ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP, NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO ĐỂ GIẢI QUYẾT CÁC VẤN ĐỀ - BÀI TOÁN TRONG TIN HỌC

ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP, NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO ĐỂ GIẢI QUYẾT CÁC VẤN ĐỀ - BÀI TOÁN TRONG TIN HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG

BÀI THU HOẠCH

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC

ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP, NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO ĐỂ GIẢI QUYẾT CÁC VẤN ĐỀ - BÀI TOÁN TRONG

Mục lục

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KHOA HỌC VÀ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 5

I KHOA HỌC LÀ GÌ? 5

1.2 Tiêu chí nhận biết một bộ môn khoa học 5

1.3 Phân loại khoa học 6

II KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ LÀ GÌ? 8

2.1 Công nghệ 8

2.2 Kỹ thuật 8

2.3 Phân biệt khoa học, kỹ thuật và công nghệ 8

III NGHIÊN CỨU KHOA HỌC LÀ GÌ 9

3.1 Chức năng cơ bản của nghiên cứu khoa học 9

3.2 Các đặc điểm của nghiên cứu khoa học 9

3.3 Các loại hình nghiên cứu khoa học 9

3.4 Các bước nghiên cứu 10

CHƯƠNG 2: VẤN ĐỀ KHOA HỌC & CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 12

I VẤN ĐỀ KHOA HỌC 12

1.1 Khái niệm 12

1.2 Phân loại 12

1.3 Các tình huống vấn đề 12

1.4 Các phương pháp phát triển vấn đề khoa học 12

II PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ-BÀI TOÁN PHÁT MINH, SÁNG CHẾ 13

2.1 Năm phương pháp 15

2.2 Bốn mươi thủ thuật 15

III PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ- BÀI TOÁN TỔNG QUÁT 16

3.1 Mô hình thông tin ban đầu 16

3.2 Các phương pháp phân tích vấn đề 17

Ví dụ về xử lý hình ảnh 17

3.3 Các phương pháp tổng hợp vấn đề 19

IV PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ-BÀI TOÁN TIN HỌC 21

4.1 Phương pháp trực tiếp: 21

4.2 Phương pháp gián tiếp: 22

Một số ví dụ áp dụng các phương pháp giải quyết vấn đề trong lĩnh vực tin học: 25 Tài liệu thao khảo: 45

LỜI MỞ ĐẦU

Nghiên cứu khoa học (NCKH) là một hoạt động then chốt hàng đầu trong những ngành khoa học Kết quả từ NCKH là những phát hiện mới về kiến thức, về bản chất sự vật, phát triển nhận thức khoa học về thế giới, sáng tạo phương pháp và phương tiện kỹ thuật mới có giá trị cao

Ngày nay khi mà với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật làm thế giới trở nên bình đẳng hơn, các biên giới quốc gia chỉ còn giá trị về địa lý thì cơ hội thành công là rất rõ rệt với tất

cả mọi người Do đó việc nắm vững phương pháp, nguyên lý sáng tạo có thể coi như là chìa khoá để mở cánh cửa thành công Chỉ cẩn giải quyết được một vấn đề nào đó cũng có thể làm nên cuộc cách mạng công nghệ mới

Em xin chân thành cám ơn GS TSKH thầy Hoàng Kiếm, đã cho em một kiến thức thật

bổ ích qua môn học này, đã làm thay đổi, mở mang tư duy của em trong mọi vấn đề Không chỉ là những vấn đề trong tin học mà còn tất cả những vấn đề trong mọi lĩnh vực, đời sống hằng ngày

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KHOA HỌC VÀ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

I KHOA HỌC LÀ GÌ?

