Tiểu luận môn học Lập trình trí tuệ nhân tạo

Hàng đợi Queue Hàng đợi là một vật chứa Ncontainer các đối tượng làm việc theo cơ chếFIFO NFirst In First Out nghĩa là việc thêm một đối tượng vào hàng đợi hoặclấy một đối tượng ra khỏi

LỜI NÓI ĐẦU

Trí tuệ nhân tạo là "khả năng suy luận và thực hiện các hành động" của cácthiết bị, máy móc tương tự như trong não người Thuật ngữ này được dùng đểnói đến các máy tính có mục đích không nhất định, ngành khoa học nghiên cứu

lý thuyết và các ứng dụng của trí tuệ nhân tạo Đây là một ngành trọng yếu củatin học, liên quan đến cách cư xử, sự học hỏi và khả năng thích ứng thông minhcủa máy móc Trí tuệ nhân tạo trở thành một môn học với mục đích chính làcung cấp lời giải cho các vấn đề của cuộc sống thực tế Ngày nay, các ứng dụngtrí tuệ nhân tạo rất đa dạng và phong phú, áp dụng cho nhiều lĩnh vực, hiện nay

đã có điều khiên tự động, robot, các hệ dịch tự động các ngôn ngữ tự nhiên, các

hệ nhận dạng, trò chơi điện tử,…

Lập trình Hàm bằng ngôn ngữ Scheme và lập trình Prolog là các công cụ

cơ bản và rất quan trọng trong việc giải quyết các bài toán Trí tuệ nhân tạo Lậptrình hàm là phong cách lập trình dựa trên định nghĩa hàm sử dụng phép tínhlambda NλPcalculus) Trong các ngôn ngữ lập trình hàm, hàm đóng vai trò trungtâm, thay vì thực hiện lêjnh, máy tính tính biểu thức Ngôn ngữ Scheme có tính

sư phạm cao, giải quyết thích hợp các bài toán toán học Một chương trìnhScheme là một dãy các định nghĩa hàm góp lại để định nghĩa một hàm hoặcnhiều hàm phức tạp hơn Prolog là ngôn ngữ lập trình logic, Prolog còn đượcgọi là ngôn ngữ lập trình ký hiệu tương tự lâph trình hàm Nguyên lý lập trìnhlogic dựa trên phép suy đoán logic, liên quan đến những khái niệm toán học.Prolog thích hợp để giải quyết những bài toán liên quan đến các đối tượng vàmối quan hệ giữa chúng

Sau khi học xong học phần Lập trình trí tuệ nhân tạo, nhóm chúng emchọn nghiên cứu và trình bày các đề tài như sau:

Phần I: LÝ THUYẾT LẬP TRÌNH HÀM

Đề tài: Áp dụng kiểu dữ liệu trừu tượng, xây dựng kiểu cấu trúc dữ liệu

truyền thống hàng đợi (Queue) trong Scheme Cho ví dụ minh hoạ vận dụng hàng đợi để quản lý nhập/xuất một sản phẩm

Phần II: BÀI TOÁN LẬP TRÌNH HÀM

Đề tài: Hãy viết chương trình Scheme mô phỏng các hàm đệ quy thực hiện các phép chia (Division) và tìm giá trị căn bậc hai (Square Root)

Phần III: BÀI TOÁN LẬP TRÌNH PROLOG

Đề tài: Cài đặt thuật toán tìm kiếm sâu (Depth-First-Search) trong lý thuyết trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) Cho ví dụ minh hoạ chạy demo

Với thời gian và việc nghiên cứu của chúng tôi còn nhiều hạn chế nênkhông tránh khỏi có những sai sót Rất mong được sự góp ý và định hướng củaThầy PGS.TS Phan Huy Khánh và các anh chị cùng lớp để chúng tôi có thể tiếptục nghiên cứu và đạt được kết quả tốt hơn trong thời gian tới

Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Huy Khánh đã nhiệt tình giảng dạy,góp ý để nhóm em hoàn thành tiểu luận này

Nhóm học viên thực hiện:

