CC BY
81
Хотя функция Якайарг при решении дифференциального уравнения использует во внутренних расчетах переменный шаг, она вожращает приближённое решение на равномерной сетке (в равноотстоящих точках).
Функция іікшіарг имеет те же самые аргументы, что и функция гіфхесі. Матрица с приближенным решением, возвращаемая функцией Кк<и(ар(, идентична по виду матрице, иошращаемой функцией гіфхесі.
Аналитическое решения ДУ
У МмИса<1 очень небольшие возможности символьного решения дифференциальных уравнений. В частности, для решения ОДУ первого порядка можно записать готовую формулу для задачи Коши и символьно её проинтегрировать.
Приводящиеся в ряде пособий примеры решения дифференциальных уравне-
ний в символьном виде фактически демонстрируют общие формулы решения ОДУ, приводящиеся в различных учебниках по решению ОДУ, выполненные авторами с использованием текстовых возможностей изображения формул в Mathcad.
Литература
1. Хайрер Э., Нерсетт С., Виннер Г. Решение обыкновенных уравнений. Нежесткие задачи. - М.: Мир, 1998.-512 с.
2. Холл Дж., Уатт Дж. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. - М.: Мир, 1989. - 312 с.
3. Дьяконов В. Mathcad 2001: Учебный курс. -СПб.: Питер, 2001.-624 с.
4. Mathcad 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95 - М.: Информационно-издательский дом «ФилинЪ», 1997. -712 с.
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗВИТИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ИНТЕЛЛЕКТА
К.П. ШЕРЕМЕТЬЕВ, доцент кафедры автоматизации и управления МГУЛа, к. т. н.
В данной работе предлагается модель работы интеллекта. В рамках этой модели предполагается дать описание того, что такое интеллект и как он функционирует.
Цель работы
В настоящее время, в связи с развитием глобальной мировой сети Интернет, актуальной задачей становится обработка больших количеств неструктурированных и неупорядоченных объемов информации. В самой большой поисковой системе Google проиндексировано более 3 миллиардов вебстраниц [1]. Существующие методы обработки информации, используемые при построении баз данных и экспертных систем, предназначены в основном для работы с данными, имеющими формализованное описание.
В результате применение стандартных методов для обработки неструктурированных данных является неэффективным и требующим больших затрат времени. Дру-
гим аспектом данной проблемы является то, что в ряде случаев поиск информации осуществляется для ее последующего анализа и принятия определенного решения на ее основе. Для анализа информации требуется выделение в данной информации определенных зависимостей и построения некоторой модели, которая может обладать предсказывающими свойствами.
Системы, в которых делается попытка реализовать подобные возможности, получили название интеллектуальных систем [2].
Для успешного проектирования и создания подобных систем прежде всего необходимо понять те принципы функционирования, которые лежат в основе естественного интеллекта. В то же время даже само понятие «интеллект» не имеет достаточно конструктивного определения, позволяющего для любой системы точно установить, насколько интеллектуальной она является.
Целью настоящей работы является установление причин появления интеллекта
и выяснение основных составляющих интеллекта, их связь и взаимодействие в процессе функционирования.
Состояние проблемы
Рассмотрим существующие определения интеллекта. Краткий психологический словарь [3] дает следующее определение интеллекта: «Интеллект - относительно устойчивая структура умственных способностей индивида». То есть интеллект определяется через умственные способности. Сами умственные способности не определяются, но есть определение ума. «Ум - обобщенная характеристика познавательных возможностей человека». Определения познавательных возможностей в словаре нет. Очевидно, что данные определения не могут помочь в построении интеллектуальных систем.
Некоторые разработчики интеллектуальных систем считают, что можно использовать достаточно расплывчатые определения. Дж. Маккарти - автор понятия «искусственный интеллект» - писал, что определение интеллекта - это задача философов [4]. Директор лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института М. Минский определяет интеллект как способность решать трудные задачи [5].
В настоящее время компьютер «Deep blue» победил чемпиона мира по шахматам Г. Каспарова [6]. Хотя победа у чемпиона мира по шахматам, несомненно, является трудной задачей, но считать шахматную программу интеллектуальной все-таки нельзя.
Отсутствие конструктивного определения интеллекта не дает возможности реально оценивать интеллектуальные возможности существующих программ, что приводит к совершенно неоправданным ожиданиям разработчиков. При реализации японской программы создания ЭВМ пятого поколения с элементами искусственного интеллекта, ее авторы выражали обеспокоенность в связи с отсутствием единой теории интеллекта [7]. Но в то же время они же планировали этот интеллект создать. В результате данная программа закончилась ничем.
