Giáo trình Trí tuệ nhân tạo (Phần 1)
Vai trò của Trí Tuệ Nhân Tạo.
Trí tuệ nhân tạo bao quát rất nhiều lĩnh vực nghiên cứu hẹp. Nó nghiên cứu
từ các lĩnh vực tổng quát như máy nhận biết, suy luận logic, đến các bài toán
như chơi cờ, chứng minh định lý. Thường thì các nhà khoa học ở các lĩnh vực3
khác tìm đến với trí tuệ nhân tạo ở các kỹ thuật hệ thống hoá và tự động hoá các
xử lý tri thức cũng như các phương pháp thuộc lĩnh vực mang tính người.
Trí tuệ nhân tạo nghiên cứu kỹ thuật làm cho máy tính có thể “suy nghĩ một
cách thông minh” và mô phỏng quá trình suy nghĩ của con người khi đưa ra
những quyết định, lời giải. Trên cơ sở đó, thiết kế các chương trình cho máy tính
để giải quyết bài toán.
Sự ra đời và phát triển của Trí tuệ nhân tạo đã tạo ra một bước nhảy vọt về
chất trong kỹ thuật và kỹ nghệ xử lý thông tin. Trí tuệ nhân tạo chính là cơ sở
của công nghệ xử lý thông tin mới, độc lập với công nghệ xử lý thông tin truyền
thống dựa trên văn bản giấy tờ. Điều này được thể hiện qua các mặt sau:
- Nhờ những công cụ hình thức hoá (các mô hinh logic ngôn ngữ, logic
mờ,.), các tri thức thủ tục và tri thức mô tả có thể biểu diễn được trong
máy. Do vậy quá trình giải bài toán được tiến hành hữu hiệu hơn.
- Mô hình logic ngôn ngữ đã mở rộng khả năng ứng dụng của máy tính
trong lĩnh vực đòi hỏi tri thức chuyên gia ở trình độ cao, rất khó như: y
học, sinh học, địa lý, tự động hóa.
- Một số phần mềm trí tuệ nhân tạo thể hiện tính thích nghi và tính mềm
dẻo đối với các lớp bài toán thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau.
- Khi máy tính được trang bị các phần mềm trí tuệ nhân tạo ghép mạng sẽ
cho phép giải quyết những bài toán cỡ lớn và phân tán
Tóm tắt nội dung tài liệu: Giáo trình Trí tuệ nhân tạo (Phần 1)
ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Giáo trình TRÍ TUỆ NHÂN TẠO Huế, 2004 Lời nói đầu Trong các năm qua, nhiều tài liệu của ngành công nghệ thông tin đã được giới thiệu nhiều cho các cán bộ nghiên cứu, ứng dụng và sinh viên ở bậc đại học. Tuy nhiên các giáo trình của ngành học này chưa đáp ứng dược nhu cầu của sinh viên các trường đại học, đặc biệt đối với sinh viên khu vực miền Trung. Vì vậy, chúng tôi biên soạn giáo trình “Trí tuệ nhân tạo”, một môn cơ sở chuyên ngành trong chương trình đào tạo Cử nhân Tin học, ngoài mục đích xây dựng nhiều giáo trình trên một khung chương trình đào tạo, mà còn giúp cho sinh viên có tài liệu học tập phù hợp với hoàn cảnh thực tế của Đại học Huế. Trong cuốn sách này, sinh viên được làm quen với một số kiến thức cơ bản nhất về các phương pháp tìm kiếm lời giải và các phương pháp xử lý tri thức. Ngoài ra, cuốn sách cũng giới thiệu một số chương trình cài đặt, nhằm giúp sinh viên có thể hiểu một cách tường tận các giải thuật, đồng thời tin tưởng rằng các giải thuật này có thể áp dung thực tế và cài đặt được trên máy tính một cách dễ dàng. Các nội dung trình bày trong cuốn sách đã từng được giảng cho sinh viên ngành Công nghệ Thông tin tại Đại học Huế trong những năm vừa qua. Cuốn sách ra đời dưới sự giúp đỡ về mặt vật chất cũng như tinh thần của Đại học Huế, Trường Đại học Khoa học và đặc biệt là Ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ Thông tin và các đồng nghiệp thuộc Bộ môn Khoa học Máy tính. Chúng tôi xin gửi tới họ lòng biết ơn. Xin chân thành cám ơn các bạn bè đã cổ cũ và gíup cho cuốn sách sớm được hoàn thành. Mặc dù đã hết sức cố gắng, tuy nhiên cuốn sách cũng không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng tôi rất mong được sự góp ý của các độc giả, đặc biệt đối với các đồng nghiệp và sinh viên để cuốn sách ngày càng hoàn thiện. Huế, tháng 7 năm 2004 Tác giả Tài liệu tham khảo 1. Bạch Hưng Khang, Hoàng Kiếm Trí tuệ nhân tạo: Các phương pháp và ứng dụng. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1989. 