TRÍ TUỆ NHÂN TẠO Artificial Intelligence

Thực hành &Tài liệu tham khảo Thực hành Prolog / C++ / Pascal – Các giải thuật tìm kiếm – Biểu diễn tri thức – Bài tập lớn Tài liệu tham khảo – Bài giảng “Trí tuệ nhân tạo” – TS Nguyễn

TS Nguyễn Đình Thuân Khoa Công nghệ Thông tin Đại học Nha Trang

Email: thuanvinh122@gmail.com

TRÍ TUỆ NHÂN TẠO

Artificial Intelligence

Nội dung môn học

– Mở đầu

– Lĩnh vực nghiên cứu của AI

– Ứng dụng của AI

– Các vấn đề đặt ra

Nội dung môn học (tiếp)

– Bài tốn tìm kiếm

– Giải thuật tổng quát

– Depth first search (DFS)

– Breath first search (BFS)

– Giới thiệu về Heuristic

– Tìm kiếm theo heuristic

– Giải thuật Best first search (BFS), Giải thuật AT, AKT, A*

Nội dung môn học (tiếp)

– Bộ ba Đối tượng – Thuộc tính – Giá trị

Thực hành &Tài liệu tham khảo

Thực hành Prolog / C++ / Pascal

– Các giải thuật tìm kiếm

– Biểu diễn tri thức

– Bài tập lớn

Tài liệu tham khảo

– Bài giảng “Trí tuệ nhân tạo” – TS Nguyễn Đình Thuân

– Giáo trình “Trí tuệ nhân tạo” - GS Hoàng Kiếm– ĐHQGTPHCM

– Trí tuệ nhận tạo–PGS Nguyễn Thanh Thủy–ĐH Bách Khoa HàNội

– Artificial Inteligent – George F Luget & Cilliam A Stubblefied

TS Nguyễn Đình Thuân Khoa Cơng nghệ Thơng tin Đại học Nha Trang

Chương 1: GIỚI THIỆU

Sự Thông Minh

Khái niệm về tính thông minh của một đối tượng thường biểu hiện qua các hoạt động:

đã có

Tri thức (Knowledge)

Tri thức là những thông tin chứa đựng 2 thành phần

– Các khái niệm:

Các khái niệm cơ bản: là các khái niệm mang tính quy ước

Các khái niệm phát triển: Được hình thành từ các khác niệm cơ bản thành các khái niệm phức hợp phức tạp hơn

– Các phương pháp nhận thức:

Các qui luật, các thủ tục

Phương pháp suy diễn, lý luận,

Tri thức là điều kiện tiên quyết của các hành xử thông minh hay

“Sự thông minh”

Tri thức có được qua sự thu thập tri thức và sản sinh tri thức

Tri thức – Thu thập và sản sinh

Thu thập tri thức:

– Tri thức được thu thập từ thông tin, là kết quả của một quá

trình thu nhận dữ liệu, xử lý và lưu trữ Thông thường quá

trình thu thập tri thức gồm các bước sau:

Xác định lĩnh vực/phạm vi tri thức cần quan tâm

Thu thập dữ liệu liên quan dưới dạng các trường hợp cụ thể

Hệ thống hóa, rút ra những thông tin tổng quát, đại diện cho các trường hợp đã biết – Tổng quát hóa

Xem xét và giữ lại những thông tin liên quan đến vấn đề cần quan

tâm , ta có các tri thức về vấn đề đó.

Sản sinh tri thức:

Tri thức – Tri thức siêu cấp

“Trí thức siêu cấp” (meta knowledge) hay “Tri thức về

Tri thức”

– Là các tri thức dùng để:

– Đánh giá tri thức khác

– Đánh giá kết quả của quá trình suy diễn

– Kiểm chứng các tri thức mới

Phương tiện truyền tri thức: ngôn ngữ tự nhiên

Hành xử thông minh – Kết luận

Hành xử thơng minh khơng đơn thuần là các hành động như là kết quả của quá trình thu thập tri thức và suy luận trên tri thức.

