Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh Trường Đại học Công nghệ thông tin o0o Bài báo cáo môn: BIỂU DIỄN TRI THỨC & ỨNG DỤNG Đề tài: Mạng ngữ nghĩa và ứng dụng giải một số bài toán phổ thông GVHD : PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn Học viên : Bùi Anh Kiệt MSHV : CH1101018 Tp. Hồ Chí Minh – Ngày 10 tháng 01 năm 2013 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông Lời mở đầu Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, ngành công nghệ thông tin là một trong những lĩnh vực có được những bước tiến lớn và đạt được những thành tựu đáng kể. Cùng với sự phát triển của ngành công nghệ thông tin, các vấn đề phức tạp trong thực tế được đơn giản đi rất nhiều. Nhờ đó mà quá trình phát triển được thúc đẩy nhanh chóng hơn. Vai trò của của công nghệ thông tin trong thời buổi công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước là không thể phủ nhận, tuy nhiên việc ứng dụng công nghệ thông tin vào những lĩnh vực nào và ứng dụng như thế nào để có thể khai thác hết được thế mạnh của ngành công nghệ thông tin luôn là một câu hỏi lớn. Việc ứng dụng tri thức nhân loại vào trong ngành công nghệ thông tin để góp phần đưa ra những lời giải cho nhiều vấn đề khó được xem là một giải pháp và cần thiết và có ý nghĩa. Các tri thức nhân loại đều có thể được xây dựng thành một hệ thống hoàn chỉnh và ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau dưới sự hổ trợ của công nghệ thông tin. Việc chuyển đổi tri thức nhân loại thành các hệ thống hay còn được gọi là biểu diễn tri thức vẫn đang được thực hiện, những tri thức đó đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong quá trình phát triển của xã hội. Trong bài tiểu luận này, tác giả đưa ra một ví dụng minh hoạ cho việc biểu diễn tri thức trong công nghệ thông tin và ứng dụng minh hoạ cho quá trình biểu diễn tri thức đó. Cho dù phạm vi ứng dụng của hệ thống này còn hạn chế, nhưng đây là một cơ sở để phát triển các hệ thống chuyên gia. Mạng ngữ nghĩa là một khái niệm tri thức được ứng dụng nhiều trong thực tế như các bài toán về mạng giao thông, luồng việc ứng dụng mạng ngữ nghĩa trong các lĩnh vực của đời sống xã hội không còn xa lạ với con người. Và trong bài tiểu luận này, tác giả muốn gửi đến một ứng dụng khác, đó là ứng dụng mạng ngữ nghĩa để giải các bài toán phổ thông. Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 2 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông Mục lục Lời mở đầu 2 Mục lục 3 1 Mạng ngữ nghĩa 4 1.1 Đặc điểm 4 1.2 Ưu nhược điểm 4 1.3 Cách biểu diễn tri thức 5 2 Ứng dụng mạng ngữ nghĩa trong tin học 9 2.1 Hệ chuyên gia 9 2.2 Ứng dụng mạng ngữ nghĩa để giải các bài toán 11 3 Ứng dụng mạng ngữ nghĩa để giải các bài toán phổ thông 14 3.1 Giới thiệu bài toán 14 3.2 Xây dựng bài toán hình học phẳng 14 3 góc α = , β = , δ = 15 3 cạnh a, b, c 15 4 góc α = , β = , δ = , γ = 17 Cạnh a, b, c, d 17 Chiều cao h 17 Hai cạnh con của c là c1 và c2 17 Diện tích S 17 Chu vi C 17 Có 2 cạnh a, c song song nhau 17 Tổng các góc α + β + δ + γ = 2π 17 Chiều dài cạnh a = c – (c1 + c2) 17 Chiều dài cạnh a = C – (b + c + d) 18 Chiều dài cạnh a = - c 18 Chiều dài cạnh b = C – (a + c + d) 18 Chiều dài cạnh b = 18 Chiều dài cạnh c = C – (a + b + d) 18 Chiều dài cạnh c = - a 18 Chiều dài cạnh d = C – (a + b + c) 18 Chiều dài cạnh d = 18 Góc γ = arsin() 18 Góc γ = 2π – (α + β + δ ) 18 Góc δ = arsin() 18 Góc δ = 2π – (α + β + γ ) 18 Góc α = + arsin() 18 Góc α = 2π – (δ + β + γ ) 18 Góc β = + arsin() 18 Góc β = 2π – (δ + α + γ ) 18 Diện tích S = a.h + h + h 18 Chu vi C = a + b + c + d 18 4 Kết luận 22 Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 3 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông 1 Mạng ngữ nghĩa 1.1 Đặc điểm Mạng ngữ nghĩa là một phương pháp biểu diễn tri thức, được xây dựng dựa trên phương pháp đồ thị để biểu diễn các mối liên hệ giữa các tri thức tổng quát, các khái niệm, các sự việc Do mạng ngữ nghĩa là một loại đồ thị cho nên ta có thể dùng những thuật toán của đồ thị trên mạng ngữ nghĩa như thuật toán tìm liên thông, tìm đường đi ngắn nhất, … để thực hiện các cơ chế suy luận. Điểm đặc biệt của mạng ngữ nghĩa so với đồ thị thông thường chính là việc gán một ý nghĩa cho các cung. Cung nối giữa hai đỉnh cho biết giữa hai khái niệm tương ứng có sự liên hệ như thế nào. Việc gán ngữ nghĩa vào các cung của đồ thị đã giúp giảm bớt được số lượng đồ thị cần phải dùng để biễu diễn các mối liên hệ giữa các khái niệm. Một đặc điểm quan trọng của mạng ngữ nghĩa là tính kế thừa. Chính đặc tính kế thừa của mạng ngữ nghĩa đã cho phép ta có thể thực hiện được rất nhiều phép suy diễn từ những thông tin sẵn có trên mạng. Cơ chế suy diễn áp dụng trong mạng ngữ nghĩa là thực hiện theo thuật toán loang truyền đơn giản theo hai bước sau: • Kích hoạt các đỉnh đã cho ban đầu (các đỉnh đã có giá trị) • Nếu một đỉnh chưa xác định nối với n đỉnh khác (thông qua những mối liên hệ). Và trong đó có n-1 đỉnh đã xác định thì đỉnh đó cũng được xác định. Lặp lại bước này cho đến khi xác định được tất cả các đỉnh. 1.2 Ưu nhược điểm Ưu điểm: • Mạng ngữ nghĩa rất linh động, có thể thêm vào mạng các đỉnh hoặc cung mới để bổ sung các tri thức cần thiết • Mạng ngữ nghĩa có tính trực quan cao nên rất dễ hiểu Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 4 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông • Mạng ngữ nghĩa cho phép các đỉnh có thể kế thừa các tính chất từ các đỉnh khác thông qua các cung loại “là’ từ đó có thể tạo ra các liên kết “ngầm” giữa những đỉnh không có liên kết trực tiếp với nhau. • Mạng ngữ nghĩa hoạt động khá tự nhiên theo cách thức con người ghi nhận thông tin. Nhược điểm: • Vẫn chưa có một chuẩn nào quy định các giới hạn cho các đỉnh và cung của mạng. Điều đó đồng nghĩa với người dùng có thể gắn bất kỳ khái niệm nào cho đỉnh hoặc cung. • Tính thừa kế trong mạng có thể dẫn đến khả năng mâu thuẩn tri thức 1.3 Cách biểu diễn tri thức Khi biểu diễn một mạng ngữ nghĩa, các đỉnh của đồ thị là các đối tượng (khái niệm, tri thức, sự việc) nào đó, còn các cung giữa các đỉnh thể hiện các mối liên hệ giữa các đối tượng (khái niệm, tri thức, sự việc) này. Hình 1-1 Ví dụ về mạng ngữ nghĩa tiêu biểu Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 5 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông Trong ví dụ trên, các yếu tố như “Xe máy, Xe, Động cơ, Xăng, Đường” được xem là các đối tượng của mạng ngữ nghĩa. Trong khi đó các yếu tố “Là, Di chuyển trên, chạy bằng hay có” là các mối liên hệ giữa các đối tượng. Xét ví dụ bên dưới, Hình 1-2 Ví dụ về mạng ngữ nghĩa kế thừa Trong mạng ngữ nghĩa trên ta có thể thấy được các mối quan hệ như sau: - Hình vuông là hình chữ nhật + là tứ giác + có 4 góc. Từ đó ta có thể suy luận được là hình vuông có 4 góc. - Hình chữ nhật là hình bình hành + hình bình hành có hai cặp cạnh bằng nhau. Từ đó có thể suy ra hình chữ nhật có hai cặp cạnh bằng nhau. Dù không có đường liên hệ trực tiếp từ đối tượng “Hình vuông” đến đối tượng “4 góc” nhưng thông qua tính chất kế thừa ta có thể xác định được là đối tượng “Hìnhvuông” có liên hệ “có” với đối tượng “4 góc”. Tương tự với trường hợp của đối tượng “Hình chữ nhật” và đối tượng “Hai cặp cạnh bằng nhau”. Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 6 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông Tuy mạng ngữ nghĩa là một kiểu biểu diễn trực quan đối với con người nhưng khi đưa vào máy tính, các đối tượng và mối liên hệ giữa chúng thường được biểu diễn dưới dạng những phát biểu động từ (như vị từ). Hơn nữa, các thao tác tìm kiếm trên mạng ngữ nghĩa thường khó khăn (đặc biệt đối với những mạng có kích thước lớn). Do đó, mô hình mạng ngữ nghĩa được dùng chủ yếu để phân tích vấn đề. Sau đó, nó sẽ được chuyển đổi sang dạng luật hoặc frame để thi hành hoặc mạng ngữ nghĩa sẽ được dùng kết hợp với một số phương pháp biểu diễn khác.\ Tham khảo: (1) Logic vị từ: Khi phát biểu tri thức dưới dạng mệnh đề, có một hạn chế khi triển khai trên máy tính là mệnh đề không có cấu túc nên rất khó để suy luận. Từ khó khăn đó, hai khái niệm vị từ và lượng từ được cho ra đời để tăng cường tính cấu trúc của một mệnh đề. Trong logic vị từ, một mệnh đề được biểu diễn bởi hai thành phần, đó là các đối tượng tri thức và mối liên hệ giữa chúng (hay còn gọi là vị từ). Ví dụ 1: Mệnh đề: Mặt trời mọc ở phương đông. Logic vị từ: Mọc (mặt trời, phương đông). Ví dụ 2: Ta có tri thức như sau; “A là bố của B nếu như B là anh/em của một người con của A”. Tri thức ở trên được biểu diễn như sau: Bố (A, B) = Tồn tại C sao cho Bố(A, C) và Anh( B, C) (2) Frame: Frame là một cấu trúc dữ liệu chứa đựng tất cả những tri thức liên qua đến một đối tượng cụ thể nào đó. Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 7 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông Frame có liên hệ chặc chẽ đến khái niệm hướng đối tượng nên nó thường được dùng trong các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng phục vụ cho trí tuệ nhân tạo và các hệ chuyên gia. Ví dụ: Biểu diễn thông tin chung của một chiếc xe hơi dưới dạng frame như sau: Frame: Xe hơi - Thuộc lớp: Phương tiện vận chuyển - Nhà sản xuất: Toyota - Nơi sản xuất: Nhật - Model: Camry - Số lượng cửa: 4 - Số lượng bánh: 4 - Động cơ: Tham chiếu đến frame Động cơ - Hộp số tự động: 3 - Frame: Động cơ - Bán kính xylanh: 3.19 inch - Tỷ lệ nén: 3.4 inche - Hệ thống xăng: TurboCharger - Mã lực: 140 hp - Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 8 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông 2 Ứng dụng mạng ngữ nghĩa trong tin học Mạng ngữ nghĩa mà một cách biểu diễn tri thức dưới dạng đồ thị trực quan. Tuy nhiên để biểu diễn mạng ngữ nghĩa dưới dạng tri thức trong tin học là một vấn đề phức tạp. Sau đây là một số ứng dụng của mạng ngữ nghĩa trong tin học. 2.1 Hệ chuyên gia 2.1.1 Khái niệm Trong cuộc sống có rất nhiều tri thức được hình thành dựa trên nền tảng một hệ thống các thông tin riêng biệt tách rời. Những thông tin này thường không có cấu trúc, không có tính hệ thống và thường không có quan hệ với nhau. Việc tổng hợp các thông tin tách rời, riêng biệt để hình thành nên một tri thức là việc làm mà các chuyên gia đã thực hiện được và qua đó họ có thể lý giải được sự việc và có những nhận định chính xác về các hiện tượng xẩy ra. Tuy nhiên giới hạn của con người trong việc ghi nhớ và suy luận đã thúc đẩy việc tạo ra các hệ thống mà có thể thay thế các chuyên gia trong việc tổng hợp thông tin và đưa ra những nhận định chính xác dựa trên các hiện tượng xẩy ra dựa vào những công thức suy luận sẵn có là cần thiết. Những hệ thống đó được gọi là hệ chuyên gia. Yếu