2. Đinh Mạnh Tường Giáo trình Trí tuệ nhân tạo, Đại học Quốc gia Hà nội. 3. Nguyễn Thanh Thuỷ Trí tuệ nhân tạo: Các phương pháp giải quyết vấn đề và kỹ thuật xử lý tri thức. Nhà xuất bản Giáo dục, 1996. 4. N. Nilson Artificial Intelligence. Ed. McGrawhill, 1971 5. Patrick Henry Winston Artificial Intelligence. Ed. Addison Wesley, 1992. . Mục lục Chương 0. Mở đầu 2 1. Tổng quan về Khoa học Trí ruệ nhân tạo 2 2. Lịch sử phát triển của Trí tuệ nhân tạo 5 3. Một số vấn đề Trí tuệ nhân tạo quan tâm 8 4. Các khái niêm cơ bản 10 Chương 1. Biểu diễn bài toán trong không gian trạng thái 12 1. Đặt vấn đề 12 2. Mô tả trạng thái 12 3. Toán tử chuyển trạng thái 14 4. Không gian trạng thái của bài toán 17 5. Biểu diễn không gian trạng thái dưới dạng đồ thị 18 6. Bài tập 21 Chương 2. Các phương pháp tìm kiếm lời giải trong không gian trạng thái 23 1. Phương pháp tìm kiếm theo chiều rộng 23 2. Phương pháp tìm kiếm theo chiều sâu 30 3. Phương pháp tìm kiếm sâu dần 34 4. Phương pháp tìm kiếm tốt nhất đầu tiên 36 5. Tìm kiếm đường đi có giá thành cực tiểu - Thuật toán AT 39 6. Tìm kiếm cực tiểu sử dụng hàm đánh giá - Thuật toán A* 43 7. Phương pháp tìm kiếm leo đồi 46 8. Phương pháp sinh và thử 49 9. Phương pháp thoả mãn ràng buộc 51 10. Cài đặt một số giải thuật. 53 11. Bài tập 72 Chương 3 Phân rã bài toán – Tìm kiếm lời giải trên đồ thị Và/Hoặc 90 1. Đặt vấn đề 90 2. Đồ thị Và/Hoặc 92 3. Các phương pháp tìm kiếm lời giải trên đồ thị Và/Hoặc 94 4. Cây tìm kiếm và các đấu thủ 104 Chương 4. Biểu diễn bài toán bằng logic và các phương pháp chứng minh 107 1. Biểu diễn vấn đề hờ logic hình thức 108 2. Một số giải thuật chứng minh 130 3. Ví dụ và bài tập 138 Chương 5. Tri thức và các phương pháp suy diễn 148 1. Tri thức và dữ liệu 148 2. Các dạng mô tả tri thức 149 3. Suy diễn trên luật sản xuất 152 Tài liệu tham khảo 163 2 Chương 0 MỞ ĐẦU 1. Tổng quan về khoa học Trí tuệ nhân tạo. Trong Công Nghệ Thông Tin, Trí Tuệ Nhân Tạo (Artificial Intelligence) là một ngành mới, nhưng phát triển rất mạnh mẽ và đem lại nhiều kết quả to lớn. Con người thường tự cho mình là sinh vật thông minh vì khả năng trí tuệ đóng vai trò quan trong trong cuộc sống. Trong văn học cũng đã từng có những câu chuyện đề cao về trí thông minh của con người. Trí Tuệ Nhân Tạo chỉ mới hình thành từ năm 1956. Tuy nhiên, việc nghiên cứu trí tuệ đã có từ lâu. Trên 2000 năm trước, các nhà triết học đã tìm hiểu về cách thức nhìn nhận, học tập, nhớ và suy lý. Việc ra đời của máy tính điện tử vào những năm 50 của thế kỷ 20 đã sinh ra khuynh hướng đưa các lĩnh vực nghiên cứu trí tuệ về các vấn đề lý thuyết và thực nghiệm trên máy. 1.1. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu của trí tuệ nhân tạo. Trí tuệ nhân tạo nghiên cứu về cách hành xử thông minh (intelligent behaviour) với mục tiêu là xây dựng lý thuyết đầy đủ về thông minh để có thể giải thích được hoạt động thông minh của sinh vật và áp dụng được các hiểu biết vào các máy móc nói chung, nhằm phục vụ cho con người. - Về mặt kỹ thuật: Tạo ra các máy thông minh để giải quyết vấn đề thực tế dùng các kỹ thuật AI. - Khoa học: Phát triển các khái niệm và thuật ngữ để hiểu được các hành xử thông minh của sinh vật. 1.2. Vai trò của Trí Tuệ Nhân Tạo. Trí tuệ nhân tạo bao quát rất nhiều lĩnh vực nghiên cứu hẹp. Nó nghiên cứu từ các lĩnh vực tổng quát như máy nhận biết, suy luận logic, đến các bài toán như chơi cờ, chứng minh định lý. Thường thì các nhà khoa học ở các lĩnh vực 3 khác tìm đến với trí tuệ nhân tạo ở các kỹ thuật hệ thống hoá và tự động hoá các xử lý tri thức cũng như các phương pháp thuộc lĩnh vực mang tính người. Trí tuệ nhân tạo nghiên cứu kỹ thuật làm cho máy tính có thể “suy nghĩ một cách thông minh” và mô phỏng quá trình suy nghĩ của con người khi đưa ra những quyết định, lời giải. Trên cơ sở đó, thiết