1.1 Khoa học

- Khoa học là hệ thống tri thức về mọi loại qui luật của vật chất và sự vận động của vật chất, những qui luật của tự nhiên, xã hội và tư duy (Pierre Auger –Tendences actuelles

de la recherche scientifique, UNESCO, Paris, 1961)

- Khoa học là quá trình nghiên cứu nhằm khám phá ra những kiến thức mới, học thiết mới…về tự nhiên và xã hội Những kiến thức hay học thiết mới này tốt hơn, có thể thay thế cái củ không còn phù hợp

- Hệ thống tri thức này hình thành trong lịch sử và không ngừng phát triển trên cơ sở thực tiển xã hội Phân biệt ra hai hệ thống tri thức: tri thức kinh nghiệm và tri thức khoa học

 Tri thức kinh nghiệm: là những hiểu biết được tích lũy qua hoạt động sống hang ngày

trong mới quan hệ giữa con người với con người và giữa con người với thiên nhiên Quá trình này giúp con người hiểu biết về sự vật, về cách quản lý thiên nhiên và hình thành mối quan hệ giữa những con người trong xã hội Tri thức kinh nghiệm được con người không ngừng sử dụng và phát triển trong hoạt động thực tế Tuy nhiên, tri thức kinh nghiệm chưa thật sự đi sâu vào bản chất, chưa thấy được hết các thuộc tính của sự vật và mối quan hệ bên trong giữa sự vật và con người Vì vậy, tri thức kinh nghiệm chỉ phát triển đến một hiểu biết giới hạn nhất định, nhưng tri thức kinh nghiệm là cơ sở cho

sự hình thành tri thức khoa học

 Tri thức khoa học: là những hiểu biết được tích lũy một cách có hê thống nhờ hoạt động

nghiên cứu khoa học, các hoạt động này có mục tiêu xác định và sử dụng phương pháp khoa học Không giống như tri thức kinh nghiệm, tri thức khoa học dựa trên kết quả khảo sát thu thập được qua những thí nghiệm và qua các sự kiện xảy ra ngẫu nhiên trong hoạt động xã hội, trong tự nhiên Tri thức khoa học được tổ chức trong khuôn khổ các ngành và bộ môn khoa học (discipline) như: triết học, sử học, kinh tế học…

1.2 Tiêu chí nhận biết một bộ môn khoa học

Các tiêu chí nhận biết một bộ môn khoa học

- Có đối tượng để nghiên cứu?

- Có hệ thống lý thuyết?

- Có hệ thống phương pháp luận hay không?

- Có mục đích sử dụng hay không?

1.3 Phân loại khoa học

Sự phân loại các khoa học dựa trên:

- Nguồn gốc (lý thuyết, thực nghiệm, thực chứng…)

- Mục đích ứng dụng (mô tả, phân tích, tổng hợp, sáng tạo…)

- Mức độ khái quát (cụ thể, trừu tượng, tổng quát…)

- Tính tương liên (liên ngành, đa ngành…)

- Cơ cấu hệ thống tri thức (cơ sở, cơ bản, chuyên ngành…)

- Đối tượng nghiên cứu (tự nhiên, kỹ thuật, xã hội nhân văn, công nghệ, nông nghiệp,

y học…)

Phân loại ARISTOTE(384-322 trước công nguyên)

Khoa học lý thuyết Khoa học sáng tạo

Khoa học thực hành

Mục đích Tìm hiểu thực

tại Sáng tạo tác phẩm

Hướng dẫn đời sống

- Siêu hình học

Phân loại Marx (1818 - 1883)

Marx chia khoa học ra làm nhóm:

- Khoa học tự nhiên có đối tượng là các dạng vật chất và hình thức vận động của các

dạng vật chất đó được thể hhiện trong giới tự nhiên cũng như mối liên hệ và quy luật của

chúng: cơ học, vật lý học, hóa học, sinh vật học, toán học,…

- Khoa học xã hội hay khoa học về con người có đối tượng là những sinh họat của

con người, những quan hệ xã hội… cùng các quy luật và những động lực của sự phát triển

xã hội: sử học, kinh tế học, chính trị học đạo đức học, mỹ học,… bao trùm tất cả các khoa

học vừa kể chính là chủ nghĩa duy vật lịch sử

II KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ LÀ GÌ?