tố quan trọng để xây dựng một hệ chuyên gia là thông tin. Thông tin có thể là đối tượng, có thể là mối liên hệ giữa các đối tượng đó. Thông tin càng nhiều càng chi tiết thì độ chuẩn xác của hệ chuyên gia càng cao. 2.1.2 Ưu khuyết điểm Hệ chuyên gia là một ứng dụng được con người xây dựng nên để phục vụ con người trong việc tổng hợp thông tin và đưa ra những nhận định dựa vào quá trình suy luận logic. Do đó bên cạnh những ưu điểm thì hệ chuyên gia còn tồn tại rất nhiều khuyết điểm và cần sự khắc phục để các hệ chuyên gia ngày càng trở nên hoàn thiện hơn. Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 9 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông Ưu điểm: - Lưu trữ lượng thông tin lớn - Tốc độ suy luận nhanh, độ chính xác cao - Dễ tiếp thu thông tin mới - Khuyết điểm: - Không có khả năng đánh giá thông tin đầu vào - Thông tin đầu vào yêu cầu phải đúng chuẩn và rỏ ràng - Không có khả năng hình thành tri thức mới từ những thông tin đã có 2.1.3 Quá trình xây dựng Quá trình xây dựng một hệ chuyên gia trải qua các bước sau: (1) Tiếp nhận thông tin: các thông tin trong quá trình này là các thông tin thô. Được lưu trữ theo một định dạng nhất định (thường là theo định dạng của Logic vị từ). Thông tin càng phong phú thì hệ thống càng có độ tin cậy cao (2) Phân loại thông tin: đây là quá trình sắp xếp các thông tin theo một quy luật sẵn có. Trong quá trình này người xây dựng hệ chuyên gia cần phải thực hiện công việc chính xác, vì nếu như thông tin được chọn lọc và sắp xếp sai lệch thì hệ thống sẽ không có độ tin cây cao. (3) Xây dựng giao diện cho hệ thống. Đây là bước không ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống nhưng là bước quan trong để đưa hệ thống đến với con người. Hệ thống càng thân thiện thì giá trị hệ thống càng cao. Trong quá trình xây dựng hệ thống. 2.1.4 Một số hệ chuyên gia tiêu biểu (1) Hệ chuyên gia trong lĩnh vực y tế dùng để chẩn đoán bệnh. Thông thường một chứng bệnh sẽ có một số lượng triệu chứng nhất định. Thông tin đưa vào cho hệ thống là các triệu chứng và các mối kết hợp và liên hệ. Dựa vào các mối liên hệ mà hệ thống sẽ sắp xếp các thông tin thành một liên kết các Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 10 [...]... 12 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông • Giữa hai đối tượng không nên tồn tại quá một mối liên hệ Việc tồn tại hơn một mối liên hệ giữa hai đối tượng không làm giá trị mạng ngữ nghĩa sai những sẽ làm mạng phình ra không cần thiết Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 13 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông 3 Ứng dụng mạng ngữ nghĩa để giải các bài toán phổ thông. .. xây dựng chương trình giải một bài toán bằng mạng ngữ nghĩa cần áp dụng các bước sau: (1) Xác định các đối tượng, các mối liên hệ có trong bài toán Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 11 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông Từ những thông tin có trước của bài toán, việc xác định các đối tượng và các mối liên hệ không phức tạp, tuy nhiên mạng ngữ nghĩa cho bài toán có thể đưa ra được... được loại bỏ (3) Biểu diễn thông tin trên mạng ngữ nghĩa: Hình 3-2 Mạng ngữ nghĩa cho bài toán hình tam giác Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 16 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông Trong mạng ngữ nghĩa trên, các ô tròn biểu thị cho các đối tượng của bài toán và các ô vuông thể hiện mối quan hệ giữa các đối tượng 3.2.2 Bài toán hình thang (1) Xác định thông tin: Xét hình thang... thang này (3) Biểu