kế các chương trình cho máy tính để giải quyết bài toán. Sự ra đời và phát triển của Trí tuệ nhân tạo đã tạo ra một bước nhảy vọt về chất trong kỹ thuật và kỹ nghệ xử lý thông tin. Trí tuệ nhân tạo chính là cơ sở của công nghệ xử lý thông tin mới, độc lập với công nghệ xử lý thông tin truyền thống dựa trên văn bản giấy tờ. Điều này được thể hiện qua các mặt sau: - Nhờ những công cụ hình thức hoá (các mô hinh logic ngôn ngữ, logic mờ,...), các tri thức thủ tục và tri thức mô tả có thể biểu diễn được trong máy. Do vậy quá trình giải bài toán được tiến hành hữu hiệu hơn. - Mô hình logic ngôn ngữ đã mở rộng khả năng ứng dụng của máy tính trong lĩnh vực đòi hỏi tri thức chuyên gia ở trình độ cao, rất khó như: y học, sinh học, địa lý, tự động hóa. - Một số phần mềm trí tuệ nhân tạo thể hiện tính thích nghi và tính mềm dẻo đối với các lớp bài toán thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau. - Khi máy tính được trang bị các phần mềm trí tuệ nhân tạo ghép mạng sẽ cho phép giải quyết những bài toán cỡ lớn và phân tán. 1.3. Các kỹ thuật Trí tuệ nhân tạo. Có nhiều kỹ thuật nghiên cứu, phát triển ngành khoa học Trí tuệ nhân tạo. Tuy vậy, các kỹ thuật Trí tuệ nhân tạo thường khá phức tạp khi cài đặt cụ thể, lý do là các kỹ thuật này thiên về xử lý các ký hiệu tượng trưng và đòi hỏi phải sử dụng những tri thức chuyên môn thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau. Do vậy, các kỹ thuật Trí tuệ nhân tạo hướng tới khai thác những tri thức về lĩnh vực đang quan tâm được mã hoá trong máy sao cho đạt được mức độ tổng quát; dễ hiểu, dễ diễn đạt thông qua ngôn ngữ chuyên môn gần gũi với ngôn ngữ 4 tự nhiên; dễ sửa đổi, hiệu chỉnh, dễ sử dụng, khai thác nhằm thu hẹp các khả năng cần xét để đi tới lời giải cuối cùng. Các kỹ thuật Trí tuệ nhân tạo cơ bản bao gồm : - Lý thuyết giải bài toán và suy diễn thông minh: Lý thuyết giải bài toán cho phép viết các chương trình giải câu đố, chơi các trò chơi thông qua các suy luận mang tính người; các hệ thống chứng minh định lý. Ngoài ra các hệ thống hỏi đáp thông minh còn cho phép lưu trữ và xử lý khối lượng lớn các thông tin. - Lý thuyết tìm kiếm may rủi: Lý thuyết này bao gồm các phương pháp và kỹ thuật tìm kiếm với sự hỗ trợ của thông tin phụ để giải bài toán một cách có hiệu quả. - Các ngôn ngữ về Trí tuệ nhân tạo: Để xử lý các tri thức người ta không chỉ sử dụng các ngôn ngữ lập trình dùng cho các xử lý dữ liệu số, mà cần có ngôn ngữ khác. Các ngôn ngữ chuyên dụng này cho phép lưu trữ và xử lý thông tin ký hiệu. Một số ngôn ngữ được nhiều người biết đến là IPL.V,LISP, PROLOG. - Lý thuyết thể hiện tri thức và hệ chuyên gia: Trí tuệ nhân tạo là khoa học về thể hiện và sử dụng tri thức. Mạng ngữ nghĩa, lược đồ, logic vị từ, khung là các phương pháp thể hiện tri thức thông dụng. Việc gắn liền cách thể hiện và sử dụng tri thức là cơ sở hình thành hệ chuyên gia. - Lý thuyết nhận dạng và xử lý tiếng nói: Giai đoạn phát triển đầu của Trí tuệ nhân tạo gắn với lý thuyết nhận dạng. Các phương pháp nhận dạng chính gồm: nhận dạng hình học, nhận dạng dùng tâm lý học, nhận dạng theo phương pháp hàm thế, dùng máy nhận dạng. ứng dụng của phương pháp này trong việc nhận dạng chữ viết, âm thanh. - Người máy: Cuối những năm 70, người máy trong công nghiệp đã đạt được nhiều tiến bộ. Người máy có bộ phận cảm nhận và các cơ chế hoạt 5 động được nối ghép theo sự điều khiển thông minh. Khoa học về cơ học và Trí tuệ nhân tạo được tích hợp trong khoa học người máy. - Tâm lý học xử lý thông tin : Các kết quả nghiên cứu của tâm lý học giúp Trí tuệ nhân tạo xây dựng các cơ chế trả lời theo hành vi, có ý thức; nó giúp cho việc thực hiện các suy diễn mang tính người. - Ngoài ra, xử lý danh sách, kỹ thuật đệ quy, kỹ thuật quay lui và xử lý cú pháp hình thức là những kỹ thuật cơ bản của tin học