LUẬN văn tìm HIỂU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu KHOA học TRONG TIN học

Trong phạm vi bài thu hoạch này, em sẽ trình bày một số vấn đề về phương pháp nghiên cứu khoa học nói chung, đặc biệt là những phương pháp nghiên cứu trong ngành tin học.. Các đặc điểm c

Tiểu luận môn:

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA

HỌC TRONG TIN HỌC

Nội dung

I Tổng quan về khoa học và nghiên cứu khoa học 3

I.1 Mở đầu 3

I.2 Các khái niệm cơ bản 3

I.2.1 Khoa học là gì: 3

I.2.2 Phân loại khoa học 4

I.2.3 Nghiên cứu khoa học là gì 4

I.2.4 Các loại hình nghiên cứu khoa học 6

I.2.5 Các bước nghiên cứu khoa học: 6

II Vấn đề khoa học và các phương pháp giải quyết 7

II.1 Vấn đề khoa học 7

II.2 Các phương pháp giải quyết 8

II.2.1 Giải quyết bằng bài toán phát minh, sáng chế 8

II.2.2 Giải quyết bằng bài toán tổng quát 10

II.2.3 Giải quyết bằng bài toán tin học 11

III Áp dụng mạng Neural giải quyết bài toán nhận diện gương mặt 15

III.1 Giới thiệu đề tài 15

III.2 Mô hình mạng Neural 15

III.2.1 Xử lý dữ liệu 16

III.2.2 Khởi tạo trọng 17

III.2.3 Tập đích 17

III.3 Quá trình học (huấn luyện mạng) 17

III.3.1 Các quy ước chung 17

III.3.2 Quá trình test 18

III.3.3 Quá trình học (back prop) – quy tắt học delta 18

III.3.4 Demo 21

I Tổng quan về khoa học và nghiên cứu khoa học

I.1 Mở đầu

Nghiên cứu khoa học (NCKH) là một hoạt động then chốt hàng đầu trong các 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 Cùng với nghiên cứu khoa học hiện đại, mọi người đang chú ý đến phương pháp nhận thức khoa học, coi đó là nhân tố quan trọng để phát triển khoa học

Trong phạm vi bài thu hoạch này, em sẽ trình bày một số vấn đề về phương pháp nghiên cứu khoa học nói chung, đặc biệt là những phương pháp nghiên cứu trong ngành tin học Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Giáo sư, Tiến sĩ khoa học Hoàng Văn Kiếm đã tận tình truyền đạt những kiến thức nền tảng cơ bản cho chúng em trong bộ môn “Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học”

I.2 Các khái niệm cơ bản

Các tiêu chí nhận biết một bộ môn khoa học:

 Có đối tượng nghiên cứu

 Có hệ thống lý thuyết

 Có hệ thống phương pháp luận

 Có mục đích sử dụng

I.2.2 Phân loại khoa học

Các quan điểm tiếp cận phân loại khoa học

 Theo nguồn gốc: Khoa học thuần túy (sciences pures), lý thuyết (sciences

theorique), thực nghiệm (sciences experimentales), thực chứng (sciences positives), qui nạp (sciences inductives), diễn dịch (sciences deductives)…

 Theo mục đích ứng dụng: Khoa học mô tả, phân tích, tổng hợp, ứng dụng, hành

động, sáng tạo

 Theo mức độ khái quát: cụ thể, trừu tượng, khái quát …

 Theo tính tương quan giữa các khoa học: liên ngành, đa ngành …

 Theo cơ cấu hệ thống tri thức: cơ sở, cơ bản, chuyên ngành …

 Theo đối tượng nghiên cứu: tự nhiên, kỹ thuật, xã hội nhân văn, nông nghiệp, công nghiệp, y học …

I.2.3 Nghiên cứu khoa học là gì

Nghiên cứu khoa học là nhu cầu nhận thức và cải tạo thế giới:

 Khám phá những thuộc tính bản chất của sự vật hoặc hiện tượng

 Phát hiện qui luật vận động của sự vật

 Vận dụng qui luật để sáng tạo giải pháp tác động vào sự vật

Các chức năng cơ bản của Nghiên cứu khoa học:

 Mô tả: là trình bày bằng ngôn ngữ hình ảnh chung nhất của sự vật, cấu trúc, trạng

thái, sự vận động của sự vật Sự mô tả bao gồm định tính và định lượng

 Giải thích:là làm rõ nguyên nhân sự hình thành và qui luật chi phối quá trình vận

động của sự vật nhằm đưa ra những thông tin về thuộc tính bản chất của sự vật

 Dự đoán:nhìn trước quá trình hình thành, sự tiêu vong, sự vận động và những biểu

hiện của sự vật trong tương lai

 Sáng tạo: làm ra sự vật mới chưa từng tồn tại Khoa học không bao giờ dừng lại ở

ở chức năng mô tả, giải thích và dự đoán Sứ mệnh lớn lao của khoa học là sáng tạo các giải pháp cải tạo thế giới

Các đặc điểm của nghiên cứu khoa học:

