›
›

Bài giảng Trí tuệ nhân tạo - Chương 1,2,3,4 - Trần Ngân Bình

ppt 81 trang phuongnguyen 7071
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Trí tuệ nhân tạo - Chương 1,2,3,4 - Trần Ngân Bình", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_tri_tue_nhan_tao_chuong_1234_tran_ngan_binh.ppt

Nội dung text: Bài giảng Trí tuệ nhân tạo - Chương 1,2,3,4 - Trần Ngân Bình

  1. TRÍ TUỆ NHÂN TẠO Artificial Intelligence: Structure and Strategies for Complex Problem Solving. (3rd edition - 1997) George F. Luger, William A. Stubblefield TTNT. p.1
  2. Nội Dung ◼ Chương 1. Giới thiệuTTNT ◼ Chương 2. Phép tính vị từ ◼ Chương 3. Cấu trúc và chiến lược dùng cho tìm kiếm trên không gian trạng thái (TK-KGTT) ◼ Chương 4. Tìm kiếm heuristic ◼ Chương 5. Điều khiển và cài đặt TK-KGTT ◼ Chương 6: Giải quyết vấn đề tri fthức chuyên sâu ◼ Chương 7: Suy luận với thông tin không chính xác hoặc không đầy đủ. ◼ Chương 8. Suy luận tự động (Automatic reasoning) ◼ Chương 9. Học máy TTNT. p.2
  3. Trí Tuệ Nhân Tạo là gì? ◼ Là một nhánh của khoa học máy tính liên quan đến sự tự động hóa hành vi thông minh. Trí tuệ là gì? ◼ Các câu hỏi chưa có câu trả lời: – Liệu trí tuệ có phải là một khả năng duy nhất hay chỉ là một tên gọi cho một tập hợp các hành vi phân biệt và độc lập nhau? – Thế nào là khả năng sáng tạo? – Thế nào là trực giác? – Điều gì diễn ra trong quá trình học? – Có thể kết luận ngay về tính trí tuệ từ việc quan sát một hành vi hay không hay cần phải có biểu hiện của một cơ chế nào đó nằm bên trong ? C.1 – Giới thiệu TTNT. p.3
  4. Định Nghĩa AI ◼ Rich, E. and K. Knight . 1991. Artificial Intelligence. New York: McGraw-Hill. “Artificial intelligence (AI) is the study of how to make computers do things which at the moment, people do better.” ◼ George Luger: “An AI approach problem-solving is one which: • uses domain-specific knowledge • to find a good-enough solution • to a hard problem • in a reasonable amount of time.” C.1 – Giới thiệu TTNT. p.4
  5. Turing Test Interrogator ◼ Ưu điểm của Turing Test – Khái niệm khách quan về trí tuệ – Tránh đi những thảo luận về quá trình bên trong và ý thức – Loại trừ định kiến thiên vị của người thẩm vấn C.1 – Giới thiệu TTNT. p.5
  6. Các ý kiến phản đối Turing Test ◼ Thiên vị các nhiệm vụ giải quyết vấn đề bằng ký hiệu ◼ Trói buộc sự thông minh máy tính theo kiểu con người, trong khi con người có: – Bộ nhớ giới hạn – Có khuynh hướng nhầm lẫn Tuy nhiên, trắc nghiệm Turing đã cung cấp một cơ sở cho nhiều sơ đồ đánh giá dùng thực sự cho các chương trình TTNT hiện đại. C.1 – Giới thiệu TTNT. p.6
  7. Các Ứng Dụng của TTNT 1. Trò chơi và các bài toán đố 2. Suy luận và chứng minh định lý tự động 3. Các hệ chuyên gia (các hệ tri thức) 4. Xử lý ngôn ngữ tự nhiên 5. Lập kế hoạch và người máy 6. Máy học 7. Mạng Neuron và giải thuật di truyền 8. C.1 – Giới thiệu TTNT. p.7
  8. Trí Tuệ Nhân Tạo - Đặc Điểm ◼ Sử dụng máy tính vào suy luận trên các ký hiệu, nhận dạng qua mẫu, học, và các suy luận khác ◼ Tập trung vào các vấn đề “khó” không thích hợp với các lời giải mang tính thuật toán. ◼ Quan tâm đến các kỹ thuật giải quyết vấn đề sử dụng các thông tin không chính xác, không đầy đủ, mơ hồ ◼ Cho lời giải ‘đủ tốt’ chứ không phải là lời giải chính xác hay tối ưu. ◼ Sử dụng heuristics – “bí quyết” ◼ Sử dụng tri thức chuyên môn ◼ C.1 – Giới thiệu TTNT. p.8
  9. Những vấn đề chưa được giải quyết ◼ Chương trình chưa tự sinh ra được heuristic ◼ Chưa có khả năng xử lý song song của con người ◼ Chưa có khả năng diễn giải một vấn đề theo nhiều phương pháp khác nhau như con người. ◼ Chưa có khả năng xử lý thông tin trong môi trường liên tục như con người. ◼ Chưa có khả năng học như con người. ◼ Chưa có khả năng tự thích nghi với môi trường. C.1 – Giới thiệu TTNT. p.9