truyền thống có liên quan trực tiếp đến Trí tuệ nhân tạo. 2. Lịch sử phát triển của Trí Tuệ Nhân Tạo. Lịch sử của Trí tuệ nhân tạo cho thấy ngành khoa học này có nhiều kết quả đáng ghi nhận. Theo các mốc phát triển, người ta thấy Trí tuệ nhân tạo được sinh ra từ những năm 50 với các sự kiện sau: Turing được coi là người khai sinh ngành Trí tuệ nhân tạo bởi phát hiện của ông về máy tính có thể lưu trữ chương trình và dữ liệu. Tháng 8/1956 J.Mc Carthy, M. Minsky, A. Newell, Shannon. Simon , đưa ra khái niêm “trí tuệ nhân tạo”. Vào khoảng năm 1960 tại Đại học MIT (Massachussets Institure of Technology) ngôn ngữ LISP ra đời, phù hợp với các nhu cầu xử lý đặc trưng của trí tuệ nhân tạo - đó là ngôn ngữ lập trình đầu tiên dùng cho trí tuệ nhân tạo. Thuật ngữ Trí tuệ nhân tạo được dùng đầu tiên vào năm 1961 cũng tại MIT. Những năm 60 là giai đoạn lạc quan cao độ về khả năng làm cho máy tính biết suy nghĩ. Trong giai đoạn này người ta đã được chứng kiến máy chơi cờ đầu tiên và các chương trình chứng minh định lý tự động. 6 Cụ thể: 1961: Chương trình tính tích phân bất định 1963: Các chương trình Heuristics: Chương trình chứng minh các định lý hình học không gian có tên là “tương tự”, chương trình chơi cờ của Samuel. 1964: Chương trình giải phương trình đại số sơ cấp, chương trình trợ giúp ELIZA (có khả năng làm việc giống như một chuyên gia phân tich tâm lý). 1966: Chương trình phân tích và tổng hợp tiếng nói 1968: Chương trình điều khiển người máy (Robot) theo đồ án “Mát – tay”, chương trình học nói. Vào những năm 60, do giới hạn khả năng của các thiết bị, bộ nhớ và đặc biệt là yếu tố thời gian thực hiện nên có sự khó khăn trong việc tổng quát hoá các kết quả cụ thể vào trong một chương trình mềm dẻo thông minh. Vào những năm 70, máy tính với bộ nhớ lớn và tốc độ tính toán nhanh nhưng các phương pháp tiếp cận Trí tuệ nhân tạo cũ vẫn thất bại (do sự bùng nổ tổ hợp trong quá trình tìm kiếm lời giải các bài toán đặt ra). Vào cuối những năm 70 một vài kết quả như xử lý ngôn ngữ tự nhiên, biểu diễn tri thức và giải quyết vấn đề. Những kết quả đó đã tạo điều kiện cho sản phẩm thương mại đầu tiên của Trí tuệ nhân tạo ra đời đó là Hệ chuyên gia, được đem áp dụng trong các lĩnh vực khác nhau (Hệ chuyên gia là một phần mềm máy tính chứa các thông tin và tri thức về một lĩnh vực cụ thể nào đó, có khả năng giải quyết những yêu cầu của người sử dụng trong một mức độ nào đó, ở một trình độ như một chuyên gia con người có kinh nghiệm khá lâu năm). Một sự kiện quan trọng vào những năm 70 là sự ra đời ngôn ngữ Prolog, tương tự LISP nhưng nó có cơ sở dữ liệu đi kèm. 7 Vào những năm 80, thị trường các sản phẩm dân dụng đã có khá nhiều sản phẩm ở trình đô cao như: máy giặt, máy ảnh,... sử dụng Trí tuệ nhân tạo. Các hệ thống nhận dạng và xử lý ảnh, tiếng nói. Những năm 90, các nghiên cứu nhằm vào cài đặt thành phần thông minh trong các hệ thống thông tin, gọi chung là cài đặt trí tuệ nhân tạo, làm rõ hơn các ngành của khoa học Trí tuệ nhân tạo và tiến hành các nghiên cứu mới, đặc biệt là nghiên cứu về cơ chế suy lý, về Trí tuệ nhân tạo phân tạo, về các mô hình tương tác. Những đặc trưng của Trí tuệ nhân tạo Trí tuệ nhân tạo xử lý thông tin theo trật tự ký hiệu. Các thông tin gồm: khái niệm, luật, các đối tượng ? dùng cho suy lý. Khái niệm cơ bản trong Trí tuệ nhân tạo là sự thể hiện, suy lý, nhận biết, việc học và hệ thống cơ sở tri thức. Phương pháp may rủi hay được dùng trong Trí tuệ nhân tạo. Phương pháp này cho phép giải hai lớp bài toán khó. Thứ nhất là những bài toán chưa có thuật giải ( bài toán nhận biết, ra quyết định). Thứ hai là các bài toán đã có thuật giải nhưng độ phức tạp lớn ( chẳng hạn bài toán chơi cờ). Trí tuệ nhân tạo xét đến những thông tin không đầy đủ, không chính xác, có vẻ mâu thuẫn. Tuy vậy, các kết quả của Trí tuệ nhân tạo là cụ thể. Việc tương tác người- máy đi đôi với nhận biết tự động là cần thiết trong Trí tuệ nhân tạo. Các bài toán nhận dạng là ví dụ về yêu cầu này. Trí tuệ nhân tạo liên quan đến nhiều lĩnh vực, như các kỹ thuật mới, logic học, khoa học nhận biết, ngôn ngữ học, khoa học về tổ chức, thần kinh học. Trí tuệ nhân tạo còn nằm trong các lĩnh vực nghiên cứu nâng cao, các đề án nghiên cứu quan trọng. 