Lê Nam TrungNguyễn Nương QuỳnhNguyễn Duy LinhHoàng Đình Tuyền

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 3

Phần I 7

LÝ THUYẾT LẬP TRÌNH HÀM 7

I Tổng quan về Hàng đợi (Queue) 7

1 Hàng đợi (Queue) 7

2 Các kĩ thuật trên hàng đợi 8

II Xây dựng kiểu cấu trúc dữ liệu truyền thống hàng đợi (Queue) trong Scheme 11

III Ví dụ minh hoạ vận dụng hàng đợi để quản lý nhập/xuất một sản phẩm 15

Phần II 17

BÀI TOÁN LẬP TRÌNH HÀM 17

Phần III 20

BÀI TOÁN LẬP TRÌNH PROLOG 20

I Thuật toán tìm kiếm chiều sâu 20

1 Sơ lược thuật toán tìm kiếm chiều sâu: 20

2 Kỹ thuật tìm kiếm chiều sâu 20

3 Cài đặt chương trình 22

4 Ưu và nhược điểm của phương pháp tìm kiếm chiều sâu: 24

II Thuật toán tìm kiếm chiều rộng 25

1 Sơ lược thuật toán tìm kiếm chiều rộng: 25

2 Kỹ thuật tìm kiếm chiều rộng 25

3 Cài đặt chương trình 27

4 Ưu và nhược điểm của phương pháp tìm kiếm rộng 30

III So sánh thuật toán tìm kiếm chiều sâu, tìm kiếm chiều rộng 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

Phần I

LÝ THUYẾT LẬP TRÌNH HÀM

Đề tài: Áp dụng kiểu dữ liệu trừu tượng, xây dựng kiểu cấu trúc dữ liệu truyền thống hàng đợi (Queue) trong Scheme Cho ví dụ minh hoạ vận dụng hàng đợi để quản lý nhập/xuất một sản phẩm

I Tổng quan về Hàng đợi (Queue)

1 Hàng đợi (Queue)

Hàng đợi là một vật chứa Ncontainer) các đối tượng làm việc theo cơ chếFIFO NFirst In First Out) nghĩa là việc thêm một đối tượng vào hàng đợi hoặclấy một đối tượng ra khỏi hàng đợi được thực hiện theo cơ chế "Vào trước ratrước"

Các đối tượng có thể được thêm vào hàng đợi bất kỳ lúc nào nhưng chỉ cóđối tượng thêm vào đầu tiên mới được phép lấy ra khỏi hàng đợi

Thao tác thêm một đối tượng vào hàng đợi và lấy một đối tượng ra khỏihàng đợi lần lượt được gọi là "enqueue" và "dequeue"

Việc thêm một đối tượng vào hàng đợi luôn diễn ra ở cuối hàng đợi và mộtphần tử luôn được lấy ra từ đầu hàng đợi

Ta hình dung nguyên tắc hoạt động của Queue như sau:

Trong tin học, CTDL hàng đợi có nhiều ứng dụng: khử đệ qui, tổ chức lưuvết các quá trình tìm kiếm theo chiều rộng và quay lui, vét cạn, tổ chức quản lý

và phân phối tiến trình trong các hệ điều hành, tổ chức bộ đệm bàn phím,

Ta có thể định nghĩa CTDL hàng đợi như sau: hàng đợi là một CTDL trừutượng NADT) tuyến tính Tương tự như stack, hàng đợi hỗ trợ các thao tác:EnQueueNo): Thêm đối tượng o vào cuối hàng đợi

DeQueueN): Lấy đối tượng ở đầu queue ra khỏi hàng đợi và trả về giá trịcủa nó Nếu hàng đợi rỗng thì lỗi sẽ xảy ra

IsEmptyN): Kiểm tra xem hàng đợi có rỗng không

FrontN): Trả về giá trị của phần tử nằm ở đầu hàng đợi mà không hủy nó.Nếu hàng đợi rỗng thì lỗi sẽ xảy ra

Các thao tác thêm, trích và huỷ một phần tử phải được thực hiện ở 2 phíakhác nhau của hàng đợi do đó hoạt động của hàng đợi được thực hiện theonguyên tắc FIFO NFirst In First Out P vào trước ra trước)

