Đề tài Ứng dụng nguyên tắc (thủ thuật) sáng tạo cơ bản trong phần mềm matlab

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - --------------  --------------- KHOA: MẠNG MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG MÔN : PHƯƠNG PHÁP LUẬN SÁNG TẠO – KHOA HỌC Đề tài : ỨNG DỤNG NGUYÊN TẮC (THỦ THUẬT) SÁNG TẠO CƠ BẢN TRONG PHẦN MỀM MATLAB GVHD :GS-TSKH. Hoàng Văn Kiếm Thực hiện:Tạ Lê Thủy Tiên MSHV:CH1101144 Niên khóa: 2011 – 2013 Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo cơ bản trong phần mềm mathlab Trang 2 Tạ Lê Thuỷ Tiên – CH1101144 LỜI NÓI ĐẦU: ỗi người làm việc, không thể không suy nghĩ và đòi hỏi cải tiến công việc phải là cơ sở cho mọi suy nghĩ của chúng ta. Tư duy sáng tạo là tài nguyên cơ bản nhất của mỗi con người. Chúng ta cần sáng tạo vì chúng ta cảm thấy rằng, mọi việc cần được thực hiện theo cách đơn giản hơn và tốt hơn. Sáng tạo gắn liền với sự thay đổi, đưa ra cái mới (đổi mới), sáng chế, các ý tưởng mới, các phương án lựa chọn mới. Mọi người có thể dùng tính sáng tạo của mình để đặt vấn đề một cách bao quát, phát triển các phương án lựa chọn, làm phong phú các khả năng và tưởng tượng các hậu quả có thể nảy sinh. Sự sáng tạo nảy sinh ở mọi tầng lớp và mọi giai đoạn trong cuộc sống của chúng ta.Nhà toán học vĩ đại Poincaré có nói: "Trong sáng tạo khoa học, ý tưởng chỉ là những ánh chớp, nhưng ánh chớp đó là tất cả", hay lời của một nhà khoa học vĩ đại khác, Linus Pauling, khi trả lời câu hỏi làm thế nào người ta sáng tạo ra được các lý thuyết khoa học: "Người ta phải cố nắm bắt được nhiều ý tưởng" và "con đường để có được một ý tưởng tốt là có thật nhiều ý tưởng". Tóm lại, bạn làm được gì mới, khác và có ích lợi, đấy là sáng tạo. "Phương pháp luận sáng tạo" là bộ môn khoa học có mục đích trang bị cho người học hệ thống các phương pháp, các kỹ năng thực hành về suy nghĩ để giải quyết các vấn đề và ra quyết định một cách sáng tạo, về lâu dài, tiến tới điều khiển được tư duy. Có người đưa ra định nghĩa về đời người như sau: Cuộc đời là chuỗi các vấn đề cần phải giải quyết và chuỗi các quyết định cần phải ra. Quả thật, mỗi người chúng ta trong cuộc đời của mình gặp biết bao vấn đề, từ chuyện mua sắm, học hành, quan hệ giao tiếp đến chọn ngành nghề, nơi ở, thu nhập, xã hội… phải suy nghĩ để giải quyết và ra quyết định xem phải làm gì và làm như thế nào. Như vậy thấy rằng đối tượng và mục đích của bộ môn khoa học này lại hết sức gần gũi với mỗi người. Theo các nhà nghiên cứu, khoa học này ứng với "làn sóng thứ tư" trong quá trình phát triển của loài người, sau nông nghiệp, công nghiệp và tin học. Làn sóng thứ tư ứng với Creatology (hay còn gọi là thời đại hậu tin học) chính là sự nhấn mạnh vai trò chủ thể tư duy sáng tạo của loài người trong thế kỷ XXI. Sau khi tham dự môn học về “Phương pháp lí luận sáng tạo khoa học” tại trường Đại học Công Nghệ Thông Tin do thầy GS-TSKH Hoàng Văn Kiếm giảng dạy , tôi đã có những kiến thức căn bản về các nguyên lí sáng tạo. Vận dụng các nguyên lí sáng tạo vào nghiên cứu khoa học là rất quan trọng. Nó giúp các ứng dụng sáng tạo hoạt động linh hoạt và hiệu quả, mang lại những kết quả ưu việt nhất; đồng thời M Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo cơ bản trong phần mềm mathlab Trang 3 Tạ Lê Thuỷ Tiên – CH1101144 chống lại thói quen suy nghĩ theo lối mòn và tính ì tâm lí. Thời gian qua, tôi đã tìm hiểu về phần mềm Matlab – phần mềm được ứng dụng rộng rãi trong giáo dục và kỹ thuật, một công cụ hữu ích để giải những bài toán giải tích và những bài toán số, ma trận và mô phỏng. Đây là phần mềm đã không ngừng hoàn thiện và phát triển, ngày càng trở nên phổ biến rộng rãi và không thể thiếu trong các ngành kỹ thuật thiết kế và chế tạo. Trong phạm vi đề tài này, tôi muốn chia sẽ những thông tin và những hiểu biết của bản thân về những gì tôi đã tìm hiểu được từ Matlab và những áp dụng của phương pháp lí luận sáng tạo mà tôi tìm thấy ở đây. Mong rằng sẽ được sự đón nhận của thầy và các bạn! Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo cơ bản trong phần mềm mathlab Trang 4 Tạ Lê Thuỷ Tiên – CH1101144 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo cơ bản trong phần mềm mathlab Trang 5 Tạ Lê Thuỷ Tiên – CH1101144 MỤCLỤC: LỜI NÓI ĐẦU: ............................................................................................................................. 2 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ......................................................................... 4 MỤCLỤC: ................................................................................................................................... 5 I. Giới thiệu về Phương pháp luận sáng tạo (TRIZ), ............................................................ 6 II. Giới thiệu về phần mềm Matlab ..................................................................................... 6 A. Cấu trúc dữ liệu của Matlab ........................................................................................... 6 B. Ứng dụng ......................................................................................................................... 6 C. Hệ thống .......................................................................................................................... 7 1. Môi trường phát triển. ................................................................................................ 7 2. Thư viện các hàm toán học. ........................................................................................ 7 3. Ngôn ngữ Matlab......................................................................................................... 7 4. Đồ họa trong Matlab. .................................................................................................. 7 5. Giao tiếp với ngôn ngữ khác như C và Fortran ......................................................... 7 III. Ứng dụng của TRIZ vào Matlab ................................................................................ 7 1. Nguyên tắc phân nhỏ ...................................................................................................... 7 2. Nguyên tắc tách khỏi đối tượng ...................................................................................... 9 3. Nguyên tắc kết hợp ....................................................................................................... 12 4. Nguyên tắc vạn năng:.................................................................................................... 13 5. Nguyên tắc chứa trong:................................................................................................. 15 6. Nguyên tắc thực hiện sơ bộ ........................................................................................... 17 7. Nguyên tắc linh động: ................................................................................................... 18 IV. Kết luận ......................................................................................................................... 