8 3. Một số vấn đề Trí tuệ Nhân tạo quan tâm. Những vấn đề chung Khoa học Trí tuệ nhân tạo liên quan đến cảm giác, tri giác và cả quá trình tư duy thông qua các hành vi, giao tiếp. Nó có các định hướng nghiên cứu, ứng dụng sau: 1- Tìm và nghiên cứu các thủ tục giúp con người tiến hành các hoạt động sáng tạo. Công việc sáng tạo được thực hiện trên mô hình theo cấu trúc, chức năng và sử dụng công nghệ thông tin. 2- Dùng ngôn ngữ tự nhiên. Trước hết là ngôn ngữ được dùng để thể hiện tri thức, tiếp thu và chuyển hoá sang dạng có thể xử lý được. 3- Hình thức hoá các khía cạnh, các hành vi liên quan đến Trí tuệ nhân tạo. Do vậy có thể xây dựng các bài toán mang tính người và thông minh. Các hoạt động lớn trong Trí tuệ nhân tạo bao gồm: chứng minh định lý, xử lý ngôn ngữ tự nhiên, hiểu tiếng nói, phân tích ảnh và hình, người máy và hệ chuyên gia. Về cài đặt hệ thống, khuynh hướng hiện tại của Trí tuệ nhân tạo là cài đặt các hệ Trí tuệ nhân tạo trong các hệ thống khác, đặc biệt là trong các hệ thống tin học. Những vấn đề chưa được giải quyết trong Trí tuệ nhân tạo Những thành tựu nghiên cứ ... ,k), exit - Nếu (i,j) E: Tìm k sao cho c[i,k]=max {c[l,k]/ l T[i] and dau[i,l]}: Nếu có (d=c[l,k]): dau[i,l]=false, push(i,j,d), Leodoi(k,j) Ngược lại (d=0): pop(k,j,d), leodoi(k,j) Dữ liệu đựơc thiết kế như sau: - Mảng A lưu danh sách các cung của đồ thị G - S là stack lưu danh sách các đỉnh sẽ được xét và Top là đỉnh của S - i0, j0 là đỉnh xuất phát và đỉnh kết thúc - Toàn bộ thông tin được lưu trong file dạng Text có cấu trúc như sau: dòng đầu lưu m (số cung của đồ thị), i0, j0; m dòng tiép theo mỗi dòng chứa thông tin của mộtcung đồ thị G (đỉnh đầu, đỉnh cuối và độ dài cung). Procedure Leodoi; Type cung = record dau, cuoi: byte; kc: word; end; Var S, A: array[1..50] of cung; B: array[1..50] of boolean; 68 m,i0,j0, Top: byte; Procedure Khoitao; Var f: text; l: byte; d: word; tenfile: string; begin write(‘Nhap ten file: ‘); readln(tenfile); assign(f,tenfile); reset(f); readln(f,m,i0,j0); for l:=1 to m do with A[l] do readln(f,dau, cuoi, kc); fillchar(B, l, false); Top:= 0; end; Procedure Pop( Var i,j: byte; var d: word); {Lấy một bản ghi (i,j,d) từ S} begin with S[Top] do begin i:= dau; j:= cuoi; d:= kc; end; 69 dec(Top); end; Procedure TimKiem(i: byte; Var j: byte; var d: word); { Tìm cung (i,j) có c[i,j] lớn nhất, nếu có thì d = c[i,j] và đấnh dấu cung ơi,jư là true, ngược lại d = 0 } Var l,p: byte; begin d:=0; for l:= 1 to m do if (A[l].dau = i) and (A[l].kc > d) and not B[l] then begin j:= A[l].cuoi; p:= l; d:= A[l].kc; end; B[l]:= true; end; Function DenDich(i,j: byte; var d:word): boolean; Var l: byte; begin for l:= 1 to m do if (A[l].dau = i) and (A[l].cuoi = j) then begin d:= A[l].kc; DenDich:= true; 70 end else begin DenDich:= false; d:= 0; end; end; Procedure Inkq(j:byte); Var d:word; k: byte; begin d:=0; for k:= 1 to Top do begin write(S[k].dau); d:=d + S[k].kc; end; writeln(j); writeln(‘ Chi phi: ‘,d); end; Procedure Duongdi(i,j: byte); Var k,d: byte; Begin if Dendich(i,j) then begin 71 push(i,j,d); inkq(j); exit; end; Timkiem(i,k,d); if d > 0 then begin push(i,j,d); duongdi(k,j); end else if Top > 0 then begin pop(i,j,d); duongdi(i,j); end else writeln(‘Khong co duong di’); end; Begin {leo doi} Khoitao; Duongdi(i0,j0); end; 72 11. Bài tập. Bài tập 1. Cho ma trận kề A= (aij) biểu diễn một đồ thị vô hướng G = (V,E) dưới đây: trong đó aij= nếu (i,j) E, ngược lại aij là chi phí để đi từ đỉnh i sang đỉnh j. a. Hãy tìm đường đi từ đỉnh 1 sang đỉnh 4 theo các phương pháp tìm kiếm rộng và tìm kiếm sâu. b. Tìm đường đi ngắn nhất từ đỉnh 1 sang đỉnh 4 Lời giải - Vẽ đồ thị G được biểu diễn bởi ma trận kề A ở trên 1 2 2 3 6 5 4 5 6 8 3 34 7 0263 2058 503 68307 3704 40 73 - Phương pháp duyệt rộng n t(n) open close 1 2 3 6 4 dich dừng 2 1, 3, 6 2, 4, 5, 6 2, 3, 5 1 2 3, 6 6, 4, 5 4, 5 1 1, 2 1, 2, 3 1, 2, 3, 6 Đường đi từ đỉnh 1 đến đỉnh 4 theo phương pháp duyệt rộng là: 1 2 3 4 - Phương pháp duyệt sâu n t(n) open close 1 2 6 5 4 dich dừng 2 1, 3, 6 2, 3, 5 3, 4, 6 1 2 3, 6 3, 5 3, 4 1 1, 2 1, 2, 6 1, 2, 6, 5 Đường đi từ đỉnh 1 đến đỉnh 4 theo phương pháp duyệt sâu là: 1 2 6 5 4 - Phương pháp tìm kiếm cực tiểu n t(n) open close 1 2 6 5 3 4 DICH dừng 2 1, 3, 6 2, 3, 5 3, 4, 6 2, 4, 5, 6 10 24 311, 67 311, 59 311, 414 414 1 1, 2 1, 2, 6 1, 2, 6, 5 1, 2, 6, 5, 3 Vậy đường đi ngắn nhất: 1 2 6 5 4 với chi phí 14 74 Bài tập 2. Người ta sử dụng hai bình chứa có dung tích lần lượt là 3(lít) và 4(lít) để đong 2(lít) nước. giả sử lượng nước được lấy từ vòi không hạn chế và công để lấy nước từ vòi cho đầy một bình là 3, công để đổ nước trong một bình ra ngoài là 2 và đổ nước từ bình này sang bình khác thì tốn công là 5. Hãy chỉ ra quá trình tìm kiếm lời giải bằng phương pháp tìm kiếm theo chiều rộng và tìm kiếm leo đồi. Lời giải - Phương pháp tìm kiếm theo chiều rộng n t(n) open close (0,0) (0,4) (3,0) (3,4) (3,1) (0,3) (0,1) (3,3) (1,0) (2,4) (0,4), (3,0) (0,0), (3,4), (3,1) (0,0), (3,4), (0,3) (0,4), (3,0) (0,1), (3,0), (3,4), (0,4) (0,0), (0,4), (3,3), (3,0) (0,0), (3,1), (0,4), (1,0) (0,3), (3,0), (2,4) (0,0), (3,0), (1,4), (0,1) (0,0) (0,4), (3,0) (3,0), (3,4), (3,1) (3,4), (3,1), (0,3) (3,1), (0,3) (0,3), (0,1) (0,1), (3,3) (3,3), (1,0) (1,0), (2,4) (2,4), (1,4), (0,0) (0,0), (0,4) (0,0),(0,4),(3,0) (0,0),(0,4),(3,0), (3,4) (0,0),(0,4),(3,0), (3,4), (3,1) (0,0),(0,4),(3,0), (3,4), (3,1), (0,3) (0,0),(0,4),(3,0), (3,4), (3,1), (0,3), (0,1) (0,0),(0,4),(3,0), (3,4), (3,1), (0,3), (0,1), (3,3) (0,0),(0,4),(3,0), (3,4), (3,1), (0,3), (0,1), (3,3), (1,0) Quá trình đong nước theo phương pháp duyệt rộng là: (0,0) (3,0) (0,3) (3,3) (2,4) 75 - Phương tìm kiếm leo đồi (giả thiết đỉnh kề với đỉnh đang xáe và có khoảng cách đên đỉnh đó lớn nhất là đỉnh có triển vọng đến đích nhất) ((0,0), (2,4)) E k= (3,0) c[(0,0), (3,0)]=5 ((3,0), (2,4)) E k= (0,3) c[(3,0), (0,3)]=5 ((0,3), (2,4)) e k= (3,3) c[(0,3), (3,3)]=5 ((3,3), (2,4)) E dừng c[(3,3), (2,4)]=5 Quá trình đong nước theo phương pháp leo đồi là: (0,0) (3,0) (0,3) (3,3) (2,4) với chi phí 20 Bài tập 3. Đại dương được xem như là một mặt phẳng toạ độ trên đó có n hòn đảo với toạ độ lần lượt là (x1, y1), (x2, y2), , (xn, yn). Một chiếc ca nô xuất phát từ đảo d1 muốn tuần tra đến đảo d2. bình xăng của ca nô chỉ chứa đủ xăng để đi được một quãng đường dài không quá m (km). Trên đường đi ca nô có thể ghé một số đảo nào đó để tiếp thêm xăng, lúc này ca nô được tiếp thêm xăng đầy bình chứa. Hãy chỉ ra một đường đi từ đảo d1 đến đảo d2 sao cho số lần ghé đảo trung gian để tiếp thêm xăng là ít nhất. Hướng dẫn Ta xem hai đảo là kề nhau nếu khoảng cách giữa chúng không vượt quá m (km). Bài toán cần tìm đường đi từ đảo d1 đến đảo d2 thông qua các đảo kề nhau. Thuật toán tìm kiếm theo chiều rộng cho phép tìm đường tìm ra đường đi nối hai đảo qua ít cạnh trung gian nhất (tức là ít đảo trung gian nhất). Dữ liệu vào lưu trong file dạng text, dòng đầu chứa số đảo n, dòng thứ hai chứa khoảng cách lớn nhất cano có thể đi liên tục, n dònh tiếp theo mỗi dòng chứa hai giá trị tương ứng với toạ độ của mỗi đảo. 76 Bài tập 4. Một mạng lưới giao thông giữa n thành phố (các thành phố được đánh số từ 1 đến n) được cho bởi