  10. TTNT = Biểu Diễn + tìm kiếm TTNT biểu diễn và tìm kiếm TTNT. p.10
  11. Hệ thống ký hiệu vật lý ◼ Hệ thống ký hiệu = tập hợp các mẫu và các quá trình, trong đó các quá trình sản xuất, triệt tiêu và thay đổi các mẫu. ◼ Các hành vi thông minh đạt được bằng việc sử dụng: 1. Các mẩu ký hiệu để biểu diễn các khía cạnh quan trọng của lĩnh vực bài toán. 2. Các phép toán trên những mẫu này để sinh ra các lời giải có khả năng của bài toán 3. Tìm kiếm một lời giải trong số các khả năng này. TTNT biểu diễn và tìm kiếm TTNT. p.11
  12. Giả thuyết về hệ thống ký hiệu vật lý ◼ “Một hệ thống ký hiệu vật lý có các phương tiện cần và đủ cho một hành vi thông minh tổng quát” (Nowell và Simon) Allen Newell and Herbert A. Simon, Computer Science as Empirical Inquiry: Symbols and Search, Communications of the ACM (March 1976) TTNT biểu diễn và tìm kiếm TTNT. p.12
  13. TTNT như là sự biểu diễn và tìm kiếm Sự biểu diễn phải: • Cung cấp một cơ cấu tự nhiên để thể hiện tri thức/thông tin/ dữ liệu một cách đầy đủ => Tính biểu đạt • Hỗ trợ việc thực thi một cách hiệu quả việc tìm kiếmđáp án cho một vấn đề => Tính hiệu quả Liệu việc tìm kiếm: – Có kết thúc không? – Có chắc chắn sẽ tìm được lời giải không? – Có chắc chắn sẽ tìm được lời giải tối ưu không? TTNT biểu diễn và tìm kiếm TTNT. p.13
  14. TTNT như là biểu diễn & tìm kiếm ◼ Giải quyết vấn đề như là sự tìm kiếm lời giải trong một đồ thị không gian trạng thái: – Nút ~ trạng thái (node ~ state) – Liên kết (link) ◼ Ví dụ: – Trò chơi tic-tac-toe – Chẩn đoán trục trặc máy móc trong ô tô TTNT biểu diễn và tìm kiếm TTNT. p.14
  15. KGTT của Trò Chơi Tic-Tac-Toe TTNT biểu diễn và tìm kiếm TTNT. p.15
  16. Chẩn đoán trục trặc máy móc trong ô tô TTNT biểu diễn và tìm kiếm TTNT. p.16
  17. Chương 2 – Phép tính vị từ ◼ Logic hình thức – Logic hình thức = Biễu diễn + suy luận – Dùng như là một cơ chế biễu diễn tri thức – Dùng như là tìm kiếm không gian trạng thái trong các đồ thị And/Or – Dùng để hình thức hóa các luật heuristic ◼ Có hai ngôn ngữ: – Phép tính mệnh đề – Phép tính vị từ C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.17
  18. Phép tính mệnh đề (1) ◼ Mệnh đề: là các câu khẳng định về thế giới. ◼ Mệnh đề có thể đúng (true) hoặc sai (false). ◼ Mệnh đề đơn giản: Đồng là một kim loại => Đúng Gỗ là một kim loại => Sai Hôm nay là thứ Hai => Sai ◼ Ký hiệu trong phép tính mệnh đề: – Ký hiệu mệnh đề: P, Q, R, S, – Ký hiệu chân lý: true, false – Các phép toán logic:  (hội),  (tuyển),  (phủ định), (kéo theo) , = (tương đương) C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.18
  19. Phép tính mệnh đề (2) ◼ Định nghĩa câu trong phép tính mệnh đề: – Mỗi ký hiệu mệnh đề, ký hiệu chân lý là một câu. – Phủ định của một câu là một câu. – Hội, tuyển, kéo theo, tương đương của hai câu là một câu. ◼ Ký hiệu ( ), [ ] được dùng để nhóm các ký hiệu vào các biểu thức con. ◼ Một biểu thức mệnh đề được gọi là một câu (hay công thức dạng chuẩn- WFF) nó có thể được tạo thành từ những ký hiệu hợp lệ thông qua một dãy các luật trên. Ví dụ: ( (PQ) R) = P  Q  R C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.19
  20. Ngữ Nghĩa của Phép Tính MĐ ◼ Sự thông dịch (Intepretation): – Là sự gán giá trị chân lý (T / F) cho các câu mệnh đề. – Là một sự khẳng định chân lý của các câu mệnh đề trong một thế giới khả hữu nào đó. ◼ Sự thông dịch của một câu kép thường được xác định bằng bảng chân lý: P Q P PQ PQ P Q P=Q T T F T T T T T F F F T F F F T T F T T F F F T F F T T C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.20