Cũng như stack, ta có thể dùng cấu trúc mảng 1 chiều hoặc cấu trúc danhsách liên kết để biểu diễn cấu trúc hàng đợi

2 Các kĩ thuật trên hàng đợi

Có rất nhiều kĩ thuật hàng đợi: FIFO Nfirst in first out), PQ Npriority queue

P hàng đợi ưu tiên), FQ Nfair queue P hàng đợi cân bằng) FIFO đây là kĩ thuậtxếp hàng vào trước ra trước cơ bản Các gói đến trước sẽ là các gói đầu tiênđược xử lý Khi hàng đợi đầy và có tắc nghẽn xảy ra thì các gói đến sẽ bị loại

bỏ Hàng đợi FIFO dựa vào hệ thống đầu cuối để điều khiển tắc nghẽn thôngqua cơ chế điều khiển tắc nghẽn Do loại hàng đợi này rất đơn giản nhiều khikhông điều khiển được tắc nghẽn nên ta thường xét các loại hàng đợi hiệu quảhơn: hàng đợi ưu tiênNPQ), hàng đợi cân bằng NFQ), hàng đợi có trọng số NWQ)

a Hàng đợi FIFO (First In First Out)

FIFO là hàng đợi mặc định được sử dụng trong hầu hết các router trên thếgiới Hoạt động của FIFO Các gói đến từ các luồng khác nhau được đối xửcông bằng bằng cách đưa vào các hàng đợi theo trật tự đến Ngói nào đến trước

sẽ được đưa vào trước và được phục vụ trước)

Hàng đợi hoạt động như một nơi lưu giữ các gói để tránh việc loại bỏ cácgói không cần thiết khi có dấu hiệu của tắc nghẽn Khi có tắc nghẽn xảy ra, và

hàng đợi tràn thì tất cả các gói đến sẽ bị loại bỏ Hàng đợi FIFO được sử dụnghầu hết trong các router, nó đơn giản do không phải định cấu hình cho nó màchỉ việc sử dụng luôn Trong các router của cisco, khi không có kế hoạch hàngđợi nào khác được cấu hình, thì tất cả các giao diệnNngoại trừ các giao diện cótốc độ bằng hoặc nhỏ hơn luồng E1) đều sử dụng hàng đợi FIFO mặc định Tốc

độ xử lý gói phải nhanh hơn tốc độ các gói đến hàng đợi IF0 thì mới tránh đượchiện tượng tắc nghẽn trong mạng Nhàng đợi IF1 rỗng), khi tốc độ xử lý quá thấphơn so với tốc độ các gói vào, có nghĩa là tốc độ ra nhỏ hơn tốc gói vào Nhàngđợi đầu ra dễ bị tràn) thì sẽ xảy ra tắc nghẽn khi có quá nhiều gói đi vào trongmạng, và khi vấn đề này xảy ra thì các gói đến sau sẽ bị loại bỏ

b Hàng đợi ưu tiên PQ (Priority Queue)

Kĩ thuật này được sử dụng trong trường hợp đa hàng đợi, mỗi hàng đợi cómột mức ưu tiên khác nhau, hàng đợi nào có mức ưu tiên cao nhất sẽ được ưutiên phục vụ trước Khi có tắc nghén xảy ra thì các gói trong các hàng đợi có độ

ưu tiên thấp sẽ bị loại bỏ Có một vấn đề đối với kĩ thuật này: khi các hàng đợi

có độ ưu tiên cao quá nhiều thì các gói trong hàng đợi có độ ưu tiên thấp sẽkhông bao giờ được phục vụ Các gói được phân loại và được sắp xếp vào hàngđợi tuỳ thuộc vào thông tin bên trong các gói Tuy nhiên kĩ thuật này dễ bị lạmdụng bởi người sử dụng hay các ứng dụng do ấn định các độ ưu tiên không chophép

