Tiểu luận môn biểu diễn tri thức và suy luận Ứng dụng giải bài tập Vật Lý chuyển động thẳng biến đổi đều

1
Mục Lục
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai
2
Mở đầu
Nghiên cứu các phương pháp biểu diễn và xử lý tri thức là cốt lõi cho việc xây dựng những
chương trình “thông minh”, đặc biệt là các hệ chuyên gia và các hệ giải toán dựa trên tri
thức.
Hệ luật dẫn là một trong những phương pháp biểu diễn tri thức cơ bản. Hiện nay các hệ
chuyên gia hầu hết đều là các hệ thống dựa trên luật, bởi các lý do:
• Bản chất đơn thể: có thể đóng gói tri thức và mở rộng hệ chuyên gia một cách dễ
dàng
• Khả năng diễn giải dễ dàng: Dễ dàng dùng luật để diễn giải vấn đề nhờ các tiền đề
đặc tả chính xác các yếu tố vận dụng luật, từ đó rút ra được kết quả.
• Tương tự quá trình nhận thức của con người: Dựa trên các công trình của Newell và
Simon, các luật được xây dựng từ cách con người giải quyết vấn đề. Cách biểu diễn
luật nhờ IF THEN đơn giản cho phép giải thích dễ dàng cấu trúc tri thức cần trích
lọc. [3]
Trong phạm vi của một bài thu hoạch môn học, ở đây chỉ trình bày một ứng dụng nhỏ áp
dụng mô hình hệ luật dẫn. Ứng dụng này dùng để giải các bài tập chuyển động thẳng biến
đổi đều trong chương trình môn Vật Lý lớp 10.
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai
3
1. Mô hình hệ luật dẫn
1.1. Khái niệm
Luật: Luật là cấu trúc tri thức dùng để liên kết thông tin đã biết với các thông tin
khác giúp đưa ra các suy luận, kết luận từ những thông tin đã biết.
Luật dẫn: Luật dẫn đại diện cho các phát biểu, định lý, nguyên tắc, công thức…
1.2. Mô hình hệ luật dẫn
Mô hình hệ luật dẫn: (Facts, Rules)
Facts là tập các sự kiện hay tác vụ trong phạm vi tri thức.

Rules là tập các luật dẫn, mỗi r thuộc Rules có dạng r: gt(r) => kl(r)
Ví dụ: Một phần kiến thức về chuyển động thẳng biến đồi đều
(1) Facts: Các yếu tố liên quan tới chuyển động của vật: vận tốc ban đầu v
0
, vận tốc
cuối v, thời gian chuyển động từ t
0
tới t, quãng đường chuyển động từ x
0
tới x, gia
tốc a,…
(2) Rules: Các luật nói lên mối liên hệ “dẫn xuất” giữa các sự kiện:
hay
Phần tri thức trên ta có thể biểu diễn theo mô hình hệ luật dẫn (Facts, Rules) gồm:
Facts = {x
0
, x, t
0
, t, v
0
, v, a…}
Rules = {
r1 : {x
0
, t
0
, t, v
0
, a}  {x}
r2 : {t

0
, t, v
0
, a}  {v}
r3 : {x
0
, x, v
0
, a}  {v}
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai
4
…
}
1.3. Tổ chức lưu trữ
Tổ chức lưu trữ được xác lập cụ thể dựa trên các dạng Facts, thường là ta sử dụng
các cấu trúc dữ liệu đã biết như struct, frames, classes, …
1.4. Vấn đề suy diễn trên hệ luật dẫn
Cho trước hệ luật dẫn K = (Facts, Rules). Giả sử có một tập sự kiện GT đã xác
định, ta xét một tập sự kiện mục tiêu KL. Hỏi có thể suy ra KL từ GT dựa trên tri
thức K hay không?
Ký hiệu bài toán: GT  KL
Thuật giải: Thuật giải lan truyền dưới dạng suy diễn tiến
Thuật giải suy diễn tiến:
B1: Solution = [];
Known = GT;
B2: While (KL chưa nằm trong Known) do
2.1: Tìm luật r để áp dụng trên Known nhằm sinh ra sự kiện mới:
gt(r) ⊆ Known, và kl(r) không nằm trong Known.
2.2: if (không có r) then
Dừng: không tìm được lời giải