Hành xử thơng minh cịn bao hàm

– Sự tương tác với mơi trường để nhận các phản hồi

– Sự tiếp nhận các phản hồi để điều chỉnh hành động - Skill

– Sự tiếp nhận các phản hồi để hiệu chỉnh và cập nhật tri thức

Tính chất thơng minh của một đối tượng là sự tổng hợp của cả 3

yếu tố: thu thập tri thức, suy luận và hành xử của đối tượng trên tri thức thu thập được Chúng hịa quyện vào nhau thành một thể

thống nhất “ Sự Thơng Minh”

Khơng thể đánh giá riêng lẽ bất kỳ một khía cạnh nào để nĩi về

1.2 Đối tượng nghiên cứu của AI

AI là lĩnh vực của Cơng nghệ thơng tin, cĩ chức năng nghiên

cứu và tạo ra các chương trình mơ phỏng hoạt động tư duy của

Tìm hiểu cơ chế sự thơng minh của con người

– Cơ chế lưu trữ tri thức

– Cơ chế khai thác tri thức

Xây dựng cơ chế hiện thực sự thơng minh

1.2 Đối tượng nghiên cứu của AI(tiếp)

(intellgent behaviour) bao gồm: thu thập, lưu trữ tri

thức, suy luận, hoạt động và kỹ năng.

Đối tượng nghiên cứu là các “hành xử thơng minh”

chứ khơng phải là “sự thơng minh”.

Giải quyết bài tốn bằng AI là tìm cách biểu diễn tri

thức, tìm cách vận dụng tri thức để giải quyết vấn đề

và tìm cách bổ sung tri thức bằng cách “phát hiện” tri

thức từ những thơng tin sẵn cĩ (máy học)

1.3 Lịch sử phát triển của AI :

Giai đoạn cổ điển

Có 2 kỹ thuật tìm kiếm cơ bản:

– Kỹ thuật generate and test : chỉ tìm được 1 đáp án/ chưa

chắc tối ưu.

– Kỹ thuật Exhaustive search (vét cạn): Tìm tất cả các

nghiệm, chọn lựa phương án tốt nhất

Lịch sử phát triển của AI :

Giai đoạn viễn vông

– Đây là giai đoạn phát triển với tham vọng làm cho máy hiểu được con người qua ngôn ngữ tự nhiên.

– Các công trình nghiên cứu tập trung vào việc biểu diễn tri thức và phương thức giao tiếp giữa ngừời và máy bằng ngôn ngữ tự nhiên.

– Kết quả không mấy khả quan nhưng cũng tìm ra được các phương thức biểu diễn tri thức vẫn còn được dùng đến ngày nay tuy chưa thật tốt như:

Semantic Network (mạng ngữ nghĩa)

Conceptial graph (đồ thị khái niệm)

Lịch sử phát triển của AI :

Giai đoạn hiện đại

Giai đoạn hiện đại (từ 1975)

– Xc định lại mục tiêu mang tính thực tiễn hơn của AI:

Tìm ra lời giải tốt nhất trong khoảng thời gian chấp nhận được

Không cầu toàn tìm ra lời giải tối ưu

– Tinh thần HEURISTIC ra đời và được áp dụng mạnh mẽ để khắc phục bùng nổ tổ hợp.

– Khẳng định vai trò của tri thức đồng thời xác định 2 trở ngại lớn là biểu diễn tri thức và bùng nổ tổ hợp.

– Nêu cao vai trò của Heuristic nhưng cũng khẳng định tính khó khăn trong đánh giá heuristic.

1.4 Các lĩnh vực ứng dụng

Game Playing: Tìm kiếm / Heuristic

Automatic reasoning & Theorem proving: Tìm kiếm / Heuristic

Expert System: là hướng phát triển mạnh mẽ nhất và có giá trị ứng

dụng cao nhất.

Planning & Robotic: các hệ thống dự báo, tự động hóa

Machine learning: Trang bị khả năng học tập để giải quyết vấn đề kho tri thức:

– Supervised : Kiểm soát được tri thức học được Không tìm ra cái mới

– UnSupervised:Tự học, không kiểm soát Có thể tạo ra tri thức mới nhưng cũng

1.4 Các lĩnh vực ứng dụng(tiếp)

Natural Language Understanding & Semantic modelling:

Không được phát triển mạnh do mức độ phức tạp của bài

toán cả về tri thức & khả năng suy luận.

trí tuệ của con người để áp dụng cho máy.

trường để xây dựng các ứng dụng AI.