Vậy PQ cho phép định nghĩa các luồng lưu lượng ưu tiên như thế nàotrong mạng? Ta có thể cấu hình các độ ưu tiên lưu lượng, có thể định nghĩa mộtloạt các bộ lọc trên cơ sở các đặc điểm của gói qua router để sắp xếp các lưulượng trong các hàng đợi Hàng đợi có độ ưu tiên cao nhất sẽ được phục vụtrước cho đến khi hàng đợi rỗng, sau đó các hàng đợi có độ ưu tiên thấp hơn sẽđược phục vụ lần lượt Câu hỏi đặt ra là PQ làm việc như thế nào? Trong quátrình truyền dẫn,các hàng đợi có độ ưu tiên cao được đối xử ưu tiên hơn cáchàng đợi có mức ưu tiên thấp hơn, hay nói cách khác các, lưu lượng quan trọng

sẽ được gán các mức ưu tiên cao và lưu lượng có mức ưu tiên cao nhất đượctruyền trước, còn lại các lưu lượng ít quan trọng hơn Các gói được phân loạidựa trên các tiêu chuẩn phân loại của người sử dụng,và được đặt ở một trong số

Nkhông được ưu tiên), ưu tiên thấp Các gói không được ấn định độ ưu tiên sẽđược đưa tới các hàng đợi bình thường Khi các gói được gửi tới giao diện đầu

ra, các hàng đợi ưu tiên tại giao diện đó được quét các gói theo thứ tự độ ưu tiêngiảm dần Hàng đợi có độ ưu tiên cao nhất được quét đầu tiên, sau đó đến cáchàng đợi trung bình và tiếp tục các hàng đợi có độ ưu tiên khác Gói đứng đầuhàng đợi có độ ưu tiên cao nhất được truyền đầu tiên Thủ tục này được lặp lạimỗi khi có một gói được truyền Chiều dài lớn nhất của hàng đợi được địnhnghĩa theo chiều dài giới hạn Khi một hàng đợi dài hơn chiều dài hàng đợi giớihạn thì các gói đến sau sẽ bị loại bỏ

Cơ chế hàng đợi đầu ra ưu tiên có thể được sử dụng để quản lý lưu lượng

từ tất cả các giao thức trong mạng PQ cung cấp cách đối sử ưu tiên cho cácluồng lưu lượng có độ ưu tiên cao, chắc chắn rằng các luồng lưu lượng thenchốt khi qua các kết nối WAN sẽ đạt được độ ưu tiên cao

Các gói được phân loại như thế nào trong kĩ thuật PQ: Danh sách ưu tiên

là một tập các luật lệ mô tả các gói sẽ được ấn định các độ ưu tiên như thế nàotrong các hàng đợi Ngoài ra nó cũng có thể mô tả độ ưu tiên mặc định hoặcgiới hạn kích thước hàng đợi của các hàng đợi ưu tiên

Các gói được phân loại theo:

P Loại giao thức hoặc giao thức con

P Giao diện đầu vào

P Kích thước các gói tin

P Các Fragment

P Danh sách truy nhập

Tất cả các lưu lượng dùng để quản lý và điều khiển mạng đều được ấnđịnh độ ưu tiên cao nhất để trong trường hớp có tắc nghẽn xảy ra thì chúngđược ưu tiên truyền trước Các lưu lượng không được ấn định mức ưu tiên nàothì được đưa vào các hàng đợi bình thường

PQ cung cấp thời gian đáp ứng nhanh hơn so với các kĩ thuật hàng đợikhác Mặc dù có thể ấn định các độ ưu tiên cho các hàng đợi tại bất kì giao diệnđầu nào nhưmg nó thường được sử dụng cho các lưu lượng có băng thông thấp

Để giải quyết vấn đề các hàng đợi có độ ưu tiên thấp không được xử lý khi cóquá nhiều hàng đợi có độ ưu tiên cao thì ta có thể sử dụng các kiểu hàng đợi

khác: hàng đợi cân bằng có trọng số NWFQ) hay hàng đợi cân bằng NFQ), đơngiản hơn ta có thể sử dụng cơ chế định dạng lưu lượng hay CAR để giới hạn tốc