  21. Sự Tương Đương của Phép Tính MĐ ◼ (P) = P ◼ (PQ) = (P Q) ◼ Luật tương phản: (P Q) = (Q P) ◼ Luật De Morgan:(P  Q) = (P  Q), và (P  Q) = (P  Q) ◼ Luật giao hoán: (P  Q) = (Q  P), và (PQ) = (QP) ◼ Luật kết hợp: ((P  Q)  R) = (P  (Q  R)), ((P  Q)  R) = (P  (Q  R)) ◼ Luật phân phối: P  (Q  R) = (P  Q)  (P  R), P  (Q  R) = (P  Q)  (P  R) C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.21
  22. Phép TínhVị Từ (1) ◼ Ký hiệu vị từ là tập hợp gồm các chữ cái, chữ số, ký hiệu “_”, và được bắt đầu bằng chữ cái. VD: X3, tom_and_jerry ◼ Ký hiệu vị từ có thể là: – ký hiệu chân lý: true, false – Hằng: dùng để chỉ một đối tượng / thuộc tính trong thế giới. • Ký hiệu bắt đầu bằng chữ thường: VD: helen, yellow, rain – Biến: dùng để chỉ một lớp tổng quát các đối tượng / thuộc tính. • Ký hiệu bắt đầu bằng chữ hoa: VD: X, People, Students – Hàm: dùng để chỉ một hàm trên các đối tượng. • Ký hiệu bắt đầu bằng chữ thường: VD: father, plus • Mỗi ký hiệu hàm có một ngôi n, chỉ số lượng các đối số của hàm. – Vị từ: dùng để định nghĩa một mối quan hệ giữa không hoặc nhiều đối tượng. • Ký hiệu vị từ bắt đầu bằng chữ thường. VD: likes, equals, part_of C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.22
  23. Phép TínhVị Từ (2) ◼ Biểu thức hàm: là một ký hiệu hàm theo sau bởi n đối số. VD: father(david) price(bananas) like(tom, football) ◼ Mục (term): là một hằng, một biến hay một biểu thức hàm ◼ Câu sơ cấp: là một hằng vị từ với n ngôi theo sau bởi n thành phần (mỗi thành phần là một mục) đặt trong dấu (), cách nhau bởi dấu ‘,’ và kết thúc với dấu ‘.’ – Trị chân lý true, false là các câu sơ cấp. – Câu sơ cấp còn được gọi là: biểu thức sơ cấp (atomic expression), nguyên tử (atom) hay mệnh đề (proposition) VD: friends(helen, marry). likes(hellen, mary). likes(helen, sister(mary)). likes( X, ice-cream). Ký hiệu vị từ trong các câu này là friends, likes. C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.23
  24. Phép TínhVị Từ (3) ◼ Câu: được tạo ra bằng cách kết hợp các câu sơ cấp sử dụng: – Các phép kết nối logic: , , , , = – Các lượng tử biến: • Lượng tử phổ biến : dùng để chỉ một câu là đúng với mọi giá trị của biến lượng giá VD:  X likes(X, ice-cream). • Lượng tử tồn tại : dùng để chỉ một câu là đúng với một số giá trị nào đó của biến lượng giá. VD: Y friends(Y,tom). VD: likes(helen, chocolat)   likes(bart, chocolat).  X foo(X,two,plus(two,three))  equal(plus(three,two),five) (foo(two, two,plus(two,three))) (equal(plus(three,two),five)= true). C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.24
  25. Ngữ Nghĩa của Phép Tính Vị Từ ◼ Sự thông dịch của một tập hợp các câu phép tính vị từ: là một sự gán các thực thể trong miền của vấn đề đang đề cập cho mỗi ký hiệu hằng, biến, vị từ và hàm. ◼ Giá trị chân lý của một câu sơ cấp được xác định qua sự thông dịch. Đối với các câu không phải là câu sơ cấp, sử dụng bảng chân lý cho cho các phép nối kết, và: – Giá trị của câu  X là true nếu là T cho tất cả các phép gán có thể được cho X. – Giá trị của câu  X là true nếu tồn tại một phép gán cho X làm cho có giá trị T. C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.25
  26. Phép Tính Vị Từ Bậc Nhất ◼ Phép tính vị từ bậc nhất cho phép các biến lượng giá tham chiếu đến các đối tượng trong miền của vấn đề đang đề cập nhưng KHÔNG được tham chiếu đến các vị từ và hàm. ◼ VD không hợp lệ: (Likes) Likes(helen, ice-cream) ◼ VD hợp lệ: – Nếu ngày mai trời không mưa, tom sẽ đi biển. • weather(rain, tomorrow) go(tom, sea) – Tất cả các cầu thủ bóng rổ đều cao. •  X ( basketball_player(X) tall(X) ) – Có người thích coca-cola •  X person(X)  likes(X, coca-cola) – Không ai thích thuế •  X likes(X, taxes) C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.26
