Slide bài giảng Khoa học máy tính 12 Kết nối bài 27: Máy tính và Khoa học dữ liệu

Tóm lược nội dung

Bài 27. MÁY TÍNH VÀ KHOA HỌC DỮ LIỆU

KHỞI ĐỘNG

Những khả năng to lớn nào đã làm cho máy tính ngày nay trở thành một công cụ xử lí thông tin hữu hiệu?

Bài làm rút gọn:

- Bộ nhớ và lưu trữ: Máy tính ngày nay có dung lượng bộ nhớ lớn hơn, cho phép lưu trữ và truy xuất dữ liệu nhanh chóng. Các ổ đĩa cứng và bộ nhớ flash cũng được cải tiến để đáp ứng nhu cầu lưu trữ dữ liệu lớn.

- Tốc độ xử lý: Máy tính hiện đại có tốc độ xử lý nhanh hơn đáng kể so với máy tính trước đây. Điều này cho phép chúng xử lý dữ liệu lớn và tính toán phức tạp một cách hiệu quả.

- Mạng kết nối: Internet và mạng kết nối đã mở ra cơ hội cho máy tính truy cập và chia sẻ thông tin trên toàn cầu. Điều này giúp máy tính trở thành một công cụ mạnh mẽ cho việc tìm kiếm, truyền thông và làm việc nhóm.

- Công nghệ lượng từ và tính toán quang học: Các nghiên cứu về máy tính lượng tử và tính toán quang học đang mở ra cơ hội mới để xử lý thông tin với tốc độ và hiệu suất cao hơn.

- Học máy và trí tuệ nhân tạo: Các thuật toán học máy và trí tuệ nhân tạo cho phép máy tính học từ dữ liệu và tự động tối ưu hóa hiệu suất. Chúng đã cải thiện khả năng dự đoán, xử lý ngôn ngữ tự nhiên và thậm chí thực hiện các nhiệm vụ phức tạp.

1. VAI TRÒ CỦA MÁY TÍNH ĐỐI VỚI SỰ PHÁT TRIỂN CỦA KHOA HỌC DỮ LIỆU

Hoạt động: Tìm hiểu vai trò của máy tính trong Khoa học dữ liệu

Hãy thảo luận và cho biết máy tính có vai trò như thế nào đối với sự phát triển của Khoa học dữ liệu.

Bài làm rút gọn:

- Phân tích và khai phá dữ liệu.

- Xử lí và phân tích dữ liệu.

- Trực quan hóa dữ liệu.

- Hợp tác và truyền thông.

- Xử lí song song.

- Tự động hóa.

- Điện toán đám mây.

Câu hỏi 1: Hãy phân tích vai trò của máy tính trong việc thu thập và lưu trữ dữ liệu phục vụ quy trình Khoa học dữ liệu.

Bài làm rút gọn:

- Thu thập dữ liệu: Máy tính cung cấp công cụ và phương tiện để thu thập dữ liệu từ các nguồn khác nhau. Các hệ thống thông tin, máy quét, cảm biến và các công cụ thu thập dữ liệu khác được kết nối với máy tính để tự động thu thập dữ liệu. Máy tính giúp xử lý và lưu trữ dữ liệu thu thập được một cách hiệu quả, bảo đảm tính toàn vẹn và khả năng truy xuất dễ dàng.

- Lưu trữ dữ liệu: Máy tính cung cấp khả năng lưu trữ dữ liệu lớn và đa dạng. Các hệ thống cơ sở dữ liệu, hệ thống tệp và nền tảng đám mây cho phép lưu trữ dữ liệu trên nhiều thiết bị và hệ thống, đồng thời đảm bảo tính an toàn và sao lưu dữ liệu. Máy tính cũng cung cấp công cụ và phương pháp để tìm kiếm, truy vấn và truy xuất dữ liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Câu hỏi 2: Các công cụ trực quan hoá dữ liệu của máy tính có vai trò như thế nào trong Khoa học dữ liệu?

Bài làm rút gọn:

- Truyền tải thông tin: Các công cụ trực quan hóa dữ liệu giúp truyền tải thông tin từ dữ liệu một cách dễ hiểu và hấp dẫn. Bằng cách sử dụng màu sắc, biểu đồ, hình ảnh và các phương tiện trực quan khác, chúng có thể trình bày kết quả phân tích dữ liệu một cách rõ ràng và thu hút người xem.

- Phát hiện mẫu và xu hướng: Các công cụ trực quan hóa dữ liệu cho phép phát hiện mẫu, xu hướng và quan hệ giữa các biến trong dữ liệu. Chúng giúp nhận ra các mẫu tiềm ẩn, tương quan và sự phụ thuộc trong dữ liệu, giúp đưa ra những hiểu biết sâu hơn về dữ liệu.

- Hiển thị dữ liệu: Các công cụ trực quan hóa dữ liệu cho phép biểu diễn dữ liệu theo các hình thức như biểu đồ, đồ thị, bản đồ và biểu đồ hình vẽ. Chúng giúp hiển thị cấu trúc và mẫu dữ liệu, giúp nhà khoa học dữ liệu và nhà phân tích dữ liệu hiểu dữ liệu một cách trực quan và nhanh chóng.

- Hỗ trợ quyết định: Các công cụ trực quan hóa dữ liệu có thể hỗ trợ quyết định thông qua việc hiển thị dữ liệu theo các phương pháp trực quan như biểu đồ đường thời gian, biểu đồ cột, bản đồ nhiệt và biểu đồ tương quan. Chúng giúp tạo ra cái nhìn tổng quan và hỗ trợ việc đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu.