 Tính mới: NCKH là quá trình thâm nhập vào thế giới của sự vật mà con người

chưa biết, hướng tới những phát hiện mới hoặc những sáng tạo Đây là đặc điểm quan trọng nhất

 Tính tin cậy: Kết quả nghiên cứu phải có khả năng kiểm chứng lại nhiều lần do

nhiều người khác nhau trong điều kiện giống nhau Do đó, một nguyên tắc mang tính phương pháp luận của NCKH là khi trình bày một kết quả nghiên cứu, người

nghiên cứu cần chỉ rõ điều kiện, những nhân tố và phương tiện thực hiện

 Tính thông tin: là những thông tin về qui luật vận động của sự vật hoặc hiện tượng, thông tin về qui trình công nghệ và các tham số đi kèm qui trình đó

 Tính khách quan: vừa là một đặc điểm của NCKH vừa là tiêu chuẩn của người

NCKH Để đảm bảo tínhj khách quan, người NCKH cần phải tự trắc nghiệm lại

những kết luận tưởng như đã hoàn toàn được xác nhận

 Tính rủi ro: Một nghiên cứu có thể thành công, có thể thất bại Thất bại có thể do

nhiều nguyên nhân nhưng trong khoa học thất bại cũng được xem là một kết quả

và mang ý nghĩa về một kết luận của NCKH và được lưu giữ, tổng kết lại như một tài liệu khoa học nghiêm túc để tránh cho người đi sau không dẫm chân lên lối

mòn, tránh lãng phí các nguồn lực nghiên cứu

 Tính thừa kế: Có ý nghĩa quan trọng về mặt phương pháp luận nghiên cứu Ngày

nay không có một NCKH nào bắt đầu từ chỗ hòan tòan trống không về kiến thức,

phải kế thừa các kết quả nghiên cứu của các lĩnh vực khoa học khác nhau

 Tính cá nhân: vai trò của cá nhân trong sáng tạo mang tính quyết định, thể hiện trong tư duy cá nhân và chủ kiến riêng của các nhân

 Tính phi kinh tế: Lao động NCKH hầu như không thể định mức, thiết bị chuyên

dụng dùng trong NCKH hầu như không thể khấu hao, hiệu quả kinh tế của NCKH

hầu như không thể xác định

I.2.4 Các loại hình nghiên cứu khoa học

Nghiên cứu cơ bản: nhằm phát hiện bản chất, qui luật của sự vật hoặc hiện tượng trong tự

nhiên, xã hội, con người, có thể thực hiện trên cơ sở những nghiên cứu thuần túy lý thuyết hoặc trên cơ sở những quan sát, thí nghiệm Sản phẩm là các phát kiến, công thức, phát minh Chia làm 2 lọai:

Nghiên cứu cơ bản thuần túy và định hướng UNESCO chia nghiên cứu cơ bản định hướng thành nghiên cứu nền tảng và chuyên đề

Nghiên cứu ứng dụng: là sự vận dụng các qui luật từ nghiên cứu cơ bản để đưa ra nguyên

lý về các giải pháp có thể bao gồm công nghệ, sản phẩm, vật liệu, Sáng chếlà giải pháp

kỹ thuật có tính mới và áp dụng được

Nghiên cứu triển khai (R & D): là sự vận dụng các qui luật, các nguyên lý để đưa ra các

hình mẫu với những tham số có tính khả thi về kỹ thuật, có thể chia làm các lọai hình: triển khai trong phòng, bán đại trà,

I.2.5 Các bước nghiên cứu khoa học:

Xác lập vấn đề nghiên cứu:Vấn đề nghiên cứu là những điều chưa biết hoặc chưa biết

thấu đáo về bản chất sự vật hoặc hiện tượng, cần được làm rõ trong quá trình nghiên cứu Khi vấn đề nghiên cứu được chọn và cụ thể hóa thành 1 đề tài nghiên cứu, người nghiên cứu cần xác định cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu và tìm hiểu lịch sử vấn đề

Chuẩn bị nghiên cứu: Xây dựng đề cương nghiên cứu (lý do chọn đề tài, xác định đối

tượng và phạm vi nghiên cứu, xác định mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, đặt tên đề tài ), xây dựng kế hoạch nghiên cứu (tiến độ, nhân lực, dự toán…), chuẩn bị phương tiện nghiên cứu, lập danh mục tư liệu

Lựa chọn và nghiên cứu thông tin: Thu thập và xử lý thông tin, nghiên cứu tư liệu, thâm

nhập thực tế, tiếp xúc cá nhân, xử lý thông tin

Nghiên cứu: Xây dựng giả thuyết, lựa chọn phương pháp nghiên cứu, nghiên cứu và kiểm

chứng giả thuyết

Hoàn tất nghiên cứu: Đề xuất và xử lý thông tin, xây dựng kết luận và khuyến nghị, viết

báo cáo hoàn tất, hoàn tất và áp dụng kết quả

II Vấn đề khoa học và các phương pháp giải quyết

II.1 Vấn đề khoa học

Khái niệm: Vấn đề khoa học hay còn gọi là vấn đề nghiên cứu 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 ở trình độ cao hơn