độ của lưu lượng có độ ưu tiên cao hơn PQ sử dụng định cấu hình tĩnh do đó

nó không thể thích ứng với các mạng thay đổi Cơ chế xếp hàng ưu tiên là cơchế đơn giản, có thể cung cấp các lớp dịch vụ phân biệt và cần ít nhất hai hàngđợi FIFO Lấy một ví dụ sau: cho các hàng đợi FIFO và ta sẽ ấn định các mức

ưu tiên khác nhau cho chúng: mức ưu tiên cao, mức ưu tiên trung bình, mức ưutiên bình thường, mức ưu tiên thấp

II Xây dựng kiểu cấu trúc dữ liệu truyền thống hàng đợi (Queue) trong Scheme

Việc thực hiện hàng đợi trong Scheme phức tạp hơn so với thực hiện củangăn xếp Một lần nữa, giữ cho các phần tử của hàng đợi trong một danh sách.Tuy nhiên, các hoạt động của queue nhanh hơn nếu đại diện cho một hàng đợirỗng bởi một danh sách có chứa một yếu tố là một “giả tiêu đề”, và lưu trữ cácyếu tố hàng đợi thực tế sau tiêu đề này, theo thứ tự cũ nhất lưu giữ trước Cáctiêu đề giả không được chèn vào bởi enqueue và không thể được gỡ bỏ bởi cácdequeue

Các thao tác trên Hàng đợi được thực hiện việc truy cập vào danh sáchthông qua 3 trường khác nhau là: fore, aft, và size Trường fore chứa cấu trúctoàn bộ danh sách, bắt đầu bởi các “giả tiêu đề”, Ncdr) là yếu tố thực tế củaHàng đợi, và Ncadr fore) là yếu tố thực sự đầu tiên của hàng đợi Nkhi nó khôngphải là rỗng) Các trường aft là một danh sách phần tử nó có chứa phần tử cuốicùng của hàng đợi, ngoại trừ khi hàng đợi rỗng, trong trường Trường Size theodõi số lượng các phần tử trong hàng đợi, không bao gồm các tiêu đề giả

Sơ đồ khối và con trỏ sau cho thấy một hàng đợi với các ký hiệu a, b, và ctheo thứ tự :

Sau đây là quá trình xây dựng cấu trúc Hàng đợi trong Scheme:

;, MakePQueue: xây dựng và trả về một hàng đợi

; N1) QUEUE ban đầu rỗng

; N2) Khi QUEUE được gọi với các đối số: EMPTY?, nó báo cáo

; Cho dù đó là sản phẩm nào

; N3) Khi QUEUE đã được gọi với đối số đầu tiên: Enqueue! và

; Một đối số thứ hai, ta gọi NEWPVALUE, NEWPVALUE ở phía sau, và

; Tất cả các giá trị khác trong hàng đợi ở phía trước của nó, theo thứ tựthời gian

; N4) Khi QUEUE đã được gọi với đối số: Dequeue!,

; Trả về giá trị lâu nhất enqueued, ở phía trước, và

; Giữ lại tất cả các giá trị khác, theo thứ tự thời gian

; N5) Khi QUEUE được gọi với các đối số: FRONT, nó trả về

; Giá trị ở phía trước Ncó sẵn cho dequeuing)

; N6) Khi QUEUE được gọi với đối số: SIZE, nó trả về

; Số các giá trị trong hàng đợi

; N7) Đây là một lỗi để cung cấp cho QUEUE bất kỳ đối số khác khi gọinó

; N8) Khi QUEUE được gọi với đối số đầu tiên: EMPTY?,:DEQUEUE!,

;: FRONT, hoặc :SIZE, đó là một lỗi để cho nó hai hoặc nhiều đối số

; N9) Khi QUEUE được gọi với đối số đầu tiên: :ENQUEUE!, nó là một

; Lỗi để cho nó chỉ có một đối số hoặc ba hoặc nhiều hơn.

Nlambda Nmessage arguments)

Ncond NNeq? message ':empty?)

Nif Nnull? arguments)

Nzero? size)

Nerror "queue:empty?: no arguments are required")))

NNeq? message ':enqueue!)