1 Nghiên cứu khoa học mang tính xác suất Điều hành công nghệ mang tính xác định

2 Hoạt động khoa học luôn đổi mới, không lặp lại Hoạt động công nghệ được lặp lại theo chu kỳ

3 Sản phẩm khó được định hình trước Sản phẩm được định hình theo thiết kế

4 Sản phẩm mang đặc trưng thông tin Đặc trưng sản phẩm tùy thuộc đầu vào

5 Lao động linh họat và tính sáng tạo cao Lao động bị định khuôn theo qui định

6 Có thể mang mục đích tự thân Có thể không mang mục đích tự thân

7 Phát minh khoa học tồn tại mãi mãi với thời Sáng chế công nghệ tồn tại nhất thời và bị tiêu

gian vong theo lịch sử tiến bộ kỹ thuật

III NGHIÊN CỨU KHOA HỌC LÀ GÌ

Nghiên cứu khoa học là một họat động tìm kiếm, xem xét, điều tra, hoặc thử nghiệm Dựa trên những số liệu, tài liệu, kiến thức…đạt được từ các thí nghiệm nghiên cứu khoa học để phát hiện ra những cái mới về bản chất sự vật, về thế giới tự nhiên và xã hội, và để sáng tạo phương pháp và phương tiện kỹ thuật mới cao hơn, giá trị hơn

3.1 Chức năng cơ bản của nghiên cứu khoa học

- Mô tả (định tính, định lượng)

- Giải thích (thuộc tính, nguồn gốc, quan hệ…)

- Dự đoán

- Sáng tạo (các giải pháp cải tạo thế giới)

3.2 Các đặc điểm của nghiên cứu khoa học

3.3 Các loại hình nghiên cứu khoa học

- Nghiên cứu cơ bản (phát hiện bản chất, qui luật…)

+ Thuần túy (tự do)

+ Định hướng

o Nền tảng: dịch tễ học, điều tra cơ bản…

o Chuyên đề: plasma, Gen di truyền

 Phát minh

- Nghiên cứu ứng dụng

Sự vận dụng các qui luật từ nghiên cứu cơ bản đến các nguyên lý về các giải pháp (công nghệ, vật liệu, tổ chức, quản lý…)

 Sáng chế: giải pháp kỹ thuật có tính mới và áp dụng được

- Nghiên cứu triển khai (R & D)

 Các hình mẫu mang tính khả thi về kỹ thuật 3 mức độ triển khai (Labo, pilot,  )

3.4 Các bước nghiên cứu

- Xác lập vấn đề nghiên cứu:

o Chọn và cụ thể hóa đề tài

o Xác định cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu

o Nghiên cứu lịch sử vấn đề

- Giai đọan chuẩn bị nghiên cứu:

o Chuẩn bị điều kiện nghiên cứu

o Thiết lập danh mục tư liệu

- Lựa chọn và nghiên cứu thông tin:

o Thu thập và xử lý thông tin

o Nghiên cứu tư liệu

Nghiên cứu chuyên đề

Triển khai bán đại trà

Quan hệ giữa các loại hình nghiên cứu

o Xử lý thông tin

- Xây dựng giả thuyết, lựa chọn phương pháp và lập kế hoạch:

o Xây dựng giả thuyết

o Xác định phương pháp luận nghiên cứu

o Lập kế hoạch

- Hoàn tất nghiên cứu:

o Đề xuất và xử lý thông tin

o Xây dựng kết luận và khuyến nghị

- Viết báo cáo hòan tất công trình:

CHƯƠNG 2: VẤN ĐỀ KHOA HỌC & CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

I VẤN ĐỀ KHOA HỌC

1.1 Khái niệm

Vấn đề khoa học (scientific problem) cũng được gọi là vấn đề nghiên cứu (research problem) hoặc câu hỏi nghiên cứu là câu hỏi được đặt ra khi người nghiên cứu đứng trước mâu thuẫn giữa tính hạn chế của tri thức khoa học hiện có với yêu cầu phát triển tri thức đó

3) Nghĩ ngược lại quan niệm thông thường

4) Quan sát những vướng mắc trong thực tiễn

Có vấn đề Có nghiên cứu

Không có

vấn đề

Không có nghiên cứu

Giả vấn đề

Không có vấn

đề

Không có Nghiên cứu

Nảy sinh vấn

đề khác

Nghiên cứu theo một hướng khác

5) Lắng nghe lời kêu ca phàn nàn

6) Cảm hứng : những câu hỏi bất chợt xuất hiện khi quan sát sự kiện nào đó

II PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ-BÀI TOÁN PHÁT MINH, SÁNG CHẾ