  27. Ví dụ về phép tính vị từ ◼ Cho trước: mother(eve,abel) mother(eve, cain) father(adam, abel) father(adam,cain) X Y father(X,Y)  mother(X,Y) parent(X,Y) X Y Z parent(Z,X)  parent(Z,Y) sibling(X,Y) ◼ Có thể suy luận: parent(eve,abel) parent(eve, cain) parent(adam,abel) parent(adam,cain) sibling(abel, cain) sibling(cain, abel) sibling(abel,abel) sibling(cain,cain) !không có nghĩa C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.27
  28. Các luật suy diễn ◼ Luật Modus Ponens (MP): P Q P Q ◼ Luật Modus Tolens (MT): P Q Q P ◼ Luật triển khai phổ biến (Universal Instantiation): X P(X) a thuộc miền xác định của X P(a) C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.28
  29. Ví Dụ “Tất cả mọi người đều chết và Socrates là người, do đó Socrates sẽ chết” => X man(X) mortal(X) (1) man(socrates) (2) Từ (1),(2) bằng luật UI, ta có: man(socrates) mortal(socrates) (3) Từ (3) và (2) bằng luật MP, ta có: mortal(bill) (4) C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.29
  30. Đối sánh mẫu và phép hợp nhất ◼ Để áp dụng các luật như MP, một hệ suy diễn phải có khả năng xác định khi nào thì hai biểu thức là một hay còn gọi là đối sánh (match). ◼ Phép hợp nhất là một giải thuật dùng để xác định những phép thế (substitution) cần thiết để làm cho hai biểu thức vị từ đối sánh nhau. ◼ Một biến có thể thay thế bởi một mục bất kỳ: Thay thế bởi Hằng Biến đã kết buộc (bound) Biến Biến khác Biến chưa kết buộc (unbound) Biểu thức hàm có thể chứa các biến khác C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.30
  31. “Giải thuật” Đối Sánh Mẫu 1. Hằng / hằng đối sánh : chỉ khi chúng giống hệt nhau VD: tom không đối sánh với jerry 2. Hằng a / biến X đối sánh: a. Biến chưa kết buộc: biến trở thành kết buộc với hằng => Khi đó ta có phép thế {a/X} a. Biến đã kết buộc : xem (1) 3. Biến X/ biến Y đối sánh: a. Hai biến chưa kết buộc: luôn luôn đối sánh => Khi đó ta có phép thế {X/Y} a. Một biến kết buộc và một biến chưa kết buộc: xem (2) b. Hai biến kết buộc: xem (1) 4. Biểu thức / biểu thức đối sánh: chỉ khi các tên hàm hoặc vị từ, số ngôi giống nhau thì áp dụng đối sánh từng đối số một. VD: goo(X) - không đối sánh với foo(X) hay goo(X,Y) - đối sánh với goo(foo(Y)) với phép thế {foo(Y) / X} C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.31
  32. Phạm vi của một biến ◼ Phạm vi của một biến là một câu. ◼ Một khi biến đã bị kết buộc, các phép hợp nhất theo sau và các suy luận kế tiếp phải giữ sự kết buộc này VD: man(X) => mortal(X) Nếu ta thế X bởi socrates thì ta được: man(socrates) => mortal(socrates) C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.32
  33. Ví dụ: Biểu thức đối sánh ◼ Hãy xác định xem foo(X,a,goo(Y)) có đối sánh với các biểu thức sau hay không? Nếu có thì cho biết phép thế tương ứng: – foo(X,b,foo(Y)) – foo(fred, a, goo(Z)) – foo(X,Y) – moo(X,a,goo(Y)) – foo(Z,a,goo(moo(Z))) – foo(W,a,goo(jack)) ◼ Cho biết kết quả có được khi hợp nhất p(a, X) với : – p(Y,Z) => q(Y,Z) – q(W,b) => r(W,b) C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.33
  34. Thủ tục hợp nhất “Unify” Ghi chú: p(a,b) ~ (p a b) p(f(a), g(X, Y) ~ (p (f a) (g x Y) ) C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.34