Ncond NNnull? arguments)

Nerror "queue:enqueue!: an argument is required"))

NNnot Nnull? Ncdr arguments)))

Nerror "queue:enqueue!: no more than one argument isrequired"))

Nelse

; Attach a new cons cell behind the current aft

; element

NsetPcdr! aft Nlist Ncar arguments)))

; Advance AFT so that it is once more a list

; containing only the last element

Nset! aft Ncdr aft))

; Increment SIZE

Nset! size N+ size 1)))))

NNeq? message ':dequeue!)

Ncond NNnot Nnull? arguments))

Nerror "queue:dequeue!: no argument is required"))

NNnull? Ncdr fore))

Nerror "queue:dequeue!: the queue is empty"))

Nelse

; Recover the first element of the queue Nnot

; including the dummy header)

Nlet NNremoved Ncadr fore)))

; Splice out the element to be dequeued

NsetPcdr! fore Ncddr fore))

; If we just spliced out the last element of the

; queue, reset AFT so that it holds the dummy

; header

Nif Nnull? Ncdr fore))

Nset! aft fore))

; Decrement SIZE

Nset! size NP size 1))

removed))))

NNeq? message ':front)

Ncond NNnot Nnull? arguments))

Nerror "queue:front: no argument is required"))

NNnull? Ncdr fore))

Nerror "queue:front: the queue is empty"))

Nelse

Ncadr fore))))

NNeq? message ':size)

Nif Nnull? arguments)

size

Nerror "queue:size: no argument is required")))

Nelse Nerror 'queue "unrecognized message")))))))

III Ví dụ minh hoạ vận dụng hàng đợi để quản lý nhập/xuất một sản phẩm

FIFO hàng đợi là một cấu trúc dữ liệu tiêu chuẩn có nhiều công dụng Việc thực hiện Hàng đợi với một mảng hai con trỏ được gọi là phía trước vàphía sau

Một sản phẩm được thêm vào hàng đợi bằng cách đẩy con trỏ ở phía saumột vòng tròn và đặt các đối tượng mới tại điểm đó Một sản phẩm được lấy rakhỏi hàng đợi bằng cách loại bỏ các sản phẩm được trỏ đến bởi con trỏ phíatrước và sau đó đẩy con trỏ một lần nữa trong vòng tròn

Trong Scheme và Lisp, FIFOs thường được thực hiện với danh sách bằngcách thao tác cdr của yếu tố cuối cùng để đẩy một sản phẩm mới vào hàng đợi.Điều này là nhanh chóng và trực tiếp nhưng vẫn phải duy trì con trỏ phía sau Dưới đây là một vận dụng hàng đợi để quản lý nhập/xuất một sản phẩm đótrong Scheme

1:;;

2:;; Queue obect

3:;;

4:

5:; 'push x: đẩy x vào phía sau của hàng đợi

6:; 'pop: loại bỏ các đầu của hàng đợi và gửi lại

8:; 'show: hiển thị nội dung của hàng đợi

9:; 'fb: hiển thị các phần mặt trước và sau của hàng đợi Nđể gỡ lỗi)

19: NNpush) Npush Ncar data) back))

20: NNpop) Nor Npop front)

27: NNshow) Nformat #t "~s\n" Nappend front Nreverse back))))

28: NNfb) Nformat #t "front: ~s, back: ~s\n" front back))

29: Nelse Nerror "Illegal cmd to queue object" cmd)))))))

Có thể đẩy và bật các Sản phẩm vào và ra hàng đợi bằng cách gửi nó đẩyhoặc lệnh pop

Ndefineq NmakePqueue))

Nq 'push "Hello, World!")

Nq 'pop) → "Hello, World!"

Phần II BÀI TOÁN LẬP TRÌNH HÀM

Đề tài: Hãy viết chương trình Scheme mô phỏng các hàm đệ quy thực hiện các phép chia (Division) và tìm giá trị căn bậc hai (Square Root)

07.Ndefine Nimprove guess x)

08.Naverage guess N/ x guess)))

09

10.Ndefine Naverage x y)

11.N/ N+ x y) 2))

12

13.Ndefine NgoodPenough? guess x)

14.N< Nabs NP Nsquare guess) x))