20 Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo cơ bản trong phần mềm mathlab Trang 6 Tạ Lê Thuỷ Tiên – CH1101144 I. Giới thiệu về Phương pháp luận sáng tạo (TRIZ), Phương pháp luận sáng tạo là hệ thống các phương pháp kĩ thuật tìm kiếm những giải pháp kỹ thuật mới (TRIZ), cho những kết quả khả quan, ổn định khi giải những bài toán khác nhau, thích hợp cho việc dạy và học của mọi người. Tiền đề cơ bản của TRIZ là: các hệ kỹ thuật phát triển tuân theo các quy luật khách quan, nhận thức được. Chúng được phát hiện và sử dụng để giải một cách có ý thức những bài toán sáng chế. TRIZ được xây dựng như là một khoa học chính xác, có lĩnh vực nghiên cứu riêng, các phương pháp riêng, ngôn ngữ riêng, các công cụ riêng. II. Giới thiệu về phần mềm Matlab Matlab là một ngôn ngữ lập trình thực hành bậc cao được sử dụng để giải các bài toán về kỹ thuật. Matlab thích hợp được việc tính toán, thể hiện kết quả, cho phép lập trình, giao diện làm việc rất dễ dàng cho người sử dụng. Dữ liệu cùng với thư viện được lập trình sẵn cho phép người sử dụng có thể có được những ứng dụng sau: + Sử dụng các hàm có sẳn trong thư viện, các phép tính toán học thông thường. + Cho phép lập trình tạo ra các ứng dụng mới. + Cho phép mô phỏng các mô hình thực tế. + Phân tích, khảo sát và hiển thị dữ liệu. + Với phần mềm đồ họa cực mạnh. + Cho phép phát triển, giao tiếp được với các phần mềm khác như C++, Fortran. A. Cấu trúc dữ liệu của Matlab Matlab là một hệ thống tương giao, các phần tử dữ liệu là một mảng (mảng này không đòi hỏi về kích thước). Chúng cho phép giải quyết các vấn đề liên quan đến lập trình bằng máy tính, đặc biệt sử dụng các phép tính về ma trận hay véc tơ và có thể sử dụng ngôn ngữ C hoặc Fortran lập trình rồi thực hiện ứng dụng lập trình đó bằng các câu lệnh gọi từ Matlab. Matlab là từ viết tắt từ chữ Matrix Laboratory tức là thư viện về ma trận, từ đó phần mềm Matlab được viết nhằm cung cấp cho việc truy cập vào phần mềm ma trận một cách dễ dàng. Dữ liệu của Matlab thể hiện dưới dạng ma trận, và có các kiểu dữ liệu: single; double; spares; int8, uint8, int16…; cell; char; structure B. Ứng dụng Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo cơ bản trong phần mềm mathlab Trang 7 Tạ Lê Thuỷ Tiên – CH1101144 Matlab tạo điều kiện thuận lợi cho: Các khoa học về toán học; các kỹ sư, các nhà nghiên cứu khoa học; Dùng Matlab để tính toán, nghiên cứu tạo ra các sản phẩm tốt nhất trong sản xuất. C. Hệ thống Hệ thống giao diện của Matlab được chia thành 5 phần. 1. Môi trường phát triển. Đây là nơi đặt các thanh công cụ, các phương tiện giúp chúng ta sử dụng các câu lệnh và các file, ta có thể liệt kê một số như sau, - Desktop - Command Window - Command History - Browsers for viewing help 2. Thư viện các hàm toán học. Bao gồm các cấu trúc như tính tổng, sin cosin atan …., các phép tính đơn giản đến các phép tính phức tạp như tính ma trận nghịch đảo, trị riêng…. 3. Ngôn ngữ Matlab. Đó là ngôn ngữ cao về ma trận và mảng, với các dòng lệnh, các hàm cấu trúc dữ liệu vào, có thể lập trình hướng đối tượng. 4. Đồ họa trong Matlab. Bao gồm các câu lệnh thể hiện đồ họa trong môi trường 2D và 3D, tạo các hình ảnh chuyển động, cung cấp các giao diện tương tác giữa người sử dụng và máy tính. 5. Giao tiếp với ngôn ngữ khác như C và Fortran III. Ứng dụng của TRIZ vào Matlab TRIZ ứng dụng rất nhiều vào thực tế cuộc sống. Nhiều phát minh sáng chế đã ra đời dựa trê ứng dụng TRIZ. Sáng tạo trong tin học cũng vậy, các vấn đề từ thuật giải bài toán, cho tới các nghiên cứu ứng dụng các công nghệ mới. Matlab cũng đã ứng dụng nhiều nguyên tắc sáng tạo TRIZ trong đó. Đi vào tìm hiểu tổng quan về Matlab, ta tìm hiểu TRIZ đã được ứng dụng vào đây như thế nào. 1. Nguyên tắc phân nhỏ Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo cơ bản trong phần mềm mathlab Trang 8 Tạ Lê Thuỷ Tiên – CH1101144 1.1 Cơ sở lý thuyết Nội dung: - Chia đối tượng thành các phần độc lập. - Làm đối tượng trở nên tháo lắp được. - Tăng mức độ phân nhỏ của đối tượng Nhận xét: 1- Từ "đối tượng" trong 40 nguyên tắc, cần hiểu theo nghiã rộng. Đó có thể bất kỳ cái gì có khả năng phân nhỏ được, không nhất thiết phải là đối tượng kỹ thuật. Tương tự như vậy đối với các thủ thuật khác có từ" đối tượng". 