Tiểu luận Thuật toán di truyền cùng với logic mờ

Bài thu hoạch môn PP NCKH trong Tin học GVPT: GS.TSKH Hoàng Kiếm Học viên: Nguyễn Văn Phong(CH1101026) – khóa 6 Trang 1 Tiểu luận Thuật toán di truyền cùng với logic mờ Bài thu hoạch môn PP NCKH trong Tin học GVPT: GS.TSKH Hoàng Kiếm Học viên: Nguyễn Văn Phong(CH1101026) – khóa 6 Trang 2 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay nghiên cứu khoa học là một trong những hoạt động có tốc độ phát triển mạnh mẽ. Các thành tựu nghiên cứu khoa học đã được ứng dụng vào mọi lĩnh vực của cuộc sống. Khoa học đã làm đảo lộn nhiều quan niệm truyền thống, nó làm cho sức sản xuất xã hội tăng lên hàng trăm lần so với vài thập niên gần đây. Về phần mình, bản thân khoa học càng cần được nghiên cứu một cách khoa học. Một mặt, phải tổng kết thực tiễn nghiên cứu khoa học để khái quát những lý thuyết về quá trình sáng tạo khoa học; mặt khác, phải tìm ra được các biện pháp tổ chức, quản lý và nghiên cứu khoa học tốt hơn làm cho bộ máy khoa học vốn đã mạnh, lại phát triển mạnh hơn và đi đúng quỹ đạo hơn. Sự phát triển của khoa học hiện đại không những đem lại cho con người những hiểu biết sâu sắc về thế giới, mà còn đem lại cho con người cả những hiểu biết về phương pháp luận thế giới. Chính vì vậy mà phương pháp và phương pháp luận nghiên cứu khoa học đã gắn liền với hoạt động có ý thức của con người, là một trong những yếu tố quyết định sự thành công của hoạt động nhận thức và cải tạo thế giới Trong bài thu hoạch này em xin được trình bày một khái niệm liên quan đến khoa học cũng cách thức tiếp cận nghiên cứu khoa học và giới thiệu một ứng dụng cụ thể liên quan đến thuật toán di truyền. Qua đây, em xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Hoàng Kiếm, thầy đã tận tình truyền đạt cho chúng em những kiến thức cơ bản của môn học “Phương pháp nhiên cứu khoa học trong tin học”từ đó có cái nhìn tổng quát hơn về nghiên cứu khoa học.. MỤC LỤC Bài thu hoạch môn PP NCKH trong Tin học GVPT: GS.TSKH Hoàng Kiếm Học viên: Nguyễn Văn Phong(CH1101026) – khóa 6 Trang 3 PHẦN I PHƯƠNG PHÁP LUẬN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ............................. 3 1. Khoa học và Nghiên cứu khoa học ............................................................... 3 1.1. Khoa học............................................................................................................ 3 1.1.1. Các định nghĩa và khái niệm ........................................................................... 3 1.1.2. Phân loại ......................................................................................................... 3 1.2. Nghiên cứu khoa học ......................................................................................... 4 1.2.1. Khái niệm ....................................................................................................... 4 1.2.2. Phân loại ......................................................................................................... 4 1.2.2.1 Phân loại theo chức năng nghiên cứu ............................................................ 4 1.2.2.2. Phân loại theo tính chất của sản phẩm nghiên cứu ........................................ 5 1.2.2.3. Các đặc điểm của nghiên cứu khoa học ........................................................ 