng tiếp cận của quy hoạch động có thể là bottm-top hoặc top-down,trong đó 2 tính chất của nó luôn được đảm bảo: tối ưu hóa các cấu trúc con thành phần(optimal substructure) và giải quyết các vấn đề con theo hướng từng bước, bước này dựa vào các bước trước đó(overlapping subproblems) Chúng ta hãy xet bài toán về dãy Fibonaci quen thuộc.Bài toán này được giải bằng đệ quy như sau: int Fib(int n) { if(n==1||n==0) { return 1; }else { return Fib(n-1)+Fib(n-2); } } Giả sử n nhập vào là 5 sự đệ quy được miêu tả như sau: 1.Fib(5); 2.Fib(4)+Fib(3); 3.Fib(3)+Fib(2) +Fib(2)+Fib(1); 4.Fib(2)+Fib(1)+Fib(1)+Fib(0)+ Fib(1)+Fib(0)+Fib(1); 5.Fib(1)+Fib(0)+ Fib(1)+Fib(1)+Fib(0)+ Fib(1)+Fib(0)+Fib(1); Ta dễ dàng nhận thấy là (ví dụ) Fib(3) được tính đến 2 lần! Có cách nào để chỉ tính Fib(3) một lần thôi không ? Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin – Sinh Viên: Nguyễn Lâm Tú 06520525 Phương pháp luận sáng tạo khoa học Trang 9 Chúng ta đều biết ưu điểm của đệ quy là diễn đạt dễ dàng và cài đặt dễ dàng. Tuy nhiên nó có nhược điểm rất lớn đó là sử dụng stack để lưu vết các bước trước đó. Điều này đôi khi làm cho đệ quy trở thành một phương pháp sử dụng tài nguyên quá nhiêu, đặc biệt trong trường hợp đệ quy với đầu vào có giá trị lớn. Thay vì việc dùng đệ quy chúng ta có thể sử dụng quy hoạch động. Sau đây là 2 hướng tiếp cận bài toán trên sử dụng quy hoạch động:  Tiếp cận top-down: Hàm này giải quyết bài toán bằng việc tính số fibonaci thứ n. Ta có một mảng các chỉ mục (mảng m) chỉ đến các giá trị tương ứng của dãy fibonaci với 2 giá trị mặc định m[0] = m[1]=1;ta muốn lấy giá trị của số thứ n .Nội dung thuật toán ta làm như sau: B1:gán m[1]=m[0]=1 B2:kiểm tra m[n] sẽ có 2 trường hợp xảy ra: Tồn tại số fibonaci tại m[n] đến bước 4 Không tồn tại số fibonaci tại m[n] đến bước 3 B3: tính số Fibonaci theo công thức quy nạp: Fib(n) = Fib(n-1)+Fib(n-2) B4:trả về giá trị của số Fibonaci thứ n. Kết thúc.  Tiếp cận bottom –top: Cách này sự dụng cách tính trực tiếp, thuật toán như sau: B1: nhận vào số fibonaci thứ n B2: Gán f1=f2=1; Lặp i 2n-1 newF =previousF+currenceF; previousF=currenceF; currenceF =newF; B3.Trả về giá trị của số fibonaci thứ n currenceF Cài đặt: code (xem file) Cái nào là optiminal substructure cái nào là overlapping subproblems ? Phân tích tính tối ưu về cấu trúc con(optimal substructure): Trong 3 thuật toán để giải bài toán nêu trên chúng ta đều thấy vấn đề được chia nhỏ dần thành các vấn đề nhỏ hơn, và giải quyết. Vấn đề nhỏ nhất được chia là khi n=1 và n=0. Chúng ta hãy để ý đến cấu trúc chia nhỏ này, rõ ràng đối với quy hoạch động các cấu trúc được tối ưu tốt nhất, tài nguyên được đảm bảo sử dụng ít nhất có thể. Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin – Sinh Viên: Nguyễn Lâm Tú 06520525 Phương pháp luận sáng tạo khoa học Trang 10 Phân tích về giải quyết các vấn đề từng bước, bước hiện tại dựa vào các bước trước (overlapping subproblems): Rõ ràng từ các vấn đề cơ bản (f1=f0=1), chúng ta sử dụng để giải quyết các vấn đề lớn hơn. Từ các vấn đề vừa giải quyết chúng ta lại sử dụng để giải quyết các vấn đề tiếp theo. 3.2.Phương pháp thử sai a) Vét cạn/duyệt toàn bộ Vét cạn toàn bộ là một phương pháp được sử dụng cho những bài toán có không gian tìm kiếm nhỏ. Chúng ta hãy xét một ví dụ sau: Cho 100 con Trâu ăn 100 bó cỏ. Trâu đứng ăn 5, Trâu nằm ăn 3, Trâu già 3 con một bó. Tìm số Trâu mỗi loại. Đây là một bài toán đố vui, việc của chúng ta là đi tinh số lượng của mỗi loại Trâu: Trâu đứng, Trâu nằm và Trâu già. Bài toán được mô phỏng dưới cách nhìn của toán học, với không gian tìm kiếm định rõ: i+j+k = 100 (1) 5i+3j+k/3 = 100 (2) Với: 0<= i <= 20 (*) 0<= j <=33 (**) 0<= k <= 100 && k mod 3 = 0 (***) Bài toán đã được mô hình dưới dạng hệ phương trình bậc nhất 3 ẩn số, với miền tìm kiếm được giới hạn. Để giải quyết bài toán này trên máy tính chúng ta sử dụng thuật toán vét cạn toàn bộ như sau: B1: 0<= i <= 20 làm công việc sau: Timduocnghiem = false; B1.1: 0<= j<= 33 làm công việc sau: B1.1.1 0<=k <= 100 và k chia hết cho 3 làm công việc sau: Kiểm tra biểu thức : i+j+k = 100 (1) 5i+3j+k/3 = 100 (2) Nếu biểu thức đúng thì gán Timduocnghiem = true.Thoái khỏi vòng lặp3 Ngược lại tiếp tục lặp Kiểm tra Timduocnghiem = true thì thoat khỏi vòng lặp 2 Ngược lại tiếp tục lặp Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin – Sinh Viên: Nguyễn Lâm Tú 06520525 [...]... Trí tuệ nhân tạo là ngành nghiên cứu giúp máy tính có khả năng nhận thức, suy luận và phản ứng Nhận thức, suy luận và phản ứng là những từ ngữ được dùng nhiều trong tâm lý học – ngành khoa học về hành vi con người – hơn là trong khoa học máy tính Trên thực tế, các nhà tâm lý cũng đã sát cánh với các nhà khoa học máy tính trong nhiều kế hoạch nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo Trong khi các nhà khoa học máy... máy tính nghiên cứu trí tuệ nhân tạo vì bị thách thức bởi vấn đề máy tính thông minh thì các nhà tâm lý học lại nghiên cứu trí tuệ nhân tạo vì những kiến thức này sẽ giúp thấu hiểu trí thông minh của con người và cách làm việc của bộ não con người Hai kiểu quan điểm này hình thành hai hướng tiếp cận trí tuệ nhân tạo Kiểu tiếp cận đầu tiên cố gắng dùng máy tính để bắt chước quá trình xử lý của con người... giới không rõ ràng Chính lịch sử ngắn ngủi của lĩnh vực này đã xác nhận điều đó Vào năm 1950, nhiều nhà nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo đã nỗ lực để tạo ra các máy tính có khả năng chơi cờ Ðến ngày nay, các máy tính có thể dễ dàng đánh bại tất cả mọi người (trừ những kiện tướng hàng đầu thế giới) Theo cách nói của một nhà nghiên cứu trí tuệ nhân tạo, trí tuệ nhân tạo là "tất cả những gì mà máy tính chưa... ra tri thức qua quá trình học tập cách đưa ra quyết định của con người Nhưng đối với hầu hết các hệ chuyên gia hiện nay, quá trình xây dựng cơ sở tri thức vẫn cần có sự trợ giúp của con người Nếu định nghĩa một cách khắc khe, các hệ chuyên gia thì có tri thức được xây dựng từ tri thức của các chuyên gia; còn các hệ thống khác có tri thức được xây dựng từ các nguồn Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin –... đưa ra các trợ giúp quyết định Thỉnh thoảng, các hệ chuyên gia cũng được dùng để trợ giúp các chuyên gia bằng cách cung cấp các phân tích dữ liệu tự động và đưa ra các ý kiến đề nghị Trong những trường hợp khác, các hệ chuyên gia cũng hỗ trợ những người không phải là chuyên gia bằng cách cung cấp các lời khuyên dựa trên tri thức các chuyên gia đã được lưu giữ Cho dù ở vai trò nào đi chăng nữa, các hệ... nhân tạo Các ứng dụng trong lĩnh vực này bao gồm nhận diện khuôn mặt, nhận diện vân tay, phân tích dữ liệu khoa học, dự đoán thời tiết, phân tích dữ liệu sinh học, phân tích dữ liệu vệ tinh, nhận dạng chữ viết, nhận biết tiếng nói và các hệ chuyên gia Chúng ta sẽ xem qua vài vấn đề và triển vọng của các hướng nhận dạng này, bắt đầu với việc nhận dạng các mẫu hình ảnh Nhận dạng hình ảnh Trường Đại Học. .. lý mới có thể chuyển sang dạng văn bản Các hệ thống nhận dạng âm thanh sử dụng lý thuyết nhận dạng tương tự như ở các hệ thống OCR bao gồm: – Tách biệt âm thanh thành các âm của từ và các âm vị khác – Nhận dạng từng âm của từ – Dựa vào ngữ cảnh để phân biệt các âm thanh không rõ ràng – Học hỏi từ con người Các nhà nghiên cứu đã có nhiều tiến bộ trong lĩnh vực này Các máy Macintosh với phần mềm PlainTalk... khả năng xử lý song song một cách tuyệt đối (xử lý song song là phân rã vấn đề phức tạp thành nhiều vấn đề nhỏ hơn, đơn giản hơn và giải quyết tất cả vấn đề này cùng một lúc) Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin – Sinh Viên: Nguyễn Lâm Tú 06520525 Phương pháp luận sáng tạo khoa học Trang 24 3 Phương pháp tốt nhất để làm một việc gì đó trên máy tính thì thường khác xa so với cách con người thực hiện nó... những khả năng mà trước đây thường chỉ được đề cập đến trong những phim khoa học giả tưởng Nổi bật nhất trong số những ứng dụng của trí tuệ nhân tạo là các hệ chuyên gia, xử lý ngôn ngữ tự nhiên và nhận dạng Các hệ cơ sở tri thức và hệ chuyên gia Một người bạn của bạn có thể dễ dàng dẫn bạn đi một vòng xung quanh khu phố của anh ta, giới thiệu với bạn về các gia đình hàng xóm, mô tả mối liên hệ giữa... lạc giữa các nhà khoa học trong thời kỳ chiến tranh lạnh Phương pháp có vẻ rất rõ ràng và khả thi : tạo ra một chương trình phân tích cấu trúc của câu và nhận biết từ loại của từng từ như chủ ngữ, vị ngữ, ; một chương trình khác sẽ tra nghĩa của các từ trong tự điển và sau đó tiến hành thay thế Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin – Sinh Viên: Nguyễn Lâm Tú 06520525 Phương pháp luận sáng tạo khoa học Trang . VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA CÁ NHÂN 1. Giới thiệu Bài luận này không có tham vọng trình bày lại tất cả các luận điểm của các thuật toán,. quyết vấn đề là một điểm mấu chốt trong nghiên cứu khoa học, để đạt được những kết quả tốt trong quá trình nghiên cứu và học tập của mình người làm khoa học