2- Thủ thuật này thường dùng trong những trường hợp khó làm "trọn gói", "nguyên khối", "một lần". Nói cách khác, phân nhỏ ra cho vừa sức, cho dễ thực hiện, cho phù hợp với những phương tiện hiện có.... 3- Phân nhỏ đặc biệt hay dùng trong những trường hợp cần có bề mặt tiếp xúc lớn như trong các phản ứng hoá học, tạo sự cháy nổ, trao đổi nhiệt, trao đổi nhiệt 4- Tháo lắp làm cho đối tượng trở nên nhỏ gọn, thuận tiện cho việc chuyên chở, xếp đặt và khả năng thay thế từng bộ phận đối tượng, kể cả việc mở rộng chức năng của từng bộ phận đó. 5- Cần tưởng tượng: nhờ phân nhỏ mà đối tượng, ban đầu ở thể rắn, chuyển dần sang dẻo, lỏng khí, plasma....., nói chung, có thể phân nhỏ đến vi mô. 6- Sự thay đổi về lượng dẫn đến sự thay đổi về chất, cho nên, phân nhỏ có thể làm đối tu7ọng có thêm những tính chất mới, thậm trí, ngược với tính chất đã có. 7- Nguyên tắc phân nhỏ hay dùng với các nguyên tắc 2. Tách khỏi, 3. Phẩm chất cục bộ, 5. Kết hợp, 6. Vạn năng, 15 Linh động... 1.2 Ứng dụng Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo cơ bản trong phần mềm mathlab Trang 9 Tạ Lê Thuỷ Tiên – CH1101144 Matlab có các toolbox dùng vào những mục đích chuyên biệt và hoạt động độc lập với nhau. + Signal Processing: xử lí tín hiệu DSP + Control System: hệ thống điều khiển + Symbolic Math: tính toán hình thức + Bioinformatics: sinh học + Curve fitting: Nội suy dãy điểm + Financial derivative: + Filler design HDL coder: vi mạch khả trinh( +… Phân Matlab ra thành những Toolbox nhỏ, mỗi Toolbox có những công cụ riêng biệt phục vụ chức năng của nó. Mỗi khi khởi động Matlab không cần phải khởi động tất cả Toolbox cùng lúc. Các Toolbox chứa lệnh đầy đủ chuyên biệt hơn, thời gian chạy ngắn hơn và ít tốn bộ nhớ khi chạy chương trình. 2. Nguyên tắc tách khỏi đối tượng 2.1 Cơ sở lý thuyêt Nội dung: Tách phần gây "phiền phức" (tính chất "phiền phức") hay ngược lại, tách phần duy nhất "cần thiết" (tính chất "cần thiết") ra khỏi đối tượng. Nhận xét: Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo cơ bản trong phần mềm mathlab Trang 10 Tạ Lê Thuỷ Tiên – CH1101144 1 - Đối tượng, thông thường, có nhiều thành phần (tính chất, khía cạnh, chức năng…), trong khi đó, người ta chỉ thực sự cần 1 trong những số đó. Vậy không nên dùng cả đối tượng vì sẽ tốn thêm chi phí hoặc vận chuyển không thuận tiện. Phải nghĩ cách tách cái cần thiết ra để sử dụng riêng. Tương tự như vậy đối với phần gây phiền phức, để khắc phục nhược điểm có trong đối tượng. 2 - Do tách khỏi đối tượng mà phần tách ra (hoặc phần giữ lại) có thêm những tính chất, những khả năng mới (nhiều khi, ngược với cái cũ). Do đó, cần tận dụng chúng. Những tính chất, những khả năng mới có thể là gọn hơn, linh động hơn, dễ thay thế, tăng tính điều khiển… 3 - Khi nói "tách khỏi" mới chỉ ra định hướng suy nghĩ, định hướng việc làm. Để trả lời câu hỏi "Làm thế nào để tách khỏi?" cần tham khảo cách làm ở những lĩnh vực chuyên về công việc đó như luyện kim, lọc, trích ly, chọn giống, giải phẫu, tuyển lựa… 4 - Nguyên tắc tách khỏi hay dùng với các nguyên tắc: 1. Phân nhỏ, 3. Phẩm chất cục bộ, 5. Kết hợp, 6. Vạn năng, 15. Linh động… 2.2 Ứng dụng Thông thường việc lập trình tính toán dưới các dòng lệnh phức tạp và gây khó hiểu cho người sử dụng. Matlab có công cụ trực quan là lập trình giao diện Guide. Lúc này, việc hiển thị code chương trình là không cần thiết, Guide chỉ cần cung cấp các checkbox, listbox, nút bấm, đồ thị,… với các thuộc tính, thông số thích hợp để điều chỉnh. Do đó, việc thiết kế Guide tách việc lập trình giao diện thành 2 đối tượng: .m file chứa các code để người lập trình điều khiển và figure chức các công cụ trực quan. Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo cơ bản trong phần mềm mathlab Trang 11 Tạ Lê Thuỷ Tiên – CH1101144 Giao diện figure .m file Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo cơ bản trong phần mềm mathlab Trang 12 Tạ Lê Thuỷ Tiên – CH1101144 Kết quả hiển thị Như vậy, việc sử dụng figure trở nên dễ dàng mà không bận tâm đến những dòng lệnh tạo đối tượng phức tạp. Đồng thời, việc viết code .m file cũng ngắn gọn hơn mà không bận tâm đến những dòng mã hiển thị và đồ họa dài dòng. Việc tách khỏi hai đối tượng này làm giảm bớt tính “phiền phức” và thể hiện cái “cần thiết” chính của mỗi đối tượng. 3. Nguyên tắc kết hợp 3.1 Cơ sở lý thuyết: Nội dung: - Chuyển đối tượng (hay môi trường bên ngoài, tác động bên ngoài) có cấu trúc đồng nhất thành không đồng nhất. - Các phần khác nhau của đối tượng phải có các chức năng khác nhau - Mỗi phần của đối tượng phải ở trong những điều kiện thích hợp nhất của công việc Nhận xét: 1- "Kế cận", không nên chỉ hiểu gần nhau về mặt vị trí hay chức năng, mà nên hiểu là có quan hệ với nhau, bổ xung cho nhau....do vậy, có thể có những kết hợp các đối tượng " ngược nhau" (ví dụ bút chì kết hợp với tẩy) . 2- "Kết hợp" cần hiểu theo nghiã rộng, không đơn thuần cộng thêm (kiểu số học) hay gắn thêm (kiểu cơ học), mà còn được hiểu chuyển giao, đưa vào những ý tưởng, tính chất, chức năng....từ những lĩnh vực hoặc những đối tượng khác. 3- Đối tượng mới, tạo nên do sự kết hợp, ,thường có những tính chất, khả năng mà Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo cơ bản trong phần mềm mathlab Trang 13 Tạ Lê Thuỷ Tiên – CH1101144 từng đối tượng riêng rẽ trước đây chưa có. điều này có nguyên nhân sâu xa là lượng đổi thì chất đổi và do tạo được sự thống nhất mới của các mặt đối lập. 4-Trong thực tế, các hiện tượng, quá trình, sự việc....thường hay đan xen nhau nên khả năng kết hợp luôn luôn có. do vậy, cần chú ý khai thác nguồn dự trữ này. 5- Nguyên tắc kết hợp thường hay sử dụng với 1. Nguyên tắc phân nhỏ, 3. Nguyên tắc phẩm chất cục bộ... Điều này phản ánh một khuynh hướng phát triển biện chứng: sự liên kết, hợp tác hoá thường đi kèm với sự phân công lao động và chuyên môn hoá. 3.2 Ứng dụng Nhưng ví dụ trên về lập trình giao diện Guide, ta nhận thấy nguyên tắc kết hợp đi kèm với nguyên tắc tách khỏi. Việc tách khỏi làm cho sử dụng đối tượng dễ dàng hơn, nhưng figure và .m file luôn đi kèm với nhau để hỗ trợ. .m file điều khiển các nút lệnh mà figure đã tạo. Một ví dụ nữa là công cụ tính toán hình thức MUPAD. Việc giải phương trình kết hợp với biểu diễn nghiệm bằng giao điểm trên đồ thị. Các lệnh solve, plot, plot3D, animate… được sử dụng kết hợp 4. Nguyên tắc vạn năng: 4.1 Cơ sở lý thuyết: Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo cơ bản trong phần mềm mathlab Trang 14 Tạ Lê Thuỷ Tiên – CH1101144 Nội dung: Đối tượng thực hiện một số chức năng khác nhau, do đó không cần sự tham gia của đối tượng khác. Nhận xét: - Nguyên tắc vạn năng là trường hợp riêng của nguyên tắc kết hợp: kết hợp về mặt chức năng trên cùng một đối tượng. - Nguyên tắc vạn năng, trước tiên và hay được dùng trong các lĩnh vực, tại đó có những sự hạn chế việc phát triển theo “chiều rộng” như khó có thể tăng thêm về trọng lượng, thể tích, diện tích… Các lĩnh vực đó là quân sự, hàng không, vũ trụ, thám hiểm, du lịch, các trang thiết bị dùng tại những nơi chật chội… - Nguyên tắc vạn năng còn được dùng với mục đích tăng mức độ tận dụng các nguồn dự trữ có trong đối tượng, do vậy, tiết kiệm được vật liệu, không gian, thời gian, năng lượng -Nguyên tắc vạn năng thường hay dùn