6 1.2.2.4 Các bước nghiên cứu .................................................................................... 7 2. Phương pháp Nghiên cứu khoa học ....................................................................... 8 2.1. Phương pháp chung trong NCKH ...................................................................... 8 2.1.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết .................................................................. 8 2.1.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ............................................................ 8 2.1.3. Phương pháp nghiên cứu phi thực nghiệm....................................................... 9 2.2. Phương pháp giải quyết vấn đề theo khoa học về phát minh, sáng chế ............... 9 PHẦN II GIỚI THIỆU MỘT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỤ THỂ ..................... 11 1. Ứng dụng giải thuật di truyền nâng cao chất lượng đề thi.................................... 11 1.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 11 1.2. Thuật giải di truyền .......................................................................................... 11 1.2.1. Đặc điểm, đặc trưng ...................................................................................... 11 1.2. Các thành phần của thuật toán di truyền ........................................................... 12 1.3. Mô hình bài toán ứng dụng thuật giải di truyền nâng cao chất lượng đề thi ...... 14 1.3.1. Giới thiệu bài toán......................................................................................... 14 1.3.2. Xây dựng cấu trúc dữ liệu bài toán ................................................................ 14 1.3.3. Giải thuật di truyền cho bài toán nâng cao nhất lượng đề thi ......................... 15 1.3.3.1. Phương pháp khởi tạo ................................................................................ 15 1.3.3.2. Toán tử lai ghép ......................................................................................... 16 1.3.3.3. Toán tử đột biến ......................................................................................... 17 1.3.3.4. Hàm thích nghi ........................................................................................... 18 1.3.3.4. Toán tử chọn lọc ........................................................................................ 19 PHẦN 3 KẾT LUẬN ............................................................................................. 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 22 PHẦN I PHƯƠNG PHÁP LUẬN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Bài thu hoạch môn PP NCKH trong Tin học GVPT: GS.TSKH Hoàng Kiếm Học viên: Nguyễn Văn Phong(CH1101026) – khóa 6 Trang 4 1. Khoa học và Nghiên cứu khoa học: 1.1. Khoa học: 1.1.1. Các định nghĩa và khái niệm: Khoa học được hiểu là “ hệ thống tri thức về mọi loại quy luât vật chất và sự vận động của vât chất, những quy luật của tự nhiên, xã hội, tư duy “. Hệ thống tri thức được nói ở đây là hệ thống tri thức khoa học, khác với tri thức kinh nghiệm. Tri thức kinh nghiệm là những hiểu biết được tích luỹ một cách ngẫu nhiên từ trong đời sống hàng ngày. Nhờ tri thức kinh nghiệm, con người