diễn thông tin trên mạng ngữ nghĩa: Hình 3-2 Mạng ngữ nghĩa cho bài toán hình thang Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 19 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông 3.2.3 Biểu diễn thông tin trên máy Vấn đề khó khăn nhất trong việc thể hiện nội dung của mạng ngữ nghĩa trên máy tính là việc không thể xác định được giá trị nào trên mạng đã xác định và giá trị nào cần phải... 3.1 Giới thiệu bài toán Trong chương trình phổ thông có hai dạng bài toán hay gặp đó là bài toán hình học và bài toán đại số Với hai dạng bài toán này, việc biểu diễn trên mạng ngữ nghĩa có tác động tích cực đến người học Với tính trực quan của mạng ngữ nghĩa, người học sẽ dễ dàng tiếp thu và hình thành tri thức nhanh chóng Có nhiều dạng toán hình học và đại số trong chương trình phổ thông, nhưng vì... Hình 3-3 Giao diện bài toán hình thang Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 21 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông 4 Kết luận Mạng ngữ nghĩa là một dạng công cụ dùng để biểu diễn tri thức Với những tính chất của loại công cụ này, mạng ngữ nghĩa thích hợp cho việc biểu diễn những tri thức ở dạng dự đoán tính toán dựa trên những cở sở thông tin cố định Mạng ngữ nghĩa thích hợp nhất... hiện kết quả Nếu không thể tính toán ra kết quả, chương trình sẽ thông báo cho người dùng biết Giao diện bài toán hình tam giác được xây dựng như sau: Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 20 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông Hình 3-3 Giao diện bài toán hình tam giác Bài toán hình thang: Tương tự như bài toán tam giác, người dùng cần nhập vào những thông tin cần thiết trước khi chọn... lọc thông tin: Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 18 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông Trong mô tả bên ở trên ta có thể thấy các thông tin về cạnh c 1 và c2 là dư thừa, vì chúng không cần thiết trong việc tính toán các giá trị còn lại Thông tin về hai cạnh song song, không giúp ta trong việc tính toán Những thông tin này có thể lượt bỏ trong sơ đồ mạng ngữ nghĩa cho bài toán. .. )( P − b)( P − c) o Liên hệ giữa góc và cạnh Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 b a c = = sin β sin α sin δ 15 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông (2) Chọn lọc thông tin: Trong các thông tin đã cung cấp ở các bài toán trên ta có thể thấy một số thông tin thừa không cần thiết như: 3 đường trung tuyến ia , ib , ic ở bài toán tam giác Với các thông tin này hệ thống không bị mất đi... dùng để giải đáp các quy luật biến đổi của giới tự nhiên dựa trên những quy luật cố định và bền vững 2.2 Ứng dụng mạng ngữ nghĩa để giải các bài toán 2.2.1 Mục tiêu Trong toán học việc tìm hiểu và chứng minh một tiền đề, một định lý, là một quá trình phức tạp với một hệ thống các dẫn chứng, luận chứng, và các luận chứng luận cứ đó lại có quan hệ đến nhau Việc kết hợp các dẫn chứng, luận chứng đó sẽ . Hệ chuyên gia 9 2.2 Ứng dụng mạng ngữ nghĩa để giải các bài toán 11 3 Ứng dụng mạng ngữ nghĩa để giải các bài toán phổ thông 14 3.1 Giới thiệu bài toán 14 3.2 Xây dựng bài toán hình học phẳng. diễn thông tin trên mạng ngữ nghĩa : Hình 3-2 Mạng ngữ nghĩa cho bài toán hình tam giác Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 16 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông Trong mạng. trị mạng ngữ nghĩa sai những sẽ làm mạng phình ra không cần thiết Học viên: Bùi Anh Kiệt – CH1101018 13 Mạng ngữ nghĩa & Ứng dụng giải một số bài toán phổ thông 3 Ứng dụng mạng ngữ nghĩa