  35. Tích các phép thế hợp nhất (Composition) ◼ Nếu S và S’ là hai tập hợp phép thế, thì tích của S và S’ được xác định bằng cách áp dụng S’ cho những phần tử của S và bổ sung kết quả này vào S. VD: {X/Y, W/X}, {V/X}, {a/V, f(b)/W} => {a/Y, f(b)/Z} C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.35
  36. Hợp tử tổng quát nhất (Most General Unifier) ◼ Yêu cầu của giải thuật hợp nhất là hợp tử (unifier) càng tổng quát càng tốt: đó là hợp tử tổng quát nhất tìm thấy cho hai biểu thức. VD: Khi hợp nhất p(X) và p(Y): không nên chọn {fred/X, fred/Y} vì fred không phải là hợp tử tổng quát nhất nên chọn {Z/Y, Z/Y} C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.36
  37. Ứng Dụng: Hệ tư vấn tài chính (1) Hệ tư vấn tài chính hoạt động theo các nguyên tắc sau: ◼ Các cá nhân không đủ tiền tiết kiệm nên tăng tiền tiết kiệm, bất kể thu nhập là bao nhiêu. ◼ Các cá nhân có đủ tiền tiết kiệm và đủ thu nhập nên xem xét việc đầu tư vào chứng khoán. ◼ Các cá nhân với thu nhập thấp nhưng đủ tiền tiết kiệm có thể chia phần thu nhập thêm vào tiết kiệm và chứng khoán. Với: ◼ tiết kiệm đủ là 5000$/ người phụ thuộc ◼ Thu nhập đủ 15000$ + (4000$ / người phụ thuộc) C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.37
  38. Ứng Dụng: Hệ tư vấn tài chính (2) Xâu dựng hệ thống logic với các câu vị từ như sau: 1. savings_account(inadequate) investment(saving) 2. savings_account(adequate) income(adequate) investment(stocks) 3. savings_account(adequate) income(inadequate) investment(combination) 4. X amount_saved(X) Y(dependents(Y)  greater(X,minsavings(Y))) savings_account(adequate) 5. X amount_saved(X) Y(dependents(Y)  greater(X,minsavings(Y))) savings_account(inadequate) 6. X earning(X, steady) Y(dependents(Y)  greater(X,minincome(Y))) income(adequate) 7. X earning(X, steady) Y(dependents(Y)  greater(X,minincome(Y))) income(inadequate) 8. X earning(X, unsteady) income(inadequate) With: minavings(X) = 5000 * X minincome(X)=15000+(4000*X) C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.38
  39. Ứng Dụng: Hệ tư vấn tài chính(3) Một nhà đầu tư với tình trạng như sau: 9. amount_saved(22000) 10. earnings(25000,steady) 11. dependents(3) investment (?) Dùng phép hợp nhất và luật Modus Ponens, suy ra: 12. income(inadequate) 13. savings_account(adequate) investment (combination) C2 – Phép tính vị từ TTNT. p.39
  40. Bài Tập Chương 2 TTNT. p.40
  41. Chương 3 - Cấu trúc và chiến lược cho TK - KGTT ◼ Khi biểu diễn một vấn đề như là một đồ thị không gian trạng thái, chúng ta có thể sử dụng lý thuyết đồ thị để phân tích cấu trúc và độ phức tạp của các vấn đề cũng như các thủ tục tìm kiếm. rb1 b2 b4 Riverbank1 b3 b1 4 i2 2 3 i1 1 Island1 Island 2 b6 b5 b7 5 6 7 Riverbank 2 rb2 Hệ thống cầu thành phố Konigsberg và biểu diễn đồ thị tương ứng C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.41
  42. Nội dung chương 3 ◼ Định nghĩa Không Gian Trạng Thái ◼ Các chiến lược tìm kiếm trên không gian trạng thái: – TK hướng từ dữ liệu (data – driven) – TK hướng từ mục tiêu (goal – driven). ◼ Tìm kiếm trên không gian trạng thái: – TK rộng (breath – first search) – TK sâu (depth – first search) – TK sâu bằng cách đào sâu nhiều lần (depth – first search with iterative deepening) ◼ Sử dụng không gian trạng thái để biễu diễn suy luận với phép tính vị từ: Đồ thị Và/Hoặc (And/Or Graph) C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.42