có được những hình dung thực tế về các sự vật, biết cách phản ứng trước tự nhiên, biết ứng xử trong các quan hệ xã hội. tri thức kinh nghiệm ngày càng trở nên phong phú, chứa đựng những mặt đúng đắn, nhưng riêng biệt chưa thể đi sâu vào bản chất các sự vật, và do vậy tri thức kinh nghiệm chỉ giúp cho con người phát triển đến một khuôn khổ nhất định. Tuy nhiên, tri thức kinh nghiệm luôn là một cơ sở quan trọng cho sự hình thành các tri thức khoa học. Tri thức khoa học là những hiểu biết được tích lũy một cách hệ thống nhờ hoạt động nghiên cứu khoa học, là loại hoạt động được vạch sẳn theo một mục tiêu xác định và được tiến hành dựa trên những phương pháp khoa học. Tri thức khoa học không phải là sự kế tục giản đơn các tri thức kinh nghiệm, mà là sự tổng kết những tập hợp số liệu và sự kiện ngẫu nhiên, rời rạc để khái quát hóa thành cơ sở lý thuyết về các liên hệ bản chất. Theo quan điểm của Marx, khoa học còn được hiểu là một hình thái ý thức xã hội, tồn tại độc lập tương đối với các hình thái ý thức xã hội khác. Các tiêu chí nhận biết một bộ môn khoa học: 1. Có một đối tượng nghiên cứu 2. Có một hệ thống lý thuyết 3. Có một hệ thống phương pháp luận 4. Có mục đích sử dụng 1.1.2. Phân loại Các quan điểm tiếp cận phân loại khoa học: Bài thu hoạch môn PP NCKH trong Tin học GVPT: GS.TSKH Hoàng Kiếm Học viên: Nguyễn Văn Phong(CH1101026) – khóa 6 Trang 5 - Theo nguồn gốc: Khoa học thuần túy (sciences pures), lý thuyết (sciences theorique), thực nghiệm (sciences experimentales), thực chứng (sciences positives), qui nạp (sciences inductives), diễn dịch (sciences deductives)…. - Theo mục đích ứng dụng: Khoa học mô tả, phân tích, tổng hợp, ứng dụng, hành động, sáng tạo…. - Theo mức độ khái quát: Cụ thể, trừu tượng, tổng quát… - Theo tính tương liên giữa các khoa học: Liên ngành, đa ngành… - Theo cơ cấu hệ thống tri thức: Cơ sở, cơ bản, chuyên ngành… - Theo đối tượng nghiên cứu: Tự nhiên, kỹ thuật, xã hội nhân văn, công nghệ, nông nghiệp, y học… 1.2. Nghiên cứu khoa học: 1.2.1. Khái niệm Nghiên cứu khoa học là một hoạt động xã hội, hướng vào việc tìm kiếm những điều mà khoa học chưa biết hoặc là phát hiện bản chất sư vật, phát triển nhận thức khoa học về thế giới hoặc là sáng tạo phương pháp mới và phương tiện kỹ thuật mới để cải tạo thế giới. Nghiên cứu nhằm thỏa mãn nhu cầu nhận thức và cải tạo thế giới: * Khám phá những thuộc tính bản chất của sự vật hoặc hiện tượng. * Phát hiện qui luật vận động của sự vật. * Vận dụng qui luật để sáng tạo giải pháp tác động vào sự vật. 1.2.2. Phân loại Có nhiều cách phân loại nghiên cứu khoa học. Ở đây ta đề cập đến phân loại theo chức năng nghiên cứu và theo tính chất của sản phẩmtri thức khoa học thu được nhờ kết quả nghiên cứu. 1.2.2.1 Phân loại theo chức năng nghiên cứu:  Nghiên cứu mô tả, là những nghiên cứu nhằm đưa ra một hệ thống tri thức về nhân dạng sư vật, giúpcon người phân biệt được sự khác nhau, về bản chất giữa sự vật này với sự vật khác. Nội dung mô tả có thể bao gồm mô tả hình thái, động thái, tương tác; mô tả định tính tức là các đặc trưng về chất của sự vật; mô tả định lượng nhằm chỉ rõ các đặc trưng về lượng của sự vật. Bài thu hoạch môn PP NCKH trong Tin học GVPT: GS.TSKH Hoàng Kiếm Học viên: Nguyễn Văn Phong(CH1101026) – khóa 6 Trang 6  Nghiên cứu giải thích, là những nghiên cứu nhằm làm rõ nguyên nhân dẫn đến sự hình thành và quy luật chi phối quá trình vận động của sự vật. Nội dung của giải thích có thể bao gồm giải thích nguồn gốc; động thái; cấu tr1uc; tương tác; hậu quả; quy luật chung chi phối quá trình vận động của sự vật.  