Neural network / Parallel Distributed processing: giải quyết vấn đề năng lực tính toán và tốc độ tính toán bằng kỹ thuật

Ứng duïng AI

AI = Presentation & Search

Mặc dù mục tiêu tối thượng của ngành TTNT là xây dựng một chiếc máy có

năng lực tư duy tương tự như con người nhưng khả năng hiện tại của tất cả

các sản phẩm TTNT vẫn còn rất khiêm tốn so với mục tiêu đã đề ra Tuy

vậy, ngành khoa học mới mẻ này vẫn đang tiến bộ mỗi ngày và đang tỏ ra

ngày càng hữu dụng trong một số công việc đòi hỏi trí thông minh của con

người Hình ảnh sau sẽ giúp bạn hình dung được tình hình của ngành trí tuệ

nhân tạo

Các bài toán

– Xét các bài toán sau:

1. Đổi tiền (Vét cạn và Heuristic)

2. Tìm kiếm chiều rộng và sâu

3. Tic tac toe.

TS Nguyễn Đình Thuân Khoa Công nghệ Thông tin Đại học Nha Trang

Chương 2: TÌM KIẾM TRÊN KHÔNG

GIAN TRẠNG THÁI (State Space Search)

Bài toán tìm kiếm

– Không gian tìm kiếm lớn

– Đặc tính đối tượng tìm kiếm thay đổi

– Đáp ứng thời gian thực

Cấu trúc chung của bài toán tìm kiếm

Một cách chung nhất, nhiều vấn đề-bài toán phức tạp đều

có dạng "tìm đường đi trong đồ thị" hay nói một cách

hình thức hơn là "xuất phát từ một đỉnh của một đồ thị,

tìm đường đi hiệu quả nhất đến một đỉnh nào đó"

Cho trước hai trạng thái T0 và TG hãy xây dựng chuỗi trạng thái

T0, T1, T2, , Tn-1, Tn = TG sao cho :

2.2 Giải thuật tổng quát

2.2 Giải thuật tổng quát (tiếp)

if (n=g) then Return True;

Open := Open ∪ Γ(n); // (Γ(n) – Close) Close := Close ∪ {n};

2.3 Breath First Search – Ví dụ

{A, B}

{A, B, C}

{A, B, C, D}

{A, B, C, D, E} {A, B, C, D, E, F}

{J}

True

A B C D E F G

0 1 2 3 4 5 6 7

Close Open

Γ(n)

n Lần lặp

2.3 Breath First Search – Ví dụ 1

F,G,H,I}

{A,B,C, D, E, F,G,H,I,J}

{J}

ø Ø ø Ø

FALSE

A B C D E F G H I J

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Close Open

Γ(n)

n Lần lặp

2.4 Depth First Search – Ví dụ

Ø {F, G}

True

A B E H I F J C G

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Close Open

Γ(n)

n Lần lặp

Breath First vs Depth First

– Breath First luôn tìm ra nghiệm có số cung nhỏ nhất

– Depth First “thường” cho kết quả nhanh hơn.

– BFS, DFS chắc chắn tìm ra kết quả nếu có.

Bùng nổ tổ hợp là khó khăn lớn nhất cho các giải thuật

3 Open = [D,E,F,G,H]; closed = [C,B,A]

4 Open = [E,F,G,H,I,J]; closed = [D,C,B,A]

5 Open = [F,G,H,I,J,K,L];closed = [E,D,C,B,A]

6 Open = [G,H,I,J,K,L,M];(vì L đã có trong open);

closed = [F,E,D,C,B,A]

…

Tìm kiếm Sâu

1 Open = [A]; closed = []

2 Open = [B,C,D]; closed = [A]

3 Open = [E,F,C,D];closed = [B,A]

Depth first search có giới hạn

Depth first search có khả năng lặp vô tận do các trạng

thái con sinh ra liên tục Độ sâu tăng vô tận.

Khắc phục bằng cách giới hạn độ sâu của giải thuật.

Sâu bao nhiêu thì vừa?

Chiến lược giới hạn:

– Cố định một độ sâu MAX, như các danh thủ chơi cờ tính

trước được số nước nhất định

– Theo cấu hình resource của máy tính

– Meta knowledge trong việc định giới hạn độ sâu.

TS Nguyễn Đình Thuân Khoa Công nghệ Thông tin Đại học Nha Trang

Chương 3: HEURISTIC SEARCH

3.1 Giới thiệu về Heuristic

Heuristic là gì?