Một tiếp cận không gian giải quyết vấn đề

Ý tưởng  bài toán  mô hình  cách giải

Bài toán P: Sau khi có ý tưởng, bài toán P được đặt ra nhằm giải quyết mục đích cuối

cùng là gì

Điểm nhìn: nơi có vị trí, tầm nhìn khách quan nhất, bao quát vấn đề để khi giải quỵết

không còn sai sót hoặc sai sót ít có thể chấp nhận được

Không gian vấn đề: Bài toán P đặt trong không gian vấn đề sao cho không quá phức tạp,

nhưng cũng không thể đơn giản quá dẫn tới sai sót

Tuy nhiên, một hệ thống ban đầu chưa hẳn đã có một chuẩn Vepol đủ 3 yếu tố trên, hoặc

đã đủ thì có thể phát triển gì thêm trên Vepol đó

9 Nguyên lý gây ứng suất sơ bộ

10 Nguyên lý thực hiện sơ bộ

11 Nguyên lý dự phòng

12 Nguyên lý đẳng thế

13 Nguyên lý đảo ngược

14 Nguyên lý cầu (tròn) hóa

15 Nguyên lý năng động

16 Nguyên lý tác động bộ phận và dư thừa

17 Nguyên lý chuyển sang chiều khác

18 Sự dao động cơ học

19 Nguyên lý tác động theo chu kỳ

20 Nguyên lý tác động liên tục hữu hiệu

21 Nguyên lý vượt nhanh

22 Nguyên lý chuyển bại thành thắng

23 Nguyên lý quan hệ phản hồi

24 Nguyên lý sử dụng trung gian

25 Nguyên lý tự phục vụ

26 Nguyên lý sao chép (copy)

27 Nguyên lý rẻ thay cho đắt

28 Nguyên lý thay thế sơ đồ cơ học

29 Nguyên lý sử dụng các kết cấu thủy và khí

30 Sử dụng vỏ dẻo và màng mỏng

31 Sử dụng vật liệu nhiều lỗ

32 Nguyên lý đổi màu

33 Nguyên lý đồng nhất

34 Nguyên lý loại bỏ và tái sinh từng phần

35 Đổi các thông số hóa lý của đối tượng

III PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ- BÀI TOÁN TỔNG QUÁT

3.1 Mô hình thông tin ban đầu

Phân tích

Phân lo i

d) Phân cấp bài toán:

Bài toán P  cấu trúc lại bài toán P’

Mô tả thô  Mô tả tinh

Ví dụ về xử lý hình ảnh

Tìm xem một ảnh A nằm ở đâu trong ảnh B

e) Phân tích:

3.3 Các phương pháp tổng hợp vấn đề

Tổng hợp theo không gian và thời gian

Để giải quyết vấn đề khoa học, ngược lại với phương pháp phân tích là phương tổng hợp

Tổng hợp ở đây bao gồm cả tổ hợp, kết hợp, đối hợp và tích hợp Tùy thuộc vấn đề, yêu

cầu của bài toán, ta có thể áp dụng việc tổ hợp hay kết hợp hay đối hợp hay tích hợp Các

thông tin thu nhận được sẽ được tổng hợp theo không gian hay thời gian hay kết hợp cả hai

để được một thông tin mới gíup cho việc giải quyết các vấn đề của bài toán

IV PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ-BÀI TOÁN TIN HỌC

4.1 Phương pháp trực tiếp:

Đặc điểm của cách giải quyết vấn đề này là đều xác định trực tiếp được lời giải qua một thủ tục tính toán (công thức, hệ thức, định luật,…) hoặc qua các bước căn bản để có được

lời giải Đối với phương pháp này, việc giải quyết vấn đề trên máy tính chỉ là thao tác lập trình hay là sự chuyển đổi lời giải từ ngôn ngữ bên ngoài sang các ngôn ngữ được sử dụng trong máy tính Tìm hiểu về phương pháp này chính là tìm hiểu về kỹ thuật lập trình trên máy tính

Để thực hiện tốt phương pháp trực tiếp, chúng ta nên áp dụng các nguyên lý sau :

- Nguyên lý 1 : Chuyển đổi dữ liệu bài toán thành dữ liệu của chương trình, có nghĩa

là “Dữ liệu của bài toán sẽ được biểu diễn lại dưới dạng các biến của chương trình thông qua các quy tắc xác định của ngôn ngữ lập trình cụ thể “