2.3: Thêm r vào Solution; thêm kl(r) vào Known;
End while
B3: Tìm được lời giải sử dụng danh sách luật Solution
Chú ý: Rút gọn lời giải cho Solution
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai
5
2. Ứng dụng giải bài tập Vật Lý chuyển động thẳng biến đổi đều
2.1. Một số khái niệm về chuyển động thẳng biến đổi đều
Chuyển động thẳng của một chất điểm được hiểu một cách khá đơn giản là chuyển
động của chất điểm đó theo quỹ đạo là một đoạn thẳng.
Ví dụ: Chuyển động rơi, chuyển động theo quán tính
Chuyển động thẳng là một chuyển động theo một đường thẳng có hướng và thẳng
mải trong mọi điểm thời gian. Các chuyển động thẳng với vận tốc không đổi gọi là
chuyển động thẳng đều. Các chuyển động thẳng với vận tốc biến đổi theo thời gian
gọi là chuyển động thẳng đều với vận tốc biến đổi.
Chuyển động thẳng đều là chuyển động của một vật có quỹ đạo là đường thẳng, có
vận tốc như nhau trên mọi quãng đường. Chuyển động thẳng đều có ba đại lượng
đặc trưng là: vận tốc, quãng đường và thời gian chuyển động.
Chuyển động thẳng biến đổi đều là chuyển động của một vật có quỹ đạo là đường
thẳng, và có vận tốc tức thời hoặc là tăng đều hoặc là giảm đều theo thời gian.
Chuyển động thẳng biến đổi đều của vật mà vận tốc tức thời tăng đều theo thời gian
được gọi là chuyển động thẳng nhanh dần đều; ngược lại là chuyển động thẳng
chậm dần đều. Chuyển động thẳng biến đổi đều của vật được đặc trưng bởi bốn đại
lượng sau: gia tốc, vận tốc tức thời, quãng đường đi được và thời gian chuyển
động. [2]
Ta có thể xem chuyển động thẳng đều là chuyển động thẳng biến đổi đều với biến
thiên vận tốc (gia tốc) = 0.
2.2. Phát biểu yêu cầu
Xây dựng một ứng dụng giúp giải các bài tập Vật Lý về chuyển động thẳng biến
đổi đều, giới hạn trong phạm vi chương trình vật lý lớp 10.

Ví dụ: Một bài tập vật lý về chuyển động thẳng biến đổi đều
Một vật được thả rơi tự do ở độ cao 20m, vận tốc đầu của vật là 0 m/s. Tính vận tốc
của vật ngay trước khi chạm đất biết gia tốc trọng trường là 9.8 m/s
2
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai
6
2.3. Mô hình
Thuật toán được thiết kế theo mô hình hệ luật dẫn (Facts, Rules)
Trong đó:
Facts = {x0, x, t0, t, v0, v, a}
x0 : tọa độ điểm xuất phát
x : tọa độ điểm kết thúc
t0 : thời điểm bắt đầu
t : thời điểm kết thúc
v0 : vận tốc ban đầu
v : vận tốc cuối
a : gia tốc
Rules = {
r1 : {x
0
, t
0
, t, v
0
, a}  {x}
r2 : {t
0
, t, v
0
, a}  {v}

r3 : {x
0
, x, v
0
, a}  {v}
}
2.4. Tổ chức lưu trữ và ngôn ngữ lập trình
2.4.1. Tổ chức lưu trữ
Sử dụng 2 tập tin dạng text có cấu trúc: Facts.txt và Rules.txt
Cấu trúc file Facts.txt
Begin
x0 : Start Point
x : End Point
t0 : Start Time
t : End Time
v0 : Start Velocity
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai
7
v : End Velocity
a : Acceleration
End
Cấu trúc file Rules.txt
x0,t0,t,v0,v->x=( v0 + v ) * ( t - t0 ) / 2 + x0
x0,x,t0,t,v0->v=2 * ( x - x0 ) / ( t - t0 ) - v0
x0,x,t0,t,v->v0=2 * ( x - x0 ) / ( t - t0 ) - v
x0,x,t0,v0,v->t=2 * ( x - x0 ) / ( v0 + v ) + t0
x0,x,t,v0,v->t0=t - 2 * ( x - x0 ) / ( v0 + v )
x0,a,t0,t,v0->x=a * ( t * t - 2 * t * t0 + t0 * t0 ) / 2 + v0
* ( t - t0 ) + x0
x,a,t0,t,v0->x0=x - a * ( t * t - 2 * t * t0 + t0 * t0 ) / 2 -