В трехтомном справочнике по искусственному интеллекту, подготовленному научным советом по проблеме «Искусственный интеллект», во главе с академиком Г.С. Поспеловым, принято следующее определение интеллектуальных систем: «Интеллектуальные системы предназначены для выполнения на ЭВМ таких практических задач, которые называются интеллектуальными, если они выполняются людьми» [2].
В данном случае даже нет попытки определения интеллекта, а само понятие интеллектуальной системы трактуется настолько широко, что не позволяет реально применять данное определение для анализа систем.
Однако такой подход к определению интеллектуальной системы свойственен большинству разработчиков подобных систем [8].
В наибольшей степени приблизились к научному определению интеллекта представители нового научного направления в психологии, так называемой когнитивной психологии, занимающейся познавательными возможностями человека.
Например, Гилфорд создал структуру интеллекта в виде трехмерной сети, которая состоит из 150 факторов. По одной оси откладываются дивергентное и конвергентное мышления, по второй оси - продукты мысленных операций, а по третьей - конкретные содержания задач [9].
Другой исследователь, Кэттел, делит интеллект на два подфактора - «подвижные способности» и «кристализованные способности». Подвижные способности обеспечивают понимание абстрактных и иногда новых отношений и проявляются при индуктивном рассуждении. Кристаллизованные способности связаны с накоплением фактов и общими знаниями [9].
Однако подобные определения страдают тем, что опираются на термины, которые в свою очередь не имеют строго определения, поэтому, как замечает профессор университета штата Невада Р. Солсо, «несмотря на широкое употребление слова «ин-
теллект», психологи к единому его определению не пришли» [9].
Определение интеллекта
Предложим свое определение интеллекта, которое дает возможность практического применения для оценки как биологических, так и технических систем.
Для начала определим тот круг явлений, который описывается термином «интеллект». Мозг человека возник в результате длительной эволюции животного мира. В процессе эволюции происходило непрерывное усовершенствование органов, позволяющих животным выживать в условиях окружающей их среды. Любой из органов человека, включая головной мозг, имеет множество промежуточных вариантов и в том или ином морфологическом варианте присутствует у многих животных.
Однако общее поведение человека разительно отличается от поведения любого представителя животного мира. Очевидно, что человек в процессе эволюции приобрел некоторое новое свойство, позволяющее ему действовать принципиально иначе. Это свойство человека мы и будем называть интеллектом.
Сложность изучаемого предмета требует выделения знаний о нем в отдельную науку, которую мы в дальнейшем будем называть интеллектикой.
Для понимания сути интеллекта необходимо обратить внимание не на конкретные прикладные результаты его работы -анализ данных и решение задач, как это обычно делается, - а на те условия, в которых интеллект появился и какие функции он выполняет. Любое исследование отдельных феноменов интеллекта, будь то память или речь, всегда упускает из виду наиболее существенную особенность интеллекта. Интеллект - это высшая психическая функция, интегрирующая все компоненты психической деятельности человека для достижения определенных целей. В отрыве от достижения этих целей рассматривать любую психическую активность бессмысленно.
В условиях борьбы за существование выживают только те виды животных, которые более всего приспособлены к окружающей их среде. Информация о нападении хищника или наличии пищи является жизненно важной, и виды, лучше других ее анализирующие, обладают лучшими шансами на выживание.
Нам нужно рассмотреть, как происходит обработка информации у живых организмов, и понять, что нового в обработку информации добавило появление интеллекта.
Для анализа функционирования интеллекта нам понадобится ввести новый термин. Важность информации для достижения некоторой цели мы будем называть валентностью. Термин «валентность» был введен в психологию Куртом Левиным. Левин предложил этот термин для обозначения свойства предмета иметь побудительный характер [10]. Мы используем этот термин в несколько ином значении. Отличие состоит в том, что мы связываем термин «валентность» со свойством информации, а не со свойством предмета. Так, например, поведение волка при получении информации о пище будет в значительной степени зависеть от сытости. Голод повышает валентность информации о пище, а насыщение ее понижает.
Животное непрерывно получает информацию от органов чувств, но ценность получаемой информации постоянно меняется. Таким образом, получаемый поток информации характеризуется некоторым распределением валентностей. Если даже очень голодное животное почувствует опасность, то цель поведения животного изменится. Поведение будет направлено на избежание опасности, а следовательно, изменится распределение валентностей. То есть распределение валентностей может меняться в зависимости от принимаемой информации.
Если мы сравним органы чувств животного с датчиками некоторой системы обработки информации, то увидим, что и в том, и в другом случаях есть некоторый поток информации. Но животное информацию вален-тирует, то есть накладывает на информацию некоторое распределение валентностей, в то
время как для информационной системы вся информация эквивалентна, то есть все валентности равны. Валентирование позволяет концентрировать свое внимание на наиболее важные объекты в окружающей среде, которые могут служить пищей или опасны для жизни. Валентирование существенно снижает объем информации для переработки и позволяет эффективно действовать даже в быстро меняющихся обстоятельствах.