- Nguyên lý 2 : Chuyển đổi quá trình tính toán của bài toán thành các cấu trúc của

chương trình, có nghĩa là “Mọi quá trình tính toán đều có thể mô tả và thực hiện dựa trên ba cấu trúc cơ bản : Cấu trúc tuần tự, cấu trúc rẽ nhánh và cấu trúc lặp ”

- Nguyên lý 3 : Biểu diễn các tính toán chính xác, có nghĩa là “Chương trình tính

toán theo các biểu thức chính xác không đồng nhất với quá trình tính toán chính xác về mặt hình thức ”

- Nguyên lý 4 : Biểu diễn các tính toán gần đúng bằng cấu trúc lặp, có nghĩa là “Mọi

quá trình tính toán gần đúng đều dựa trên các cấu trúc lặp với tham số xác định ”

- Nguyên lý 5 : Phân chia bài toán ban đầu thành những bài toán nhỏ hơn, có nghĩa là

“Mọi vấn đề - bài toán đều có thể giải quyết bằng cách phân chia thành những vấn đề - bài toán nhỏ hơn ”

- Nguyên lý 6 : Biểu diễn các tính toán không tường minh bằng đệ quy, có nghĩa là

“Quá trình đệ quy trong máy tính không đơn giản như các biểu thức quy nạp trong toán học ”

4.2 Phương pháp gián tiếp:

Phương pháp này được sử dụng khi chưa tìm ra lời giải chính xác của vấn đề Đây cũng chính là cách tiếp cận chủ yếu của loài người từ xưa đến nay Điểm khác ở đây là chúng ta đưa ra những giải pháp mang đặc trưng của máy tính, dựa vào sức mạnh tính toán của máy tính Tất nhiên, một lời giải trực tiếp bao giờ cũng tốt hơn, nhưng không phải lúc nào cũng có

Chúng ta có thể áp dụng các phương pháp gián tiếp như sau :

Phương pháp thử – sai :

Khi xây dựng lời giải bài toán theo phương pháp thử – sai, người ta thường dựa vào 3 nguyên lý sau :

- Nguyên lý vét cạn: Đây là nguyên lý đơn giản nhất, liệt kê tất cả các trường

hợp có thể xảy ra

- Nguyên lý ngẫu nhiên : Dựa vào việc thử một số khả năng được chọn một

cách ngẫu nhiên Khả năng tìm ra lời giải đúng phụ thuộc rất nhiều vào chiến lược chọn ngẫu nhiên

- Nguyên lý mê cung : Nguyên lý này được áp dụng khi chúng ta không thể

biết được chính xác “hình dạng” lời giải mà phải xây dựng dần lời giải qua từng bước một giống như tìm đường đi trong mê cung

Để thực hiện tốt phương pháp thử - sai, chúng ta nên áp dụng các nguyên lý sau :

- Nguyên lý vét cạn toàn bộ : Muốn tìm được cây kim trong đống rơm, hãy lần

lượt rút ra từng cọng rơm cho đến khi rút được cây kim

- Nguyên lý mắt lưới : Lưới bắt cá chỉ bắt được những con cá có kích thước

lớn hơn kích thước mắt lưới

- Nguyên lý giảm độ phức tạp của thử và sai : Thu hẹp trường hợp trước và

trong khi duyệt, đồng thời đơn giản hóa tối đa điều kiện chấp nhận một trường hợp

- Nguyên lý thu gọn không gian tìm kiếm : Loại bỏ những trường hợp hoặc

nhóm trường hợp chắc chắn không dẫn đến lời giải

- Nguyên lý đánh giá nhánh cận : Nhánh có chứa quả phải nặng hơn trọng

lượng của quả

Phương pháp Heuristic :

Phương pháp thử – sai khi giải quyết vấn đề bằng cách dùng một số lượng phép thử quá lớn, thời gian để có được kết quả có khi khá lâu không chấp nhận được Phương pháp Heuristic có đặc điểm là đơn giản và gần gủi với cách suy nghĩ của con người, cho ra được những lời giải đúng trong đa số các trường hợp áp dụng Các thuật giải Heuristic được xây dựng dựa trên một số nguyên lý rất đơn giản như