Tiểu luận môn phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC Tiểu luận môn: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC Nội dung I. Tổng quan về khoa học và nghiên cứu khoa học ...................................................................3 I.1. Mở đầu ..............................................................................................................................3 I.2. Các khái niệm cơ bản ........................................................................................................3 I.2.1. Khoa học là gì: ............................................................................................................3 I.2.2. Phân loại khoa học ......................................................................................................4 I.2.3. Nghiên cứu khoa học là gì ...........................................................................................4 I.2.4. Các loại hình nghiên cứu khoa học ..............................................................................6 I.2.5. Các bước nghiên cứu khoa học: ...................................................................................6 II. Vấn đề khoa học và các phương pháp giải quyết .....................................................................7 II.1. Vấn đề khoa học ...............................................................................................................7 II.2. Các phương pháp giải quyết .............................................................................................8 II.2.1. Giải quyết bằng bài toán phát minh, sáng chế .............................................................8 II.2.2. Giải quyết bằng bài toán tổng quát ........................................................................... 10 II.2.3. Giải quyết bằng bài toán tin học ............................................................................... 11 III. Áp dụng mạng Neural giải quyết bài toán nhận diện gương mặt .......................................... 15 III.1. Giới thiệu đề tài ............................................................................................................ 15 III.2. Mô hình mạng Neural ................................................................................................... 15 III.2.1. Xử lý dữ liệu .......................................................................................................... 16 III.2.2. Khởi tạo trọng ........................................................................................................ 17 III.2.3. Tập đích ................................................................................................................. 17 III.3. Quá trình học (huấn luyện mạng) .................................................................................. 17 III.3.1. Các quy ước chung ................................................................................................. 17 III.3.2. Quá trình test .......................................................................................................... 18 III.3.3. Quá trình học (back prop) – quy tắt học delta.......................................................... 18 III.3.4. Demo ..................................................................................................................... 21 3 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC I. Tổng quan về khoa học và nghiên cứu khoa học I.1. Mở đầu Nghiên cứu khoa học (NCKH) là một hoạt động then chốt hàng đầu trong các ngành khoa học. Kết quả từ NCKH là những phát hiện mới về kiến thức, về bản chất sự vật, phát triển nhận thức khoa học về thế giới, sáng tạo phương pháp và phương tiện kỹ thuật mới có giá trị cao. Cùng với nghiên cứu khoa học hiện đại, mọi người đang chú ý đến phương pháp nhận thức khoa học, coi đó là nhân tố quan trọng để phát triển khoa học. Trong phạm vi bài thu hoạch này, em sẽ trình bày một số vấn đề về phương pháp nghiên cứu khoa học nói chung, đặc biệt là những phương pháp nghiên cứu trong ngành tin học. Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Giáo sư, Tiến sĩ khoa học Hoàng Văn Kiếm đã tận tình truyền đạt những kiến thức nền tảng cơ bản cho chúng em trong bộ môn “Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học”. I.2. Các khái niệm cơ bản I.2.1. Khoa học là gì: Là hệ thống tri thức về mọi loại quy luật của tự nhiên, xã hội và tư duy (Pierre Auger – Tendences actuelles de la recherche scientifique, UNESCO, Paris, 1961) 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:  Có đối tượng nghiên cứu  Có hệ thống lý thuyết  Có hệ thống phương pháp luận  Có mục đích sử dụng 4 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC I.2.2. Phân loại khoa học Các quan điểm tiếp cận phân loại khoa học  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, khái quát …  Theo tính tương quan 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, nông nghiệp, công nghiệp, y học … I.2.3. Nghiên cứu khoa học là gì Nghiên cứu khoa học là 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. Các chức năng cơ bản của Nghiên cứu khoa học:  Mô tả: là trình bày bằng ngôn ngữ hình ảnh chung nhất của sự vật, cấu trúc, trạng thái, sự vận động của sự vật. Sự mô tả bao gồm định tính và định lượng.  Giải thích:là làm rõ nguyên nhân sự hình thành và qui luật chi phối quá trình vận động của sự vật nhằm đưa ra những thông tin về thuộc tính bản chất của sự vật.  Dự đoán:nhìn trước quá trình hình thành, sự tiêu vong, sự vận động và những biểu hiện của sự vật trong tương lai. 5 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC  Sáng tạo: làm ra sự vật mới chưa từng tồn tại. Khoa học không bao giờ dừng lại ở ở chức năng mô tả, giải thích và dự đoán. Sứ mệnh lớn lao của khoa học là sáng tạo các giải pháp cải tạo thế giới. 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 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 tínhj 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 thừa kế: 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. 6 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC  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. I.2.4. Các loại hình nghiên cứu khoa học Nghiên cứu cơ bản: nhằm phát hiện bản chất, qui luật của sự vật hoặc hiện tượng trong tự nhiên, xã hội, con người, có thể thực hiện trên cơ sở những nghiên cứu thuần túy lý thuyết hoặc trên cơ sở những quan sát, thí nghiệm. Sản phẩm là các phát kiến, công thức, phát minh. Chia làm 2 lọai: Nghiên cứu cơ bản thuần túy và định hướng. UNESCO chia nghiên cứu cơ bản định hướng thành nghiên cứu nền tảng và chuyên đề. Nghiên cứu ứng dụng: là sự vận dụng các qui luật từ nghiên cứu cơ bản để đưa ra nguyên lý về các giải pháp có thể bao gồm công nghệ, sản phẩm, vật liệu,...Sáng chếlà giải pháp kỹ thuật có tính mới và áp dụng được. Nghiên cứu triển khai (R & D): là sự vận dụng các qui luật, các nguyên lý để đưa ra các hình mẫu với những tham số có tính khả thi về kỹ thuật, có thể chia làm các lọai hình: triển khai trong phòng, bán đại trà,.. I.2.5. Các bước nghiên cứu khoa học: Xác lập vấn đề nghiên cứu:Vấn đề nghiên cứu là những điều chưa biết hoặc chưa biết thấu đáo về bản chất sự vật hoặc hiện tượng, cần được làm rõ trong quá trình nghiên cứu. Khi vấn đề nghiên cứu được chọn và cụ thể hóa thành 1 đề tài nghiên cứu, người nghiên cứu cần xác định cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu và tìm hiểu lịch sử vấn đề. Chuẩn bị nghiên cứu: Xây dựng đề cương nghiên cứu (lý do chọn đề tài, xác định đối tượng và phạm vi nghiên cứu, xác định mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, đặt tên đề tài...), xây dựng kế hoạch nghiên cứu (tiến độ, nhân lực, dự toán…), chuẩn bị phương tiện nghiên cứu, lập danh mục tư liệu... 7 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC Lựa chọn và nghiên cứu thông tin: Thu thập và xử lý thông tin, nghiên cứu tư liệu, thâm nhập thực tế, tiếp xúc cá nhân, xử lý thông tin... Nghiên cứu: Xây dựng giả thuyết, lựa chọn phương pháp nghiên cứu, nghiên cứu và kiểm chứng giả thuyết. Hoàn tất nghiên cứu: Đề xuất và xử lý thông tin, xây dựng kết luận và khuyến nghị, viết báo cáo hoàn tất, hoàn tất và áp dụng kết quả. II. Vấn đề khoa học và các phương pháp giải quyết II.1. Vấn đề khoa học Khái niệm: Vấn đề khoa học hay còn gọi là vấn đề nghiên cứu hoặc câu hỏi nghiên cứu là câu hỏi được đặt ra khi người nghiên cứu đứng trước mâu thuẫn giữa tính hạn chế của tri thức khoa học hiện có với yêu cầu phát triển tri thức đó ở trình độ cao hơn. Phân loại: Nghiên cứu khoa học luôn tồn tại 2 vấn đề:  Vấn đề về bản chất sự vật đang tìm kiếm  Vấn đề về phương pháp nghiên cứu để làm sáng tỏ về lý thuyết và thực tiễn những vấn đề thuộc lớp thứ nhất.  Các tình huống vấn đề: Có 3 tình huống: có vấn đề, không có vấn đề và giả vấn đề như hình bên dưới: Có vn đ Có nghiên cu Không có vn đ Không có nghiên cu Gi vn Không có vn đ Nãy sinh vn đ khác Không có nghiên cu Nghiên cu theo mt hng khác 8 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC - Tình huống thứ nhất: Có vấn đề nghiên cứu . Như vậy sẽ có nhu cầu trả lời vào vấn đề nghiên cứu, nghĩa là sẽ tồn tại hoạt động nghiên cứu - Tình huống thứ hai:Không có vấn đề hoặc không còn vấn đề. Trường hợp này không xuất hiện nhu cầu trả lời, nghĩa là không có nghiên cứu. - Tình huống thứ ba:Tưởng là có vấn đề, nhưng sau khi xem xét thì lại không có vấn đề hoặc không có vấn đề khác. Gọi đó là “ giả vấn đề “. Phát hiện “ giả vấn đề “ vừa dẫn đến tiết kiệm chi phí, vừa tránh được những hậu quả bất ưng cho hoạt động thực tiễn. Các phương pháp phát hiện vấn đề khoa học: có 6 phương pháp để phát hiện các vấn đề khoa học:  Tìm những kẻ hở, phát hiện các vấn đề mới  Tìm những bất đồng  Nghĩ ngược lại những quan điểm thông thường  Quan sát những vướng mắc trong thực tiễn  Lắng nghe lời kêu ca phàn nàn  Những câu hỏi bất chợt xuất hiện khi quan sát một sự kiện nào đó. II.2. Các phương pháp giải quyết II.2.1. Giải quyết bằng bài toán phát minh, sáng chế Theo Vepol: “Bất cứ hệ thống kỹ thuật nào ít nhất cũng phải có hai thànhphần vật chất tác động tương hổ và một loại trường hay năng lượng”. Nhà khoa học Atshuler đã đưa ra một hệ thống các nguyên tắc sáng tạo. Nó cung cấp hệ thống các cách xem xét sự vật; tăng tính nhanh nhạy của việc tiếp thu và đánh giá giá trị của thông tin; đưa ra và lựa chọn các cách tiếp cận thích hợp để giải quyết vấn đề. Dưới đây là 40 nguyên tắc sáng tạo : 1. Nguyên lý phân nhỏ 9 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC 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 gây ứng xuất sơ bộ 10. Nguyên lý thực hiện sơ bộ 11. Nguyên lý dự phòng 12. 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 26. Nguyên lý sao chép 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 10 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC 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 II.2.2. Giải quyết bằng bài toán tổng quát II.2.2.1. Mô hình thông tin ban đầu II.2.2.2. Các phương pháp phân tích vấn đề: Phân chia vấn đề: Việc phân chia thành từng vùng nhỏ để xem xét sẽ giúp cho cho việc giải quyết nhanh hơn và triệt để hơn. Phân loại vấn đề: Bằng cách xác định chính xác các loại vấn đề và tập trung giải quyết triệt để, ta có thể rút ngắn việc giải quyết vấn đề. Phân công vấn đề: Trong khoa học đôi khi để tìm ra một phương pháp chung để giải quyết cùng một