– Heuristic là những tri thức được rút tỉa từ những kinh

nghiệm, “trực giác” của con người.

– Heuristic có thể là những tri thức “đúng” hay “sai”.

– Heuristic là những meta knowledge và “thường đúng”.

Heuristic (tiếp)

niệm thuật toán Nó thể hiện cách giải bài toán với các đặc tính sau:

lời giải tốt nhất)

– Giải bài toán theo thuật giải Heuristic thường dễ

dàng và nhanh chóng đưa ra kết quả hơn so với giải thuật tối ưu, vì vậy chi phí thấp hơn.

Heuristic (tiếp)

Có nhiều phương pháp để xây dựng một thuật giải Heuristic, trong đó

người ta thường dựa vào một số nguyên lý cơ bản như sau:

Nguyên lý vét cạn thông minh: Trong một bài toán tìm kiếm nào đó, khi không

gian tìm kiếm lớn, ta thường tìm cách giới hạn lại không gian tìm kiếm hoặc thực hiện một kiểu dò tìm đặc biệt dựa vào đặc thù của bài toán để nhanh chóng tìm ra mục tiêu

Nguyên lý tham lam (Greedy): Lấy tiêu chuẩn tối ưu (trên phạm vi toàn cục)

của bài toán để làm tiêu chuẩn chọn lựa hành động cho phạm vi cục bộ của từng bước (hay từng giai đoạn) trong quá trình tìm kiếm lời giải

Nguyên lý thứ tự: Thực hiện hành động dựa trên một cấu trúc thứ tự hợp lý của

không gian khảo sát nhằm nhanh chóng đạt được một lời giải tốt

Hàm Heuristic: Trong việc xây dựng các thuật giải Heuristic, người ta thường

dùng các hàm Heuristic Đó là các hàm đánh già thô, giá trị của hàm phụ thuộc

Heuristic Greedy

Bài toán đổi tiền: Đổi số tiền n thành các loại tiền cho

trước sao cho số tờ là ít nhất

trình cho một người giao hàng đi qua n điểm khác nhau, mỗi điểm đi qua một lần và trở về điểm xuất phát sao cho tổng chiều dài đoạn đường cần đi là ngắn nhất Giả sử

rằng có con đường nối trực tiếp từ giữa hai điểm bất kỳ.

– Vét cạn: (n-1)! (Với n lớn ???)

– Greedy 1: Mỗi bước chọn i →j sao cho j gần i nhất trong những

Ví dụ: TSP với n=8

660 0

390 460

570 920

540 380

7

690 390

0 520

950 600

300 430

6

200 460

520 0

740 1050

500 800

5

900 570

950 740

0 1420

1040 840

4

1160 920

600 1050

1420 0

710 640

3

470 540

300 500

1040 710

0 730

2

1010 380

430 800

840 640

730 0

1

8 7

6 5

4 3

2 1

Bài toán 3: Bài toán tô màu bản đồ

Heuristic (tt)

– Tìm kiếm trên không gian trạng thái theo chiều nào? Sâu

hay rộng?

– Tìm theo Heuristic : Heuristic định hướng quá trình tìm

kiếm theo hướng mà “nó” cho rằng khả năng đạt tới nghiệm

là cao nhất Không “sâu” cũng không “rộng”

Kết quả của tìm kiếm với Heuristic

– Việc tìm kiếm theo định hướng của heuristic có kết quả tốt

hay xấu tùy theo heuristic “đúng” hay “sai”.

– Heuristic có khả năng bỏ sót nghiệm

3.2 Tìm kiếm tối ưu (Best First Search)

OPEN : tập chứa các trạng thái đã được sinh ra nhưng chưa được xét đến (vì ta

đã chọn một trạng thái khác) Thực ra, OPEN là một loại hàng đợi ưu tiên

(priority queue) mà trong đó, phần tử có độ ưu tiên cao nhất là phần tử tốt nhất

CLOSE : tập chứa các trạng thái đã được xét đến Chúng ta cần lưu trữ những

trạng thái này trong bộ nhớ để đề phòng trường hợp khi một trạng thái mới được

tạo ra lại trùng với một trạng thái mà ta đã xét đến trước đó

Thuật giải BEST-FIRST SEARCH

1 Đặt OPEN chứa trạng thái khởi đầu

2 Cho đến khi tìm được trạng thái đích hoặc không còn nút nào trong OPEN, thực

hiện :