Nghiên cứu dự báo, là những nhiên cứu nhằm nhận dạng trạng thái của sự vật trong tương lai. Mọi dự báo đều phải chấp nhận những sai lệch, kể cả trong nghiên cứu tự nhiên và xã hội. Sự sai lệch trong kết quả dự báo có thể do nhiều nguyên nhân : sai lêch khách quan trong kết quả quan sát: sai lệch do những luận cứ bị biến dạng trong sự tác động của các sự khác; mội trường cũng luôn có thể biến động, …  Nghiên cứu sáng tạo, là nghiên cứu nhằm làm ra một sự vật mới chưa từng tồn tại. Khoa học không bao giờ dừng lại ở mô tả và dự báo mà luôn hướng vào sự sáng tạo các giải pháp cải tạo thế giới. 1.2.2.2. Phân loại theo tính chất của sản phẩm nghiên cứu: Theo tính chất của sản phẩm, nghiên cứu được phân loại thành nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu ứng dụng và nghiên cứu triển khai.  Nghiên cứu cơ bản (Fundamental research) là những nghiên cứu nhằm phát hiện thuộc tính, cấu trúc, động thái các sự vật, tương tác trong nội bộ sự vật và mối liên hệ giữa sự vật với các sư vật khác. Nghiên cứu cơ bản được phân thành hai loại : nghiên cứu cơ bản thuần túy và nghiên cứu cơ bản định hướng.  Nghiên cứu cơ bản thuần túy, cò được gọi là nghiên cứu cơ bản tự do hoặc nghiên cứu cơ bản không định hướng, là những nghiên cứu về bản chất sự vật để nâng cao nhận thức, chưa có hoặc chưa bàn đến ý nghĩa ứng dụng.  Nghiên cứu cơ bản định hướng, là những nghiên cứu cơ bản đã dự kiến trước mục đích ứng dụng. các hoạt động điều tra cơ bản tài nguyên, kinh tế, xã hội, … đều có thể xem là nghiên cứu cơ bản định hướng.  Nghiên cứu ứng dụng (Applied research) : là sự vận dụng quy luật được phát hiện từ nghiên cứu cơ bản để giải thích một sự vật, tạo ra những nguyên lý mới về các giải pháp và áp dụng chúng vào sản xuất và đời sống. Bài thu hoạch môn PP NCKH trong Tin học GVPT: GS.TSKH Hoàng Kiếm Học viên: Nguyễn Văn Phong(CH1101026) – khóa 6 Trang 7  Nghiên cứu triển khai (Development research) : còn gọi là nghiên cứu triển khai thực nghiệm hay triển khai thực nghiệm kỹ thuật, là sự vận dụng các quy luật (thu được từ nghiên cứu cơ bản) và các nguyên lý (thu được từ nghiên cứu ứng dụng) để đưa ra các hình mẫu với những tham số khả thi về kỹ thuật. Kết quả nghiên cứu triển khai thì chưa triển khai được: sản phẩm của triển khai chỉ mới là những hình mẫu khả thi về kỹ thuật, nghĩa là không còn rủi ro về mặt kỹ thuật, để áp dụng được còn phải tiến hành nghiên cứu những tính khả thi khác như khả thi tài chính, khả thi kinh tế, khả thi môi trường, khả thi xã hội. Hoạt động triển khai bao triển khai trong phòng thí nghiệm và triển khai bán đại trà. Toàn bộ các loại hình nghiên cứu và mối liên hệ giữa các loại hình nghiên cứu được trình bày trong sơ đồ bên dưới. Sự phân chia loại hình nghiên cứu như trên đây được áp dụng phổ biến trên thế giới. Phân chia là để nhận thức rõ bản chất của nghiên cứu khoa học, để có cơ sở lập kế hoạch nghiên cứu, cụ thể hóa các cam kết trong hợp đồng nghiên cứu giữa các đối tác. Tuy nhiên trên thực