2. TÍNH ƯU VIỆT TRONG VIỆC SỬ DỤNG MÁY TÍNH VÀ THUẬT TOÁN HIỆU QUẢ ĐỂ XỬ LÍ DỮ LIỆU LỚN

Câu hỏi 1: Để giải quyết những nhiệm vụ trong Dự án hệ gene người cần phải xử lí và lưu trữ khối lượng dữ liệu có quy mô lớn như thế nào?

Bài làm rút gọn:

Để giải quyết những nhiệm vụ, có thể áp dụng các phương pháp và công nghệ:

- Công nghệ cơ sở dữ liệu phân tán.

- Hệ thống lưu trữ phân tán.

- Công cụ xử lý dữ liệu phân tán.

- Công nghệ điện toán đám mây.

- Quản lý dữ liệu hiệu quả.

- Kỹ thuật nén dữ liệu.

Câu hỏi 2: Có thể thực hiện việc phân tích dữ liệu liên quan tới Dự án hệ gene người trên máy tính cá nhân thông thường hay không?

Bài làm rút gọn:

Không thể thực hiện việc phân tích dữ liệu liên quan tới Dự án hệ gene người trên máy tính cá nhân thông thường, việc phân tích dữ liệu liên quan đến Dự án hệ gene người đòi hỏi nguồn tài nguyên tính toán mạnh mẽ hơn máy tính cá nhân thông thường.

LUYỆN TẬP

Câu 1: Nêu ngắn gọn vai trò của máy tính trong sự phát triển của Khoa học dữ liệu.

Bài làm rút gọn:

Máy tính có vai trò không thể thiếu trong mọi giai đoạn của quy trình Khoa học dữ liệu. Nó cung cấp sức mạnh tính toán, khả năng lưu trữ và khả năng tự động hoá cần thiết để xử lí, phân tích và khám phá tri thức từ dữ liệu, góp phần vào sự phát triển và thành công của Khoa học dữ liệu, mở ra cơ hội làm việc với dữ liệu lớn mà trước đây không thể thực hiện được. 

-> Điều này đã thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực Khoa học dữ liệu, giúp tạo lập giá trị và tri thức từ nguồn dữ liệu lớn phong phú và đa dạng.

Câu 2: Trong trường hợp xấu nhất, để sắp xếp các đoạn nucleotide ngắn thành hệ gene người hoàn chỉnh, ước tính cần bao nhiêu phép thử?

Bài làm rút gọn:

Giả sử chúng ta có một chuỗi gốc với tổng cộng N nucleotide và muốn sắp xếp các đoạn nucleotide ngắn thành chuỗi đó.

Nếu các đoạn nucleotide ngắn có độ dài lần lượt là n1, n2, n3, ..., nk (với k là số lượng đoạn), thì số lượng phép thử cần thiết để sắp xếp chúng thành chuỗi đầy đủ là tích của số lượng tổ hợp khác nhau có thể có cho mỗi đoạn.

Với ví dụ đơn giản, giả sử chúng ta chỉ có một đoạn nucleotide ngắn với độ dài n. Trong trường hợp này, số lượng phép thử cần thiết là 4^n, vì mỗi vị trí trong đoạn có thể là một trong 4 loại nucleotide (A, C, G, T).

Tuy nhiên, trong trường hợp tổng quát với nhiều đoạn nucleotide ngắn khác nhau, chúng ta cần nhân các số lượng tổ hợp lại với nhau. Vì vậy, số lượng phép thử cần thiết sẽ là tích của (4^n1) x (4^n2) x (4^n3) x ... x (4^nk).

VẬN DỤNG

Sử dụng công cụ tìm kiếm trên Internet để biết được một số bài toán liên quan tới dữ liệu lớn cần tới tính ưu việt của máy tính và các thuật toán hiệu quả để giải quyết.

Bài làm rút gọn:

Tóm tắt ngắn gọn kiến thức trên Internet:

Dữ liệu lớn là một lĩnh vực quan trọng trong khoa học máy tính và công nghệ thông tin. Để giải quyết các bài toán liên quan đến dữ liệu lớn, chúng ta cần sự hỗ trợ của máy tính và các thuật toán hiệu quả. Dưới đây là một số điểm quan trọng:

- Tối ưu hóa: Thuật toán tối ưu hóa giúp tìm ra giải pháp tốt nhất trong một không gian lớn của các biến. Các thuật toán tối ưu hóa được sử dụng để tối ưu hóa các hàm mục tiêu, ví dụ như tối ưu hóa hàm chi phí trong mô hình học máy.

- Thuật toán: Thuật toán là bước quan trọng để xử lý dữ liệu lớn. Các thuật toán phải được thiết kế sao cho hiệu quả và có thể xử lý lượng dữ liệu lớn một cách nhanh chóng.

- Mạng nơ-ron sâu (Deep Learning): Deep Learning là một phương pháp học máy dựa trên mạng nơ-ron có khả năng học từ dữ liệu lớn và phức tạp. Nó đã được áp dụng rộng rãi trong xử lý ảnh, ngôn ngữ tự nhiên và nhiều lĩnh vực khác 1.

- Máy tính quang học: Máy tính quang học cũng là một công cụ mạnh mẽ để giải quyết các bài toán lớn với tốc độ ánh sáng 31.

- Máy tính lượng tử: Máy tính lượng tử có khả năng xử lý lượng tác vụ lớn một cách nhanh chóng hơn máy tính thông thường 2.