v0 * ( t - t0 )
x,x0,t0,t,v0->a=2 * ( x - v0 * ( t - t0 ) - x0 ) / ( t * t - 2
* t * t0 + t0 * t0 )
t0,t,v0,a->v=a * ( t - t0 ) + v0
t0,t,v,a->v0=v - a * ( t - t0 )
t0,t,v0,v->a=( v - v0 ) / ( t - t0 )
t0,v0,v,a->t=( v - v0 ) / a + t0
t,v0,v,a->t0=t - ( v - v0 ) / a
x0,x,v0,a->v=sqrt ( 2 * a * ( x - x0 ) + v0 * v0 )
x0,x,v,a->v0=sqrt ( v * v - 2 * a * ( x - x0 ) )
x0,v0,v,a->x=( v * v - v0 * v0 ) / ( 2 * a ) + x0
x,v0,v,a->x0=( x - ( v * v - v0 * v0 ) / ( 2 * a ) )
2.4.2. Ngôn ngữ lập trình
Ứng dụng được viết bằng C# trên Visual Studio 2010, sử dụng .NET
Framework 4.0
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai
8
2.5. Một số mẫu chạy thử
Bài toán 1: Một chất điểm chuyển động thẳng đều với vận tốc 5 m/s trên quãng
đường 18.5m. Hỏi thời gian để chất điểm đi hết quãng đường là bao nhiêu?
Lời giải: Dựa vào dữ liệu bài toán ta có:
Giải thiết:
v
0
= v = 5 m/s (chuyển động đều)
x
0
= 0 m
x = 18.5 m
t

0
= 0 s
Kết luận: t = ?
Áp dụng luật dẫn t = 2( x - x
0
)/( v
0
+ v ) + t
0
Ta có t = 3.7 s
Figure 1. Screenshot of Problem 1
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai
9
Bài toán 2: Một vật nặng nằm trong khinh khí cầu đang chuyển động thẳng đều lên
với vận tốc 5 m/s. Người ta thả vật nặng xuống và đo được thời gian vật nặng rơi
xuống đất là 10 giây. Tính độ cao lúc vật nặng được thả xuống, biết gia tốc trọng
trường là 9.8 m/s
2
Lời giải: Dựa vào dữ liệu bài toán ta có:
Giải thiết:
t
0
= 0 s
t = 10 s
x
0
= 0 m
v
0
= -5 m/s (vật chuyển động lên trên, ngược với phương thẳng đứng khi vật rơi

xuống nên vận tốc có giá trị âm)
a = 9.8 m/s
2
Kết luận: x = ?
Áp dụng luật dẫn
Ta có x = 440 m
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai
10
Figure 2. Screenshot of Problem 2
2.6. Hạn chế và hướng phát triển
Ứng dụng hiện nay chưa xét đến chuyển động tròn, chỉ có chuyển động thẳng. Do
đó, ứng dụng có thể được mở rộng và phát triển theo hướng thêm các Facts và
Rules liên quan tới chuyển động tròn của chất điểm, cũng như thiết kế lại một số
các hàm tính toán để có thể tính được các đại lượng trong chuyển động tròn.
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai
11
Tài liệu tham khảo
[1] Van Bien’s Blog. Giải bài toán tam giác bằng mô hình hệ luật dẫn.

[2] Wikipedia. Chuyển động thẳng. />%C4%91%E1%BB%99ng_th%E1%BA%B3ng
[3] PGS.TS Phan Huy Khánh. Giáo trình Hệ chuyên gia. Đại học Đà Nẵng. Trường Đại học
Bách Khoa, khoa Công nghệ thông tin.
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Dương Thị Phương Mai