Набор информации о внешнем мире с наложенным на него распределением валентностей мы будем назвать отражением внешнего мира. Животное отражает внешний мир, что позволяет ему избегать опасностей и выживать.
Эволюция животного мира состоит в эволюции систем отражения. Чем более полно и точно отражается внешний мир, тем больше шансов у животного выжить. Однако отражения только непосредственно окружающей среды недостаточно, так как всегда есть опасность появления новых опасностей, которые животное не отражает и справиться с ними не может. Таким образом, в результате эволюции должно появиться животное, которое сможет отразить не только непосредственно окружающую его среду, но и отражающую весь окружающий его мир. Человек и является таким животным. Таким образом, предназначение интеллекта в том, чтобы отразить весь окружающий мир и позволить человеку добиться любой цели, которую он перед собой поставит. Остается только понять, как именно интеллект это делает.
Так как мы можем представить себе человека как систему для обработки информации, то мы можем рассматривать интеллект просто как некоторое свойство этой системы и анализировать, какие действия интеллект производит с получаемой информацией.
В каждый момент времени существует информация с наибольшей валентностью, именно она заставляет животное изменить поведение. Такую информацию мы будем называть стимулом. Для животного поток информации, который оно воспринимает,
содержит стимулы, которые заставляют его менять поведение.
На примере эволюции живых организмов легко проследить, три основных способа реагирования на стимул:
1) инстинктивное реагирование;
2) реагирование с накоплением опыта;
3) интеллектуальное реагирование.
Инстинктивное реагирование - это
способ реагирования беспозвоночных. Программа реагирования заложена генетически в виде определенной комбинации нейронных связей. Например, у червя Саепогка-Ь(1Ш5 е^ат нервная система состоит всегда из 302 нейронов [11]. Связи между нейронами неизменны, а способности к обучению крайне ограничены. Сходную реакцию на стимул демонстрируют современные программы, которые содержат набор операторов с заданными условными переходами.
Реагирование с накоплением опыта осуществляют млекопитающие, которые имеют развитый головной мозг. Поведение каждой особи существенно зависит от индивидуального развития. Врожденными являются только примитивные наборы действий, которые с помощью обучения превращаются в сложные модели поведения. Мозг млекопитающих образует связи, в соответствии с реальным опытом животного. Если крысу вырастить в полной темноте, то число зрительных связей в мозге уменьшается, а число слуховых и обонятельных связей увеличивается [11].
Отличие человека в том, что он отражает весь окружающий мир, поэтому также отражает и самого себя в мире, и те стимулы, которые управляют его поведением. Отражения самого себя у человека происходит в виде «Я-образа». Следовательно, его поведение направлено не только на непосредственное взаимодействие с внешней средой, но и на создание стимулов, направляющих в дальнейшем его собственное поведение. Интеллект - это такой способ отражения окружающего мира, при котором отражающая система отражает саму себя. Другими словами, система с интеллектом, это система, сама вырабатывающая сти-
мулы для направления собственного поведения. Такое свойство системы мы будем называть автостимуляцией.
Автостимуляция предназначена для направления своего собственного поведения, в отличие от простой стимуляции поведения других особей. Для осуществления автостимуляции необходимо, чтобы система отражала саму себя и некоторое желательное состояние самой себя.
Стимулы, создаваемые при автостимуляции, могут обладать свойством отложенного действия, то есть они создаются до непосредственного их использования.
Наиболее распространенными примерами таких, заранее созданных, стимулов являются программы проведения различных мероприятий. Они являются вариантами стимулов, которые воздействуют на участников проведения этих мероприятий, но действуют не в момент их создания, а гораздо позже.
С другой стороны, человек может создать и непосредственно воздействующий автостимул, например, сказать себе: «Я должен сделать это!».
Автостимуляция позволяет планомерно и поэтапно распределить стимулы таким образом, чтобы достичь заранее намеченной цели.
Поэтому, вместо непосредственного реагирования на текущую ситуацию, человек может перейти к выполнению заранее обдуманного и всесторонне подготовленного плана, который и приведет к желанной цели. Именно это свойство выделяет человека от других представителей животного мира. Теперь мы можем дать строгое определение интеллекта.
Интеллект - это свойство системы достигать поставленных целей путем автостимуляции.
Имея строгое определение интеллекта, мы можем наметить общий путь построения интеллектуальных систем обработки информации.
Для построения интеллектуальных систем необходимо обеспечить возможность обработки системой информации не только
о решаемой задаче, но и о самой себе, и на основе этой информации и поставленной задачи направлять свою работу. Очевидно, что для обеспечения такой возможности нужно выйти на принципиально иной уровень представления данных, чем тот, который достигнут на настоящий момент.