tế, trong một đề tài có thể tồn tại cả ba loại hình nghiên cứu, hoặc tồn tại hai trong ba loại hình nghiên cứu. 1.2.2.3. Các đặc điểm của nghiên cứu khoa học - Tính mới: NCKH là quá trình thâm nhập vào thế giới của sự vật mà con người chưa biết, hướng tới những phát hiện mới hoặc những sáng tạo. Đây là đặc điểm quan trọng nhất. - Tính tin cậy: Kết quả nghiên cứu phải có khả năng kiểm chứng lại nhiều lần do nhiều người khác nhau trong điều kiện giống nhau. Do đó, một nguyên tắc mang tính Nghiên cứu cơ bản Nghiên cứu ứng dụng Triển khai Nghiên cứu cơ bản thuần túy Nghiên cứu cơ bản định hướng Triển khai trong phòng thí nghiệm Nghiên cứu nền tảng Nghiên cứu chuyên đề Triển khai bán đại trà Quan hệ giữa các loại hình nghiên cứu Bài thu hoạch môn PP NCKH trong Tin học GVPT: GS.TSKH Hoàng Kiếm Học viên: Nguyễn Văn Phong(CH1101026) – khóa 6 Trang 8 phương pháp luận của NCKH là khi trình bày một kết quả nghiên cứu, người nghiên cứu cần chỉ rõ điều kiện, những nhân tố và phương tiện thực hiện. - Tính thông tin: là những thông tin về qui luật vận động của sự vật hoặc hiện tượng, thông tin về qui trình công nghệ và các tham số đi kèm qui trình đó. - Tính khách quan: vừa là một đặc điểm của NCKH vừa là tiêu chuẩn của người NCKH. Để đảm bảo tính khách quan, người NCKH cần phải tự trắc nghiệm lại những kết luận tưởng như đã hoàn toàn được xác nhận. - Tính rủi ro: Một nghiên cứu có thể thành công, có thể thất bại. Thất bại có thể do nhiều nguyên nhân nhưng trong khoa học thất bại cũng được xem là một kết quả và mang ý nghĩa về một kết luận của NCKH và được lưu giữ, tổng kết lại như một tài liệu khoa học nghiêm túc để tránh cho người đi sau không dẫm chân lên lối mòn, tránh lãng phí các nguồn lực nghiên cứu. - Tính kế thừa: Có ý nghĩa quan trọng về mặt phương pháp luận nghiên cứu. Ngày nay không có một NCKH nào bắt đầu từ chỗ hòan tòan trống không về kiến thức, phải kế thừa các kết quả nghiên cứu của các lĩnh vực khoa học khác nhau. - Tính cá nhân: vai trò của cá nhân trong sáng tạo mang tính quyết định, thể hiện trong tư duy cá nhân và chủ kiến riêng của các nhân. - Tính phi kinh tế: Lao động NCKH hầu như không thể định mức, thiết bị chuyên dụng dùng trong NCKH hầu như không thể khấu hao, hiệu quả kinh tế của NCKH hầu như không thể xác định. 1.2.2.4 Các bước nghiên cứu  Xác lập vấn đề nghiên cứu: - Chọn và cụ thể hóa đề tài - Xác định cơ sở cho lý thuyết - Nghiên cứu lịch sử vấn đề  Giai đoạn chuẩn bị nghiên cứu : - Chuẩn bị điều kiện nghiên cứu - Thiết lập danh mục tư liệu  Lựa chọn và nghiên cứu thông tin: - Thu thập và xử lý thông tin - Nghiên cứu tư liệu Bài thu hoạch môn PP NCKH trong Tin học GVPT: GS.TSKH Hoàng Kiếm Học viên: Nguyễn Văn Phong(CH1101026) – khóa 6 Trang 9 - Thâm nhập thực tế - Tiếp xúc cá nhân - Xử lý thông tin  Xây dựng giải thuyết, lựa chọn phương pháp và lập kế hoạch : - Xây dựng giải thuyết - Xác định phương pháp luận nghiên cứu - Lập kế hoạch  Hoàn tất nghiên cứu: - Đề xuất và xử lý thông tin - Xây dựng kết luận và khuyến nghị  Viết báo cáo hoàn tất công trình: - Sắp xếp tư liệu - Viết báo cáo  Giai đoạn kết thúc: - Hoàn tất công tác - Áp dụng kết quả 2. Phương pháp Nghiên cứu khoa học: 2.1. Phương pháp chung trong NCKH: 2.1.