  43. ĐN: KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI Một KGTT (state space) là 1 bộ [N, A, S, GD] trong đó: ◼ N (node) là các nút hay các trạng thái của đồ thị. ◼ A (arc) là tập các cung (hay các liên kết) giữa các nút. ◼ S (solution) là một tập chứa các trạng thái đích của bài toán.(S  N  S ) ◼ Các trạng thái trong GD (Goal Description) được mô tả theo một trong hai đặc tính: – Đặc tính có thể đo lường được các trạng thái gặp trong quá trình tìm kiếm. VD: Tic-tac-toe, 8-puzzle, – Đặc tính của đường đi được hình thành trong quá trình tìm kiếm. VD: TSP ◼ Đường đi của lời giải (solution path) là một con đường đi qua đồ thị này từ một nút thuộc S đến một nút thuộc GD. C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.43
  44. Một phần KGTT triển khai trong Tic-tac-toe Đồ thị có hướng không lặp lại (directed acyclic graph - DAG) C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.44
  45. Trò đố 8 ô hay 15 ô Trạng thái ban đầu Trạng thái đích ◼ Trò đố 11 14 4 7 1 2 3 4 15 ô 10 6 5 12 13 14 5 1 2 13 15 11 15 6 9 12 8 3 10 9 8 7 ◼ Trò đố 2 8 1 2 3 3 5 7 8 4 8 ô 6 2 1 7 6 5 ◼ Cần biểu diễn KGTT cho bài toán này như thế nào? C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.45
  46. KGTT của 8-puzzle sinh ra bằng phép “di chuyển ô trống” Có khả năng xảy ra vòng lặp không? C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.46
  47. Một ví dụ của bài toán TSP ◼ Cần biểu diễn KGTT cho bài toán này như thế nào? C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.47
  48. KGTT của bài toán TSP Mỗi cung được đánh dấu bằng tổng giá của con đường từ nút bắt đầu đến nút hiện tại. C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.48
  49. Các Chiến Lược cho TK-KGTT ◼ TK hướng từ dữ liệu (Data-driven Search) – Suy diễn tiến (forward chaining) ◼ TK hướng từ mục tiêu (Goal-driven Search) – Suy diễn lùi (backward chaining) C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.49
  50. TK Hướng từ Dữ Liệu ◼ Việc tìm kiếm đi từ dữ liệu đến mục tiêu ◼ Thích hợp khi: – Tất cả hoặc một phần dữ liệu được cho từ đầu. – Có nhiều mục tiêu, nhưng chỉ có một số ít các phép toán có thể áp dụng cho một trạng thái bài toán. – Rất khó đưa ra một mục tiêu hoặc giả thuyết ngay lúc đầu. C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.50
  51. TK Hướng Từ Mục Tiêu ◼ Việc tìm kiếm đi từ mục tiêu trở về dữ liệu. ◼ Thích hợp khi: – Có thể đưa ra mục tiêu hoặc giả thuyết ngay lúc đầu. – Có nhiều phép toán có thể áp dụng trên 1 trạng thái của bài toán => sự bùng nổ số lượng các trạng thái. – Các dữ liệu của bài toán không được cho trước, nhưng hệ thống phải đạt được trong quá trình tìm kiếm. C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.51
  52. Các phương pháp tìm kiếm trên đồ thị KGTT: Phát triển từ giải thuật quay lui (back – tracking): ◼ Tìm kiếm rộng (breath-first search) ◼ Tìm kiếm sâu (depth-first search) ◼ TK sâu bằng cách đào sâu nhiều lần (depth-first search with iterative deepening) C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.52
  53. Tìm Kiếm Rộng 1. Open = [A]; closed = [] 2. Open = [B,C,D]; closed = [A] 2. Open = [C,D,E,F]; closed = [B,A] 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] C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.53
  54. Tìm kiếm Sâu 1. Open = [A]; closed = [] 2. Open = [B,C,D]; closed = [A] 3. Open = [E,F,C,D];closed = [B,A] 4. Open = [K,L,F,C,D]; closed = [E,B,A] 5. Open = [S,L,F,C,D]; closed = [K,E,B,A] 6. Open = [L,F,C,D]; closed = [S,K,E,B,A] 7. Open = [T,F,C,D]; closed = [L,S,K,E,B,A] 8. Open = [F,C,D]; closed = [T,L,S,K,E,B,A] 9. C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.54
  55. Tìm Kiếm Sâu hay Rộng? (1) ◼ Có cần thiết tìm một đường đi ngắn nhất đến mục tiêu hay không? ◼ Sự phân nhánh của không gian trạng thái ◼ Tài nguyên về không gian và thời gian sẵn có ◼ Khoảng cách trung bình của đường dẫn đến trạng thái mục tiêu. ◼ Yêu cầu đưa ra tất cả các lời giải hay chỉ là lời giải tìm được đầu tiên. C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.55