Для разработки программных систем обработки информации можно ввести более удобный признак интеллектуальности системы, вытекающий из вышеприведенного определения интеллекта. Можно сказать, что программа является интеллектуальной, если она может менять свой собственный код для решения поставленной задачи.
Уровни развития интеллекта
Для оценки современного состояния искусственного интеллекта необходимо рассмотреть основные уровни развития естественного интеллекта и провести сравнительный анализ возможностей человека и машины.
В индивидуальном развитии интеллекта человека можно выделить три основных этапа развития:
1) эмоциональное реагирование - до
7 лет;
2) социальное реагирование - 7 ... 16
лет;
3) интеллектуальное реагирование -после 16 лет.
Основным анатомическим отличием мозга человека от мозга животного являются хорошо развитые лобные отделы мозга. Именно лобные отделы осуществляют высшую интеграцию функций мозга [12].
Сразу после рождения ребенка лобные доли мозга слабо развиты, и именно эта часть мозга быстрее всего развивается при обучении. Незрелость лобных долей приводит к тому, что общая координация функций мозга у ребенка осуществляется лимбической системой. Это означает, что ребенок или умственно отсталый человек реагирует эмоционально. Эмоциональное реагирование не включает детального анализа ситуации, а подразделяет ее на полярные интерпретации: «хорошо-плохо», «враг-друг»,
«убегать-нападать» и т. д. Это позволяет выживать человеку даже при слабом интеллектуальном развитии.
Начиная с семи лет, лобные доли коры достаточно развиты для того, чтобы воспринимать понятия и руководствоваться этими понятиями. Развитая лобная кора видоизменяет деятельность лимбической системы [12]. Теперь эмоция подчиняется мысленному управлению.
Командой для управления эмоцией служит слово. Подросток воспринимает слова и может управлять своим поведением. Это поведение направляется социальными установками, которые воспринимаются подростком как руководство к прямому действию. Анализ ситуации и управление поведением производятся в виде социальных установок: «мальчики не плачут», «девочки играют с куклами» и т. д.
В шестнадцать лет лобные доли окончательно берут на себя управление мозгом, и формируется устойчивый «Я-образ», который и определяет дальнейшее поведение человека. Анализ ситуации производится в виде мыслей: «я хочу», «мне надо», «я должен» и т. д.
Скорость интеллектуального развития определятся уровнем культурной среды и социальными требованиями к индивиду. При задержках индивидуального развития человек может эмоционально реагировать, даже будучи взрослым.
Для упрощения будем называть человека с преобладанием эмоционального реагирования дикарем, с преобладанием социального реагирования - обывателем, а с преобладанием интеллектуального реагирования - личностью.
Приложив эти определения к компьютерным программам, мы видим, что сейчас программы достигли, в лучшем случае, уровня дикаря. То же восприятие мира в ви-
де полярных интерпретаций: «да-нет», «единица-ноль». То же непонимание слов, игнорирование социальных установок. Невозможность самоосознания и самовоспитания.
Очевидно, что говорить об интеллектуальных системах еще рано. Компьютеры находятся в самом начале развития.
В то же время можно сделать несколько предположений о ближайшей эволюции программного обеспечения. Следующим шагом в программировании будет снабжение программ информации о самих программах. Жесткие связи сменят самонастраивающиеся модули, которые будут менять свой код в случае неуспешного решения задачи. Программы потребуют для работы этапа предварительно обучения для правильной интерпретации запросов пользователя.
Литература
1. Поисковая система Google. http://www. google, com /, 2003.
2. Искусственный интеллект: В 3 кн. / Под ред. Э.В. Попова. - М.: Радио и связь, 1990 г.
3. Краткий психологический словарь / Сост. Карпенко Л.А.. - М.: Политиздат, 1985.
4. Шалютин С.М. Искусственный интеллект: Гносеологический аспект. - М. Мысль, 1985.
5. Реальность и прогнозы искусственного интеллекта: Сб. статей / Пер. с англ. - М. Мир, 1987.
6. Чемпион побежден. Что теперь? // КомпьютерПресс. - 1997. -№ 7.
7. Макаллистер Дж. Искусственный интеллект и Пролог на микроЭВМ / Пер. с англ. - М. Машиностроение, 1990.
8. Уотермен Д. Руководство по экспертным системам / Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.
9. Солсо P.JI. Когнитивная психология / Пер. с англ. -М.: Тривола, 1996.
10. Ждан А.Н. История психологии: Учебник. - М.: МГУ, 1990.
11. Роуз С. Устройство памяти. От молекул к сознанию / Пер. с англ. - М.: Мир, 1995.
12. Блюм Ф., Лейзерсон А., Хафстедтер Л. Мозг, разум, поведение. - М.: Мир, 1988.