2.a Chọn trạng thái tốt nhất (Tmax) trong OPEN (và xóa Tmax khỏi OPEN)

2.b Nếu Tmax là trạng thái kết thúc thì thoát

3.2 Tìm kiếm tối ưu (tiếp)

Thuật giải BEST-FIRST SEARCH

Begin

open:={s};

While (open<> ø) do

begin

n:= Retrieve(Open) //Chọn trạng thái tốt nhất từ Open.

if (n=g) then return True else begin

Tạo Γ(n)

for mỗi nút con m của Γ(n) do

Gán giá trị chi phí cho m

if (n=g) then Return True;

Open := Open ∪ Γ(n); // (Γ(n) – Close)

3.2 Tìm kiếm tối ưu (tiếp)

- BFS khá đơn giản Tuy vậy, trên thực tế, cũng như tìm kiếm

chiều sâu và chiều rộng, hiếm khi ta dùng BFS một cách trực

tiếp Thông thường, người ta thường dùng các phiên bản của

BFS là AT, AKT và A*

Thông tin về quá khứ và tương lai

- Thông thường, trong các phương án tìm kiếm theo kiểu BFS,

độ tốt f của một trạng thái được tính dựa theo 2 hai giá trị mà ta

gọi là là g và h’ h’ chúng ta đã biết, đó là một ước lượng về chi

phí từ trạng thái hiện hành cho đến trạng thái đích (thông tin

tương lai) Còn g là "chiều dài quãng đường" đã đi từ trạng thái

ban đầu cho đến trạng thái hiện tại (thông tin quá khứ) Lưu ý

3.3 Thuật giải AT

3.3 Thuật giải AT

Thuật giải AT là một phương pháp tìm kiếm theo kiểu BFS với

độ tốt của nút là giá trị hàm g – tổng chiều dài con đường đã đi

từ trạng thái bắt đầu đến trạng thái hiện tại

Begin

open:={s};

While (open<> ø) do

begin

n:= Retrieve(Open) //Chọn n sao cho g(n) →nhỏ nhất từ Open.

if (n=g) then return True else begin

3.3 Thuật giải CMS (Cost Minimazation Search)

Thuật giải CMS là một phương pháp tìm kiếm theo kiểu BFS với độ tốt của

nút là giá trị hàm g và bổ sung tập Close: tập đỉnh đã xét)

Begin

open:={s}; close := ø

While (open<> ø) do

begin

n:= Retrieve(Open) //Chọn n sao cho g(n) →nhỏ nhất từ Open.

if (n=g) then return True else begin

Tạo Γ(n)

for mỗi nút con m của Γ(n) do

if (m∉∉∉Open) and (m∉∉∉Close) then

Begin

g(m):=g(n)+Cost(n,m) Open:=Open∪{m};

end

Ví dụ:

Xét graph sau:

(C,35), (D,30),(E,60),(F,65) {E,F}

B

(C,35),(E,60),(F,65) ø

D

(E,60),(F,50),(G,45) {F,G}

C

(E,60),(F,50),(J,65) {J}

G

{(B,20), (C,35), (D,30)}

{B,C,D}

A 1

{(A,0)}

0

Open Γ(n)

n Lần lặp

C A

B A

A

*

Sau Trước

3.4 Thuật giải AKT

(Algorithm for Knowlegeable Tree Search)

Thuật giải AKT mở rộng AT bằng cách sử dụng thêm thông tin ước lượng h’ Độ tốt của một trạng thái f là tổng của hai hàm g và h’

Begin

open:={s};

While (open<> ø) do

begin

n:= Retrieve(Open) //Chọn n sao cho f(n) →nhỏ nhất từ Open.

if (n=g) then return True else begin

Tạo Γ(n)

for mỗi nút con m của Γ(n) do

Begin

g(m):=g(n)+Cost(n,m)

3.5 Thuật giải A*

Thuật giải A*

A* là một phiên bản đặc biệt của AKT áp dụng cho trường hợp đồ thị Thuật giải A* có sử dụng thêm tập hợp CLOSE để lưu trữ những trường hợp đã được xét đến A* mở rộng AKT bằng cách bổ sung cách giải quyết trường hợp khi "mở" một nút mà nút này đã có sẵn trong OPEN hoặc CLOSE