  56. Tìm kiếm sâu bằng cách đào sâu nhiều lần (depth-first iterative deepening) ◼ Độ sâu giới hạn (depth bound): giải thuật TK sâu sẽ quay lui khi trạng thái đang xét đạt đến độ sâu giới hạn đã định. ◼ TK Sâu bằng cách đào sâu nhiều lần: TK sâu với độ sâu giới hạn là 1, nếu thất bại, nó sẽ lặp lại GT TK sâu với độ sâu là 2, GT tiếp tục cho đến khi tìm được mục tiêu, mỗi lần lặp lại tăng độ sâu lên 1. ◼ GT này có độ phức tạp về thời gian cùng bậc với TK Rộng và TK Sâu. C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.56
  57. Trò chơi ô đố 8-puzzle loop detection and depth bound 5 bound depth and detection loop puzzle searched by a production system with with system production a by searched puzzle - The 8 The C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.57
  58. Đồ thị Và/Hoặc ◼ Sử dụng KGTT để biễu diễn suy luận với phép tính vị từ ◼ Là phương pháp qui bài toán về các bài toán con. ◼ Một tập hợp các mệnh đề / câu vị từ tạo thành một đồ thị Và/Hoặc (And/Or graph) hay siêu đồ thị (hypergraph). ◼ Trong đồ thị Và/Hoặc: – Các nút AND biểu thị sự phân chia bài toán, tất cả các bài toán con phải được chứng minh là đúng. – Các nút OR biểu thị các chiến lược giải quyết bài toán khác nhau, chỉ cần chứng minh một chiến lược đúng là đủ ◼ Có thể áp dụng TK theo kiểu hướng từ dữ liệu hay từ mục tiêu. ◼ Trong giải thuật cần ghi nhận diễn tiến của quá trình. C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.58
  59. Ví dụ Đồ thị Và/Hoặc ◼ Giả sử một tình huống với các mệnh đề sau: a b c ab d ac e bd f f g ae h Hãy trả lời các câu hỏi sau: 1. h có đúng không? 2. h có cón đúng nêu b sai? C 3 – Tìm kiếm không gian trạng thái TTNT. p.59
  60. Ví dụ: Hệ Tư Vấn Tài Chính Đồ Thị And/Or biểu diễn phần KGTT đã duyệt qua để đi đến lời giải TTNT. p.60
  61. VÍ DỤ ĐỒ THỊ AND/OR: Cho một bài toán được mô tả bằng các câu vị từ: Hãy vẽ đồ thị AND/OR biểu diễn phần KGTK để trả lời câu hỏi: “Fred đang ở đâu?” (Áp dụng suy diễn lùi) TTNT. p.61
  62. Bài Tập Chương 3 TTNT. p.62
  63. Chương 4 – Tìm kiếm heuristic ◼ Heuristics: là các phỏng đoán, ước chừng dựa trên kinh nghiệm, trực giác. ◼ Các hệ giải quyết AI sử dụng heuristic trong hai tình huống cơ bản: – Bài toán được định nghĩa chính xác nhưng chi phí tìm lời giải bằng TK vét cạn là không thể chấp nhận. VD: Sự bùng nổ KGTT trong trò chơi cờ vua. – Vấn đề với nhiều sự mơ hồ trong lời phát biểu bài toán hay dữ liệu cũng như tri thức sẵn có. VD: Chẩn đoán trong y học. C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.63
  64. Giải Thuật Heuristic ◼ Một giải thuật heuristic có thể được xem gồm 2 phần: – Phép đo heuristic: thể hiện qua hàm đánh giá heuristic (evaluation function), dùng để đánh giá các đặc điểm của một trạng thái trong KGTT. – Giải thuật tìm kiếm heuristic: • Giải thuật leo núi (hill-climbing) • TK tốt nhất (best-first search) C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.64
  65. KGTT của tic-tac-toe được thu nhỏ nhờ tính đối xứng của các trạng thái. C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.65
  66. Phép đo heuristic (2) Heuristic “Số đường thắng nhiều nhất” áp dụng cho các nút con đầu tien trong tic-tac-toe. C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.66
  67. KGTT càng thu nhỏ khi áp dụng heuristic C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.67