ma trận a=(aij)n*n , trong đó: 0, nếu không có đường đi trực tiếp từ i đến j aij= 1, nếu có đường đi trực tiếp từ i đến j và là đường đi an toàn 2, nếu có đường đi trực tiếp từ i đến j nhưng phải qua một chặng đường nguy hiểm Quy ước: aii=1, i =1..n Cho trước hai thành phố i0, i1. hãy tìm một đường đi từ i0 đến i1 sao cho số chặng đường nguy hiểm phải đi qua là ít nhất. Hướng dẫn: Trước hết phải xác định đồ thị biểu diễn bài toán. Ở đây dễ thấy rằng mỗi thành phố tương ứng với một đỉnh của đồ thị, vấn đề chỉ còn xác định tập cung E căn cứ vào giả thiết của bài toán. Bài tập 5. Cho bảng vuông gồm m*n ô. Trên mỗi ô ghi số 0 hay 1. a. Từ một ô nào đó có thể chuyển sang ô chứa số 1 có chung cạnh với nó. giả sử đang ở ô (h,c). Hãy tìm xem có cách di chuyển từ ô này ra một ô ở mép bảng hay không? Tìm cách chuyển qua ít ô nhất. b. Một miền của bảng là tập hợp các ô có chung cạnh và có cùng giá trị. hãy đếm xem bảng có bao nhiêu miền. miền lớn nhất có bao nhiêu ô. c. Cho phép thay đổi giá trị tất cả các ô trong cùng một miền. Hãy xác định miền cần thay đổi để số miền giảm nhiều nhất. d. Hãy xác định miền cần thay đổi để thu được một miền mới lớn nhất. Hướng dẫn: Mỗi ô tương ứng với một đỉnh của đồ thị. Hai đỉnh kề nhau khi và chỉ khi hai ô tương ứng có thể chuyển sang nhau. Mỗi miền của bảng tương ứng với một miền liên thông của đồ thị. 77 Bài tập 6. Lập chương trình đối với bài toán đong nước, với các số m, n, k là các số dương bất kỳ được nhập từ bàn phím khi thực hiện chương trình. Hướng dẫn: Sử dụng thuật toán tìm kiếm rộng sẽ cho số lần thao tác là ít nhất. Bài tập 7. Một toà lâu đài được mô tả bằng một hình chữ nhật có m*n ô. Giữa các ô có một số bức tưòng ngăn cách chia lâu đài thành các phòng. Như vậy, mỗi phòng tương ứng với tập các ô thông nhau. Tại ô (i,j), cho biết thông tin có tường ngăn giữa ô này với bốn ô kề với nó không bởi giá trị aij là một số nhị phân 4 chữ số tương ứng ô (i,j) có (1) hoặc không có (0) tường ở phía Tây, Bắc, Đông, Nam. Ví dụ aij = 1001 có nghĩa là ô (i,j) có tường ở phía Tây và Nam, nhưng không có tường ở phía Bắc và Đông. Hãy viết chương trình thực hiện các yêu cầu sau: a. Đếm số phòng của toà lâu đài. b. Cho biết phòng lớn nhất có diện tích là bao nhiêu ô. c. Cho biết nên phá bức tường ngăn hai phòng nào để được một phòng mới có diện tích lớn nhất. Hương dẫn: Giá trị aij có thể nhận tương ứng với số thập phân từ 0 đến 15. Vì vậy ta lưu dữ liệu trong file dạng text có cấu trúc như sau: dòng đầu chứa hai số m,n. Từ dòng thứ hai đến dòng thứ m+1, chứa các hàng của ma trận A = (aij). Kết quả đưa ra file dạng text có cấu trúc như sau: dòng đầu chứa số phòng, dònh hai chứa diện tíach phòng lớn nhất và dong ba chứa hàng, cột, hướng của bức tường cần phá. Chẳng hạn dữ liệu vào là 4 6 11 6 11 6 3 10 6 7 9 6 13 5 15 5 1 10 12 7 13 7 5 13 11 10 8 10 12 13 78 Dữ liệu ra sẽ là: 5 9 4 1 Dong Bài tập 8. Một sân chơi hình chữ nhật gồm m*n ô đơn vị. Trên mỗi ô (i,j) có đóng các trụ bê tông chiều cao aij. Giả thiết nước không thấm qua được các cạnh giữa hai trụ bê tông kề nhau. Sau một trận mưa đủ lớn, hãy tính nước đọng lại trên sân. Hướng dẫn Chia nước thành từng tầng có chiều cao bằng 1. Tính thể tích nước đọng trên mỗi tầng theo thuật toán loang tìm thành phần liên thông. Bài tập 9. Tìm 2 chữ số phân biệt a và b sao cho thoã mãn hai điều kiện sau: a. a2b chia hết cho 3 b. a2b - ab=110 Bài tập 10. Gảii bài toán đoán chữ sau DONALD CROSS + GERALD + ROADS ROBERT DANGER 79 Bài tập 11. Cho số có hai chữ số. Nếu viết thêm hai chữ số về bên phải số đó thì được số mới lớn hơn số đã ho là 1986 đơn vị. Hãy tìm số đã cho và hai chữ số viết thêm đó. Bài tập 12. Giải bài toán đoán chữ sau: T + TH THA THAN 4321 Chương trình tham khảo Program cano_di_tuan; { Bài tập 3} uses crt; type dao = record x,y: integer; end; var n,d1,d2,so: byte; m: word; a: array[byte] of dao; b: array[byte] of boolean; tr: array[byte] of byte; procedure nhap; var f: text; s: string[20]; 80 i: byte; begin clrscr; write('ten file du lieu:'); readln(s); assign(f,s); reset(f); readln(f,n); readln(f,m); for i:=1 to n do with a[i] do readln(f,x,y); close(f); end; procedure indulieu; var i: byte; begin writeln('so dao:',n); writeln('gioi han khoang cach:',m); for i:=1 to n do with a[i] do writeln('toa do dao ',i,' : (',x,',',y,')'); end; procedure khoitao; var i: byte; begin for i:=1 to n do 81 b[i]:= true; end; function kc(i,j: byte):real; begin kc:= sqrt(sqr(a[i].x-a[j].x)+sqr(a[i].y-a[j].y)); end; procedure bfs(i: byte); var j,k,d,c: byte; q: array[byte] of byte; begin d:=1; c:=1; q[1]:=i; b[i]:= false; while d<=c do begin j:= q[d]; d:=d+1; for k:=1 to n do if b[k] and (kc(k,j) <= m) then begin c:=c+1; q[c]:=k; b[k]:= false; tr[k]:=j; end; 82 end; end; procedure inketqua; var i:byte; begin write('duong di ghe dao it nhat nhu sau: '); write(d1); i:=d1; so:=0; while id2 do begin write('-->',tr[i]); so:=so+1; i:=tr[i]; end; writeln; writeln('duong di tren ghe qua ',so-1,' dao'); end; procedure timduongdi; begin write('dao xuat phat: '); readln(d1); write('dao ket thuc: '); readln(d2); bfs(d2); if b[d2] then write('khong co duong di tu ',d1,' den ',d2) 83 else inketqua; readln; end; BEGIN nhap; khoitao; indulieu; timduongdi; END. Program laudai; { Bài tập 7} uses crt; type size = 0..100; var m,n,so,p,hang,cot: size; A:array[size,size] of 0..15; ph: array[size,size] of word; S: array[size] of word; dt: word; huong: string[4]; procedure nhap; var f: text; i,j: size; begin clrscr; 84 assign(f,'input.pas'); reset(f); read(f,m,n); for i:=1 to m do for j:=1 to n do read(f,A[i,j]); close(f); end; procedure khoitao; var i,j: size; begin for i:=1 to m do for j:=1 to n do ph[i,j]:=0; so:=0; end; procedure bfs(i,j: size); var qh,qc: array[size] of size; d,c,k,l: size; begin ph[i,j]:= so; d:=1; c:=1; qh[1]:=i; qc[1]:=j; 85 while d<=c do begin k:= qh[d]; l:= qc[d]; d:=d+1; if A[k,l]>=8 then S[k,l]:=A[k,l]-8 else if (k<m) and (ph[k+1,l]=0) then begin c:=c+1; qh[c]:=k+1; qc[c]:=1; ph[k+1,l]:=so; end; if A[k,l]>=4 then A[k,l]:=A[k,l]-4 else if (l<n) and (ph[k,l+1] = 0) then begin c:=c+1; qh[c]:=k; qc[c]:=l+1; ph[k,l+1]:=so; end; if A[k,l]>=2 then A[k,l]:= A[k,l]-2 else if (k>1) and (ph[k-1,l] = 0) then 86 begin c:=c+1; qh[c]:=k-1; qc[c]:=l; ph[k-1,l]:=so; end; if A[k,l] >=1 then A[k,l]:= A[k,l]-1 else if (l>1) and (ph[k,l-1]=0) then begin c:=c+1; qh[c]:=k; qc[c]:=l-1; ph[k,l-1]:=so; end; end; end; procedure demphong; var i,j: size; begin for i:=1 to m do for j:=1 to n do if ph[i,j] = 0 then begin so:= so+1; bfs(i,j); 87 end; end; procedure smax; var i: word; j,k: size; begin dt:=0; for i:=1 to so do begin S[i]:=0; for j:=1 to m do for k:=1 to n do if ph[j,k]=i then S[i]:= S[i]+1; if S[i] > dt then dt:= S[i]; end; end; procedure phatuong; { Chỉ cần phá phía Đông hoặc phía Nam, phía Tây của ô (i,j) tương ứng là phía Đông của ô (i,j-1), tươnh tự, phía Bắc của ô (i,j) tương ứng phía Nam của ô (i- 1,j)} var i,j: size; max,tg: word; begin max:=0; for i:=1 to m do 88 for j:=1 to n do begin if i< m then if ph[i,j] ph[i+1,j] then begin tg:= S[ph[i,j]] + S[ph[i+1,j]]; if tg >= max then begin hang :=i; cot:=j; huong:= 'nam'; max:= tg; end; end; if j<n then if ph[i,j] ph[i,j+1] then begin tg:= S[ph[i,j]] + S[ph[i,j+1]]; if tg >= max then begin hang:=i; cot:=j; huong:= 'dong'; max:= tg; end; end; end; end; 89 procedure inkq; var i,j: size; f: text; begin assign(f,'out.pas'); rewrite(f); writeln(f,so); writeln(f,dt); writeln(f,hang,' ',cot,' ',huong); close(f); end; BEGIN nhap; khoitao; demphong; smax; phatuong; inkq; END.
File đính kèm:
- giao_trinh_tri_tue_nhan_tao_phan_1.pdf