lúc nhiều yêu cầu khác nhau là việc làm hết sức khó khăn do đó phải biết phân chia nhỏ vấn đề để có hướng giải quyết từng phần. Phân tích Phân chia Phân loi Phân cp Phân tích 11 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC Phân cấp bài toán: Mọi vấn đề - bài toán đều có thể giải quyết bằng cách phân chia thành những vấn đề - bài toán nhỏ hơn. Phân tích: Mọi việc đều bắt đầu từ thao tác phân tích, có phân tích đầy đủ, chính xác, có nhận định mọi vấn đề một cách chặt chẻ thì những vấn đề - bài toán đều có thể được giải quyết một cách triệt để và thuận lợi. II.2.2.3. Các phương pháp tổng hợp vấn đề Trong giải quyết bài toán khoa học, ngược lại với phương pháp phân tích là phương tổng hợp. Tổng hợp ở đây bao gồm cả tổ hợp, kết hợp, đối hợp và tích hợp. Các thông tin thu nhận được sẽ được tổng hợp theo không gian hay thời gian hay kết hợp cả hai để được một thông tin mới gíup cho việc giải quyết các vấn đề của bài toán. II.2.3. Giải quyết bằng bài toán tin học II.2.3.1. Phương pháp trực tiếp: Đặc điểm của cách giải quyết vấn đề này là :  Xác định trực tiếp được lời giải qua một thủ tục tính toán (công thức, hệ thức, định luật,…) hoặc qua các bước căn bản để có được lời giải. Tng hp T hp (combination) Kt hp (Associate) Đi hp (Convolution) Tích hp (Integration) Tng hp theo không gian và thi gian 12 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC  Việc giải quyết vấn đề trên máy tính chỉ là thao tác lập trình hay là sự chuyển đổi lời giải từ ngôn ngữ bên ngoài sang các ngôn ngữ được sử dụng trong máy tính. Để thực hiện tốt phương pháp trực tiếp, chúng ta nên áp dụng các nguyên lý sau : - Nguyên lý 1: Chuyển đổi dữ liệu bài toán thành dữ liệu của chương trình, có nghĩa là “Dữ liệu của bài toán sẽ được biểu diễn lại dưới dạng các biến của chương trình thông qua các quy tắc xác định của ngôn ngữ lập trình cụ thể “. - Nguyên lý 2 : Chuyển đổi quá trình tính toán của bài toán thành các cấu trúc của chương trình, có nghĩa là “Mọi quá trình tính toán đều có thể mô tả và thực hiện dựa trên ba cấu trúc cơ bản : Cấu trúc tuần tự, cấu trúc rẽ nhánh và cấu trúc lặp ”. - Nguyên lý 3 : Biểu diễn các tính toán chính xác, có nghĩa là “Chương trình tính toán theo các biểu thức chính xác không đồng nhất với quá trình tính toán chính xác về mặt hình thức ”. - Nguyên lý 4 : Biểu diễn các tính toán gần đúng bằng cấu trúc lặp, có nghĩa là “Mọi quá trình tính toán gần đúng đều dựa trên các cấu trúc lặp với tham số xác định ”. - Nguyên lý 5 : Phân chia bài toán ban đầu thành những bài toán nhỏ hơn, có nghĩa là “Mọi vấn đề - bài toán đều có thể giải quyết bằng cách phân chia thành những vấn đề - bài toán nhỏ hơn ”. -Nguyên lý 6 : Biểu diễn các tính toán không tường minh bằng đệ quy, có nghĩa là “Quá trình đệ quy trong máy tính không đơn giản như các biểu thức quy nạp trong toán học”. II.2.3.2. Phương pháp gián tiếp Phương pháp này được sử dụng khi chưa tìm ra lời giải chính xác của vần đề. Đây cũng chính là cách tiếp cận chủ yếu của loài người từ xưa đến nay. Đưa ra những giải pháp mang đặc trưng của máy tính, dựa vào sức mạnh tính toán của máy tính. 13 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC Một lời giải trực tiếp bao giờ cũng tốt hơn, nhưng không phải lúc nào cũng có II.2.3.2.1. Phương pháp thử sai Khi xây dựng lời giải bài toán theo phương pháp thử – sai, người ta thường dựa vào 3 nguyên lý sau : Nguyên lý vét cạn : Đây là nguyên lý đơn giản nhất, liệt kê tất cả các trường hợp có thể xảy ra. Nguyên lý ngẫu nhiên : Dựa vào việc thử một số khả năng được chọn một cách ngẫu nhiên. Khả năng tìm ra lời giải đúng phụ thuộc rất nhiều vào chiến lược chọn ngẫu nhiên. Nguyên lý mê cung : Nguyên lý này được áp dụng khi chúng ta không thể biết được chính xác “hình dạng” lời giải mà phải xây dựng dần lời giải