  68. Giải thuật Leo Núi ◼ Giải thuật: – Mở rộng trạng thái hiện tại và đánh giá các trạng thái con của nó bằng hàm đánh giá heuristic. – Con “tốt nhất” sẽ được chọn để đi tiếp. ◼ Giới hạn: – Giải thuật có khuynh hướng bị sa lầy ở những cực đại cục bộ: ➢ Lời giải tìm được không tối ưu ➢ Không tìm được lời giải mặc dù có tồn tại lời giải – Giải thuật có thể gặp vòng lặp vô hạn do không lưu giữ thông tin về các trạng thái đã duyệt. C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.68
  69. Giải thuật TK Tốt Nhất 1. open = [A5]; closed = [] 2. Đánh giá A5; open = [B4,C4,D6]; closed = [A5] 3. Đánh giá B4; open = [C4,E5,F5,D6]; closed = [B4,A5] 4. Đánh giá C4; open = [H3,G4,E5,F5,D6]; closed = [C4,B4,A5] 5. Đánh giá H3; open = [O2,P3,G4,E5,F5,D6]; closed = [H3,C4,B4,A5] 6. Đánh giá O2; open = [P3,G4,E5,F5,D6]; closed = [O2,H3,C4,B4,A5] 7. Đánh giá P3; tìm được lời giải! C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.69
  70. Cài Đặt Hàm Đánh Giá (Evaluation Function) Xét trò chơi 8-puzzle. Cho mỗi trạng thái n một giá trị f(n): f(n) = g(n) + h(n) g(n) = khoảng cách thực sự từ n đến trạng thái bắt đầu h(n) = hàm heuristic đánh giá khoảng cách từ trạng thái n đến mục tiêu. start 2 8 3 1 2 3 g(n) = 0 1 6 4 8 4 7 5 7 6 5 goal 2 8 3 2 8 3 2 8 3 h(n): số lượng các vị trí còn sai g(n) = 1 1 6 4 1 4 1 6 4 7 5 7 6 5 7 5 f(n) = 6 4 6 C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.70
  71. Khó khăn trong thiết kế hàm heuristic Ba heuristic áp dụng vào 3 trạng thái của trò chơi ô đố 8 số C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.71
  72. Heuristic trong trò chơi đối kháng ◼ Giải thuật minimax: – Hai đấu thủ trong trò chơi được gọi là MIN và MAX. – Mỗi nút lá có giá trị: • 1 nếu là MAX thắng, • 0 nếu là MIN thắng. – Minimax sẽ truyền các giá trị này lên cao dần trên đồ thị, qua các nút cha mẹ kế tiếp theo các luật sau: • Nếu trạng thái cha mẹ là MAX, gán cho nó giá trị lớn nhất có trong các trạng thái con. • Nếu trạng thái bố, mẹ là MIN, gán cho nó giá trị nhỏ nhất có trong các trạng thái con. C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.72
  73. Hãy áp dụng GT Minimax vào Trò Chơi NIM C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.73
  74. Minimax với độ sâu lớp cố định ◼ Minimax đối với một KGTT giả định. ◼ Các nút lá được gán các giá trị heuristic ◼ Còn giá trị tại các nút trong là các giá trị nhận được dựa trên giải thuật Minimax C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.74
  75. Heuristic trong trò chơi tic-tac-toe Hàm Heuristic: E(n) = M(n) – O(n) Trong đó: M(n) là tổng số đường thắng có thể của tôi O(n) là tổng số đường thắng có thể của đối thủ E(n) là trị số đánh giá tổng cộng cho trạng thái n C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.75
  76. Minimax 2 lớp được áp dụng vào nước đi mở đầu trong tic-tac-toe Trích từ Nilsson (1971). C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.76
  77. Giải thuật cắt tỉa - ◼ Tìm kiếm theo kiểu depth-first. ◼ Nút MAX có 1 giá trị (luôn tăng) ◼ Nút MIN có 1 giá trị  (luôn giảm) ◼ TK có thể kết thúc dưới bất kỳ: – Nút MIN nào có  của bất kỳ nút cha MAX nào. – Nút MAX nào có  của bất kỳ nút cha MIN nào. ◼ Giải thuật cắt tỉa - thể hiện mối quan hệ giữa các nút ở lớp n và n+2, mà tại đó toàn bộ cây có gốc tại lớp n+1 có thể cắt bỏ. C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.77
  78. Cắt tỉa MAX S = ≥ MIN A = Z - cut = z z ≤ C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.78
  79. Cắt tỉa  MIN S =  ≤  MAX A =  Z  - cut = z z ≥  C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.79
  80. GT Cắt Tỉa - áp dụng cho KGTT giả định Các nút không có giá trị là các nút không được duyệt qua C 4 – Tìm kiếm Heuristic TTNT. p.80
  81. Bài Tập Chương 4 TTNT. p.81