Phân loại: Nghiên cứu khoa học luôn tồn tại 2 vấn đề:

Không có nghiên

c u

Nghiên c u theo

m t h ng khác

- Tình huống thứ nhất: Có vấn đề nghiên cứu Như vậy sẽ có nhu cầu trả lời vào

vấn đề nghiên cứu, nghĩa là sẽ tồn tại hoạt động nghiên cứu

- Tình huống thứ hai:Không có vấn đề hoặc không còn vấn đề Trường hợp này

không xuất hiện nhu cầu trả lời, nghĩa là không có nghiên cứu

- Tình huống thứ ba:Tưởng là có vấn đề, nhưng sau khi xem xét thì lại không có

vấn đề hoặc không có vấn đề khác Gọi đó là “ giả vấn đề “ Phát hiện “ giả vấn đề

“ vừa dẫn đến tiết kiệm chi phí, vừa tránh được những hậu quả bất ưng cho hoạt động thực tiễn

Các phương pháp phát hiện vấn đề khoa học: có 6 phương pháp để phát hiện các vấn đề khoa học:

 Tìm những kẻ hở, phát hiện các vấn đề mới

 Tìm những bất đồng

 Nghĩ ngược lại những quan điểm thông thường

 Quan sát những vướng mắc trong thực tiễn

 Lắng nghe lời kêu ca phàn nàn

 Những câu hỏi bất chợt xuất hiện khi quan sát một sự kiện nào đó

II.2 Các phương pháp giải quyết

II.2.1 Giải quyết bằng bài toán phát minh, sáng chế

Theo Vepol: “Bất cứ hệ thống kỹ thuật nào ít nhất cũng phải có hai thànhphần vật chất tác động tương hổ và một loại trường hay năng lượng”

Nhà khoa học Atshuler đã đưa ra một hệ thống các nguyên tắc sáng tạo Nó cung cấp hệ thống các cách xem xét sự vật; tăng tính nhanh nhạy của việc tiếp thu và đánh giá giá trị của thông tin; đưa ra và lựa chọn các cách tiếp cận thích hợp để giải quyết vấn đề Dưới đây là 40 nguyên tắc sáng tạo :

1 Nguyên lý phân nhỏ

9 Nguyên lý gây ứng xuất 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 bộ xung chiều khác

18 Sự dao động cơ học

19 Nguyên lý tác đông theo chu kỳ

20 Nguyên lý tác đông liên tục hữu hiệu

21 Nguyên lý vượt nhanh

22 Nguyên lý chuyển hại 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

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 bao mềm dẻo và mềm 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

II.2.2 Giải quyết bằng bài toán tổng quát

II.2.2.1 Mô hình thông tin ban đầu

II.2.2.2 Các phương pháp phân tích vấn đề:

Phân chia vấn đề: Việc phân chia thành từng vùng nhỏ để xem xét sẽ giúp cho cho việc giải quyết nhanh hơn và triệt để hơn

Phân loại vấn đề: Bằng cách xác định chính xác các loại vấn đề và tập trung giải quyết triệt để, ta có thể rút ngắn việc giải quyết vấn đề

Phân công vấn đề: Trong khoa học đôi khi để tìm ra một phương pháp chung để giải quyết cùng một lúc nhiều yêu cầu khác nhau là việc làm hết sức khó khăn do đó phải biết phân chia nhỏ vấn đề để có hướng giải quyết từng phần

Phân tích

Phân chia Phân lo i Phân c p Phân tích

Phân cấp bài toán: Mọi vấn đề - bài toán đều có thể giải quyết bằng cách phân chia thành những vấn đề - bài toán nhỏ hơn

Phân tích: Mọi việc đều bắt đầu từ thao tác phân tích, có phân tích đầy đủ, chính xác, có nhận định mọi vấn đề một cách chặt chẻ thì những vấn đề - bài toán đều có thể được giải quyết một cách triệt để và thuận lợi

II.2.2.3 Các phương pháp tổng hợp vấn đề

Trong giải quyết bài toán 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 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

II.2.3 Giải quyết bằng bài toán tin học

II.2.3.1 Phương pháp trực tiếp:

Đặc điểm của cách giải quyết vấn đề này là :

 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

T ng h p

T h p (combination)

K t h p (Associate)

Đ i h p (Convolution) Tích h p (Integration)

T ng h p theo không gian và

th i gian

 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

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 “

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”

II.2.3.2 Phương pháp gián tiếp

Phương pháp này được sử dụng khi chưa tìm ra lời giải chính xác của vần đề

Đây cũng chính là cách tiếp cận chủ yếu của loài người từ xưa đến nay

Đưa ra những giải pháp mang đặc trưng của máy tính, dựa vào sức mạnh tính toán của máy tính

Một lời giải trực tiếp bao giờ cũng tốt hơn, nhưng không phải lúc nào cũng có

II.2.3.2.1 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

II.2.3.2.2 Phương pháp Heuristic

Phương pháp Heuristic có đặc điểm là đơn giản và gần gũi với cách suy nghĩ của con người, cho ra được những lời giải đúng trong đa số các trường hợp áp dụng