qua từng bước một giống như tìm đường đi trong mê cung. Để thực hiện tốt phương pháp thử - sai, chúng ta nên áp dụng các nguyên lý sau : Nguyên lý vét cạn toàn bộ: Muốn tìm được cây kim trong đống rơm, hãy lần lượt rút ra từng cọng rơm cho đến khi rút được cây kim Nguyên lý mắt lưới: Lưới bắt cá chỉ bắt được những con cá có kích thước lớn hơn kích thước mắt lưới. Nguyên lý giảm độ phức tạp của thử và sai: Thu hẹp trường hợp trước và trong khi duyệt, đồng thời đơn giản hóa tối đa điều kiện chấp nhận một trường hợp. Nguyên lý thu gọn không gian tìm kiếm: Loại bỏ những trường hợp hoặc nhóm trường hợp chắc chắn không dẫn đến lời giải. Nguyên lý đánh giá nhánh cận: Nhánh có chứa quả phải nặng hơn trọng lượng của quả. II.2.3.2.2. Phương pháp Heuristic Phương pháp Heuristic có đặc điểm là đơn giản và gần gũi với cách suy nghĩ của con người, cho ra được những lời giải đúng trong đa số các trường hợp áp dụng. 14 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC Các thuật giải Heuristic được xây dựng dựa trên một số nguyên lý rất đơn giản như :  Vét cạn thông minh  Tối ưu cục bộ (Greedy)  Hướng đích  Sắp thứ tự … Để thực hiện tốt phương pháp Heuristic, chúng ta nên áp dụng các nguyên lý sau : - Nguyên lý leo núi : Muốn leo lên đến đỉnh thì bước sau phải “cao hơn” bước trước. - Nguyên lý chung : Chọn hướng đi triển vọng nhất trong số những hướng đi đã biết. II.2.3.2.3. Phương pháp trí tuệ nhân tạo Phương pháp trí tuệ nhân tạo dựa trên trí thông minh của máy tính. Phương pháp này, người ta sẽ đưa vào máy trí thông minh nhân tạo giúp máy tính bắt chước một phần khả năng suy luận như con người, máy tính dựa trên những điều đã được “học“ để tự đưa ra phương án giải quyết vấn đề. Trong lĩnh vực “máy học”,các hình thức học có thể phân chia như sau : - Học vẹt. - Học bằng cách chỉ dẫn. - Học bằng qui nạp. - Học bằng tương tự. - Học dựa trên giải thích. - Học dựa trên tình huống. - Khám phá hay học không giám sát. 15 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC Các kỹ thuật thường được áp dụng trong “máy học” là :  Khai thác dữ liệu  Mạng nơ ron  Thuật giải di truyền III. Áp dụng mạng Neural giải quyết bài toán nhận diện gương mặt III.1. Giới thiệu đề tài Theo 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. Mạng Neural là một trong những ngành khoa học mới ra đời từ sự tích hợp giữa sinh học và máy tính. Mạng Neural là thuật ngữ nói đến một phương pháp giải quyết vấn đề, bài toán trên máy tính mô phỏng theo hoạt động của các tế bào thần kinh trong não bộ. Mạng Neural nhân tạo là sự mô phỏng cấu trúc của mạng Neural sinh học. Trên thế giới hiện nay, Mạng Neural kết hợp với Công nghệ thông tin được ứng dụng để giải quyết những vấn đề về nhận diện, dự đoán …Trong đề tài này, chúng ta sẽ áp dụng mạng Neural đề giải quyết bài toán nhận diện gương mặt. III.2. Mô hình mạng Neural Mô hình mạng neural chọn là mạng có 3 tầng : Input – Hidden –Output 16 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC Trong mô hình trên: Tầng Hidden chọn hàm sigmoid vì hàm này rất thông dụng, hơn nữa, đạo hàm được tính khá dễ dàng     xfxfxf  1)( . Do đó, có thể tăng tốc độ tính toán. Tầng Output sử dụng hàm tanh(x), vì nó được dùng phổ biến đồng thời miền giá trị trãi rộng [-1,1], do đó, mật độ phân bố nghiệm sẽ trãi rộng, nâng cao hiệu suất phân lớp Với tập giá trị Output – O – ta chọn kết quả     MiOR i ,1,max  Input là tập ảnh màu hoặc greyscale. Chỉ quan tâm đến hệ số Itensity của ảnh   3BGRI  III.2.1. Xử lý dữ liệu Tập input được chọn là cửa sổ ảnh với kích thước 92*112. Với cường độ   3BGRI  , vậy  255,0I . Xét tại một nút ẩn. se sfy   1 1)( , với    N i ihih xws 1 , như vậy, f(s) sẽ dễ dàng tiến về giá trị cực đại hoặc cực tiểu {0,1}, gây ảnh hưởng không tốt đến việc học sau này. Do đó, ta biến đổi giá trị input