Giải SGK Tin học 12 Kết nối tri thức Bài 27: Máy tính và Khoa học dữ liệu

Bài: Máy tính và Khoa học dữ liệu
1. Vai trò của máy tính đối với sự phát triển của khoa học dữ liệu
2. Tính ưu việt trong việc sử dụng máy tính và thuật toán hiệu
quả để xử lí dữ liệu lớn
Khởi động trang 145 Tin học 12: Những khả năng to lớn nào đã làm
cho máy tính ngày nay trở thành một công cụ xử lí thông tin hữu hiệu? Lời giải:
Máy tính ngày nay đã trở thành một công cụ xử lý thông tin hữu hiệu
nhờ vào những khả năng sau:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
Những khả năng này đã biến máy tính thành một công cụ vô cùng quan
trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta
1. Vai trò của máy tính đối với sự phát triển của khoa học dữ liệu
Hoạt động 1 trang 145 Tin học 12: Hãy thảo luận và cho biết máy tính
có vai trò như thế nào đối với sự phát triển của Khoa học dữ liệu. Lời giải:
Vai trò của máy tính đối với sự phát triển của Khoa học và dữ liệu:
- Xử lí và phân tích dữ liệu.
- Phân tích và khai phá dữ liệu.
- Trực quan hóa dữ liệu. - Tự động hóa. - Xử lí song song. - Điện toán đám mây.
Câu hỏi 1 trang 146 Tin học 12: 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. Lời giải:
Máy tính đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và lưu trữ dữ liệu
phục vụ quy trình Khoa học dữ liệu. Dưới đây là phân tích chi tiết về vai
trò của máy tính trong hai khía cạnh này:
- 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 trang 146 Tin học 12: Các công cụ trực quan hoá dữ liệu
của máy tính có vai trò như thế nào trong Khoa học dữ liệu? Lời giải:
Các công cụ trực quan hóa dữ liệu của máy tính đóng vai trò quan trọng
trong Khoa học dữ liệu vì chúng giúp hiển thị và truyền tải thông tin từ
dữ liệu một cách dễ hiểu và trực quan. Dưới đây là một số vai trò chính
của các công cụ trực quan hóa dữ liệu trong Khoa học 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 một cách trực quan và nhanh chóng.
- 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.
- 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.
- Tương tác và khám phá dữ liệu: Các công cụ trực quan hóa dữ liệu
thường cho phép tương tác trực tiếp với dữ liệu. Người dùng có thể
thay đổi góc nhìn, áp dụng bộ lọc, thực hiện phân loại và tìm kiếm để
khám phá và khai thác dữ liệu một cách tương tác. Điều này giúp nhà
khoa học dữ liệu và nhà phân tích dữ liệu tìm hiểu sâu hơn về dữ liệu và
đưa ra những phát hiện mới.
- 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 trang 148 Tin học 12: 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? Lời giải:
Để giải quyết những nhiệm vụ trong Dự án hệ gene người và xử lí, lưu
trữ khối lượng dữ liệu có quy mô lớn, có thể áp dụng các phương pháp và công nghệ sau:
- Hệ thống lưu trữ phân tán: Sử dụng các công nghệ lưu trữ phân tán
như Hadoop Distributed File System (HDFS) hoặc Ceph để chia nhỏ dữ
liệu thành các phân đoạn và phân phối chúng trên nhiều máy tính trong
một cụm hệ thống. Điều này giúp tăng khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu
song song, đồng thời cung cấp tính sẵn sàng cao.
- Công nghệ cơ sở dữ liệu phân tán: Sử dụng các cơ sở dữ liệu phân
tán như Apache Cassandra hay Apache HBase để lưu trữ và truy xuất
dữ liệu trên nhiều máy tính. Các cơ sở dữ liệu này hỗ trợ việc mở rộng
quy mô theo nhu cầu, đồng thời cung cấp khả năng xử lý song song và khả năng chịu lỗi cao.
- Công cụ xử lý dữ liệu phân tán: Sử dụng các công cụ phân tích dữ liệu
phân tán như Apache Spark hay Apache Hadoop để thực hiện các tác
vụ xử lý dữ liệu quy mô lớn. Các công cụ này hỗ trợ việc phân tán tính
toán và xử lý song song trên nhiều máy tính, giúp tăng tốc độ xử lý và
khả năng xử lý dữ liệu lớn.
- Công nghệ điện toán đám mây: Sử dụng các dịch vụ điện toán đám
mây như Amazon Web Services (AWS) hoặc Microsoft Azure để cung
cấp khả năng tính toán và lưu trữ linh hoạt, co dãn theo nhu cầu. Điện
toán đám mây cung cấp tài nguyên mạnh mẽ và mô hình thanh toán
theo yêu cầu, giúp giảm đầu tư cơ sở hạ tầng và tăng tính linh hoạt.
- Kỹ thuật nén dữ liệu: Áp dụng kỹ thuật nén dữ liệu để giảm kích thước
lưu trữ và tăng tốc độ truy cập. Có thể sử dụng các thuật toán nén dữ
liệu hiệu quả như gzip, Snappy hoặc LZ4 để nén dữ liệu trước khi lưu trữ.
- Quản lý dữ liệu hiệu quả: Sử dụng các phương pháp quản lý dữ liệu
hiệu quả như phân đoạn dữ liệu, chỉ lưu trữ những thông tin cần thiết,
và xác định các chỉ mục phù hợp để tối ưu hóa việc truy xuất dữ liệu.
Câu hỏi 2 trang 148 Tin học 12: 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? Lời giải:
Không, 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 1 trang 148 Tin học 12: Nêu ngắn gọn vai trò của máy tính
trong sự phát triển của Khoa học dữ liệu Lời giải:
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.
Luyện tập 2 trang 148 Tin học 12: 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? Lời giải:
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).
Vận dụng trang 148 Tin học 12: 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. Lời giải:
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:
- 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.
- 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.
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 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.
- 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.