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Được sử dụng trong cả khoa học tự nhiên, khoa học xã hội và các khoa học khác, bao gồm nhiều nội dung khác nhau như: nghiên cứu tư liệu, xây dựng khái niệm, phạm trù, thực hiện các phán đoán, suy luận,.v.v… và không có bất cứ quan sát hoặc thực nghiệm nào được tiến hành 2.1.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm là những nghiên cứu được thực hiện bởi những quan sát các sự vật hoặc hiện tượng diễn ra trong những điều kiện có gây biến đổi đối tượng nghiên cứu một cách có chủ định. Nghiên cứu thực hiện có thể được thực hiện trên đối tượng thực hoặc trên các mô hìnhdo người nghiên cứu tạo ra với những tham số do người nghiên cứu khống chế. Nghiên cứu thực nghiệm được áp dụng phổ biến không những trong khoa học tự nhiên, khoa học kỹ thuật và công nghệ, y học, mà cả trong khoa học xã hội và các lĩnh vực khoa học khác. Bài thu hoạch môn PP NCKH trong Tin học GVPT: GS.TSKH Hoàng Kiếm Học viên: Nguyễn Văn Phong(CH1101026) – khóa 6 Trang 10 2.1.3. Phương pháp nghiên cứu phi thực nghiệm: Là một phương pháp nghiên cứu dựa trên sự quan sát, quan trắc những sự kiện đã hoặc đang tồn tại, hoặc thu thập những số liệu thống kê đã tích lũy. trên cơ sở đó phát hiện qui luật của sự vật hoặc hiện tượng. Trong phương pháp này người nghiên cứu chỉ quan sát những gì đã và đang tồn tại, không có bất cứ sự can thiệp nào gây biến đổi trạng thái của đối tượng nghiên cứu. 2.2. Phương pháp giải quyết vấn đề theo khoa học về phát minh, sáng chế: Có 40 thủ thuật: 1. Nguyên lý phân nhỏ 2. Nguyên lý “tách riêng” 3. Nguyên lý phẩm chất cục bộ 4. Nguyên lý phản đối xứng 5. Nguyên lý kết hợp 6. Nguyên lý vạn năng 7. Nguyên lý chứa trong 8. Nguyên lý phản trọng lượng 9. Nguyên lý thực hiện sơ bộ 10. Nguyên lý dự phòng 11. Nguyên lý đẳng thế 13. Nguyên lý đảo ngược 14. Nguyên lý cầu (tròn) hóa 15. Nguyên lý năng động 16. Nguyên lý tác động bộ phận và dư thừa 17. Nguyên lý bộ xung chiều khác 18. Sự dao động cơ học 19. Nguyên lý tác đông theo chu kỳ 20. Nguyên lý tác đông liên tục hữu hiệu 21. Nguyên lý vượt nhanh 22. Nguyên lý chuyển hại thành thắng 23. Nguyên lý quan hệ phản hồi 24. Nguyên lý sử dụng trung gian 25. Nguyên lý tự phục vụ Bài thu hoạch môn PP NCKH trong Tin học GVPT: GS.TSKH Hoàng Kiếm Học viên: Nguyễn Văn Phong(CH1101026) – khóa 6 Trang 11 26. Nguyên lý sao chép (copy) 27. Nguyên lý rẻ thay cho đắt 28. Nguyên lý thay thế sơ đồ cơ học 29. Nguyên lý sử dụng các kết cấu thủy và khí 30. Sử dụng bao mềm dẻo và mềm mỏng 31. Sử dụng vật liệu nhiều lỗ 32. Nguyên lý đổi màu 33. Nguyên lý đồng nhất 34. Nguyên lý loại bỏ và tái sinh từng phần 35. Đổi các thông số hóa lý của đối tượng 36. Sử dụng chuyển pha 37. Sử dụng nở nhiệt 38. Sử dụng các chất oxy hóa 39. Sử dụng môi trường trơ 40. Sử dụng vật liệu tổng hợp (composit) Bài thu hoạch môn PP NCKH trong Tin học GVPT: GS.TSKH Hoàng Kiếm Học viên: Nguyễn Văn Phong(CH1101026) – khóa 6 Trang 12 PHẦN II GIỚI THIỆU MỘT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỤ THỂ 1. Ứng dụng giải thuật di truyền nâng cao chất lượng đề thi 1.1. Giới thiệu Trong xu hướng phát triển của xã hội ngày nay, có rất nhiều ngành khoa học mới ra đời. Trong đó có một số ngành khoa học ra đời trên cơ sở phân lập từ các ngành khoa học cổ điển, và một số ngành do sự tích hợp các khoa học. Tron