như sau: 17 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC   1280/127 ii Ix Từ đó, ta có tập input đối xứng đủ nhỏ để f(s) không tiến nhanh về cực. (dựa trên thực tiễn) Trong thực tế bài toán, nếu khởi tạo xi càng nhỏ thì tốc độ hội tụ của phương pháp back- prop càng nhanh, song mạng rất thiếu ổn định. III.2.2. Khởi tạo trọng Do tập input là tập đối xứng, nên các trọng số chỉ cần thỏa yêu cầu thuộc (0,1] và đủ nhỏ. Trong trường hợp mạng này, các trọng số được thởi tạo ngẫu nhiên trong khoảng (0,1/40000). (giá trị có được là do thực nghiệm sau nhiều lần test thử) III.2.3. Tập đích Tập đích gồm M node, ứng với số lớp ảnh cần nhận diện trong tập dử liệu nguồn. Ví dụ, cần học để nhận diện 15 người, thì số nút ẩn là 15. Khi đó, tập target với ti=1 nếu ảnh thuộc lớp i, và ti = -1 trong trường hợp ngược lại. Giả sử ảnh input là người thuộc lớp 3, thì tập output là: t = (-1,-1,1,-1,…..,-1). III.3. Quá trình học (huấn luyện mạng) III.3.1. Các quy ước chung Gọi tập dữ liệu input là X (X={x1, x2, x3, x4,…..,xN}). Gọi tập các trọng số các cung nối từ input đến một node hidden là: wh,i (    NiHh ,1,,1  ) Ứng với một nút ẩn h, gọi )(Hhs = )(HhTWX =   N i H ihi wx 1 )( , Gọi Y(H) là tập output của tầng ẩn, với: 18 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC ],1[, 1 1 )( )( Hh e Y H hs H h     Gọi tập các trọng số từ một nút ẩn đến đích thứ j là )(OjW )(O jW ={wj1, wj2,wj3, … wjH} Gọi    H h O hj H h O j THO j wyWYs 1 )( , )()()()( .)( Khi này, tập output Y :  Ojj sy tanh , với  Mj ,1 III.3.2. Quá trình test Từ tập input X, ta tính như sau )( )()( HTH WXfY  , xe xf   1 1)(  )()( OTH WYgY  ,  xxg tanh)(  Khi đó, lớp hình phù hợp nhất là     MiYR i ,1,max  III.3.3. Quá trình học (back prop) – quy tắt học delta Gọi T là tập giá trị mục tiêu cần đạt được Một mẫu học được định ra bởi cặp Quá trình rèn luyện mạng là quá trình tối thiểu hóa hàm lỗi. Hàm lỗi được tính như sau:    M j jj ytE 1 2)( 2 1 Xét sự biến thiên của E theo w i ii x w s s E w E .        , với s E    19 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC )(' sf y E s y y E         Khi đó, iii dxw   .. , với  1,0 được gọi là hệ số học hay tỉ lệ học Kết quả: ii new i wWW  Đối với một nút xuất: )( yt y E    Vậy:   iii xsfytxw ).('....   Đối với một nút ẩn:             M o out o out o M o o o o o w y s s y y E y E 1 )()( 1 . Vậy: i M o out o out oii xsfwxw ).('..... 1 )()(           Quy trình thực hiện: Input : Test  Y Tại nút xuất:   MiyteYTE iii ,1)(  20 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC  MisgdG i ,1)(   MisgedGE ii ,1)(.^   HhYW iHhOi ,1. )()(   , với Mi ,1 i O i newO i wWW  )()( , với Mi ,1 Tại nút ẩn:          HiwpP M j out j out iji ,1. 1 )()( ,    HisfpdFP HiiHiH ,1'^ )()()(    NjxW HijHi ,1.. )()(   , với Hi ,1 i H i newH i wWW  )()( , với Mi ,1 Lặp đi lặp lại quá trình trên nhiều lần, ta có được các trọng số W phù hợp. Tốc độ hội tụ của mạng tùy thuộc nhiều và giải thuật sử dụng. 21 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC III.3.4. Demo Hình 1: Tp d liu nh ban đu Hình 2: Quá trình hc din ra đn khi đt yêu cu 22 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC Hình 3: Th nghim mt nh Hình 4: Kt qu th nhim, cho ra kt qu vi đ chính xác tng đi cao 23 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC Tài liệu tham khảo 1. Bài giảng môn học “Phương pháp nhiên cứu khoa học trong tin học” . Giảng viên : GS.TSKH Hoàng Văn Kiếm Chương trình đào tạo thac sĩ CNTT qua mạng. Trung tâm phát triển CNTT ĐH Quốc gia TP.HCM - 2005. 2. Giải một bài toán trên máy tính như thế nào ?( tập 1, 2, 3). GS. TSKH Hoàng Kiếm. Nhà xuất bản giáo dục – 2003. 3. Phương pháp luận sáng tạo khoa học – kỹ thuật. Phan Dũng. Trung tâm sáng tạo khoa học – kỹ thuật. Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM – 2002.