Алгоритмы генезиса и самодвижения логики
Казаков А.И., Обухов Л.И. 2008.
Киевская лаборатория искусственного интеллекта
alex@kazakov.kiev.ua
Оглавление:
1. Аннотация
2. Введение
3. Когнитрон
4. Алгоритмы Генезиса Логики (АГЛ)
5. Прайминг в АГЛ
6. Феномен обратимости когнитрона
7. Интеграция узнаваний
8. Алгоритм Самодвижения Логики (АСЛ)
9. Алгоритм Выбора Главного Паттерна (АВГП)
10. Проблема отказов в АСЛ
11. Новизна паттернов, создаваемых по АСЛ
12. Об объектах
13. Заключение
В данной статье освещается продолжение работ по созданию формализации теории деятельности и мышления [1]. Изложенная концепция может рассматриваться как формализация деятельностной парадигмы в психологии в русле психологических школ Л.С.Выготского, А.Н.Леонтьева, П.Я.Гальперина [2,3,4].
По Н.Винеру «обучающаяся машина должна программироваться опытом». Допустим за этой догадкой кроется какой-либо реальный алгоритм, который позволяет превращать опыт в библиотеку программ компьютерной системы. Грамматика в форме Бэкуса-Наура может работать в двух направлениях, она может служить проверкой цепочек опыта на синтаксическую правильность и одновременно может сама генерировать все синтаксически правильные цепочки опыта. Типичный пример, грамматика BNF для формул арифметики из литер вида 0,1,...9,X,Y,Z,+,-,*,/. Поставим обратную задачу: можно ли восстановить грамматику по последовательности примеров из правильных формул и провести аналогию между этой задачей и последовательностью впечатлений, попадающих в логику (ментальность) индивида из внешнего мира? Существует ли метод восстановления грамматики по ее потоку примеров? Точнее - по потоку примеров правильно построенных формул? Ответ на этот вопрос дается ниже в описании алгоритма генезиса логики (АГЛ). Поток опыта позволяет генерировать программы на основе его обработки. Однако формат этих программ имеет вид не языка Basic, Algol или C++, а формат клозов и процедур на языке Пролог, почему мы и называем совокупность сгенерированных таким образов клозов - логикой. Что делают, созданные, сгенерированные таким образом на основе опыта программы? Во-первых, они распознают в новых цепочках восприятия правильные образцы, во-вторых, они сами используются для управления поведением системы другим универсальным интерпретатором. Впечатления внешнего мира, поток ощущений, имеет структурированный характер, эти структуры можно улавливать и фиксировать в сети, создавая иерархию структур - паттернов свернутого движения. Такая иерархия будет иметь вид BNF для некоторой грамматики. Естественно связать эти грамматики с определенным "довербальным языком" , в котором получают свои значения и смыслы слова того или иного национального языка индивида. Свернутые в паттернах движения можно снова разворачивать согласно Алгоритму Самодвижения Логики (АСЛ), который должен прийти на смену стандартному интерпретатору Пролога и скорее выполнять функции "движения деятельности" и "мышления" , а не просто логического вывода для ответа на вопросы. Ведь кто-то должен эти вопросы задавать!
"Когнитрон" есть определенная самостоятельная концепция и программная архитектура, основанные на теории мышления и деятельности. Эта архитектура призвана моделировать восприятия, действия, процессы мышления и речи, происходящие в ментальности живых существ на разных уровнях когнитивного развития. Основное ядро системы - Алгоритмы Генезиса Логики (АГЛ), Алгоритм Самодвижения Логики (АСЛ) и Алгоритм Выбора Главного Паттерна (АВГП), моделирующие активность живого существа во внешней среде. Взаимодействие живого существа с внешним миром осуществляется через т.н. "когнитивные развертки" (цепочки когнитонов) - последовательности трехкомпонентных кодов вида
( 'восприятие,эмоция', 'действие' ).
Память живого существа моделируется ментальностью, состоящей из двух зон, представленных в существенно различных форматах и имеющих различную содержательную трактовку. Одна часть памяти, названная Зоной Хронологии, отвечает автобиографическому прошлому и хранится в той же последовательности, в какой поступает информация из внешнего мира. Вторая часть, Зона Знаний, соответствует навыкам, знаниям и языку - имеет представление в виде сети И/ИЛИ подобной формату базы Пролога. В этой "базе знаний" хранится информация в виде сети паттернов свернутого движения (сценариев). Важным является то, что все паттерны получают обоснование в области Хронологии, играющей роль системы чувственных образов. Обе зоны ментальности связаны между собой концептуально и Алгоритмы Генезиса Логики (АГЛ) существенно используют их обе. Информация накапливается в Зоне Хронологии, сходные и подобные участки когнитивных разверток выделяются процедурами АГЛ, поступают в сеть Зоны Знаний и структурируются там в виде паттернов свернутого движения. В свою очередь эти паттерны позволяют по-другому записывать ту же Хронологию не только с существенной ее упаковкой, но и давать определенную интерпретацию событиям прошлого в терминах символов Зоны Знаний. Символы паттернов образуют прото-понятия.
Опишем строение когнитрона.
"Когнитон" есть единица когнитивной развертки, состояние ментальности, комплекс примитивных следов, полученных в ментальности индивидом за короткий промежуток времени (0.3 сек). Это минимальная единица деятельности. Когнитон имеет следующий формат
( 'восприятие,эмоция', 'действие' ).
Запись восприятия может разбиваться на отдельные подкомпоненты согласно модальностям восприятия. Компонента 'эмоция' также имеет свои подкомпоненты, одна из которых успех/неуспех играет роль маркера отрицания в базе Пролога. Один из способов формального представления компоненты 'восприятие‘ – записать ее в виде конъюнкции фенотипических признаков из некоторого конечного ассортимента с переменными в качестве локусов, точек, отвечающих центрам частей в случае восприятия объекта. Компонента действия – это имя одной из конечного числа операций, выполняемых за короткий целостный квант деятельности.
"Когнитивная развертка" (когнитивный маршрут, когнитивный поток, развертка) содержательно представляет собой целостный сегмент деятельности индивида, его активности в среде в определенный сегмент времени, формально есть последовательность когнитонов. Под когнитивной разверткой физических визуально наблюдаемых объектов понимается последовательность актов восприятия с направлением взгляда и с глазодвигательными операциями в качестве действий. Каждый объект допускает множество когнитивных разверток в зависимости от сценария его осмотра. Однако все они могут быть в базе знаний объединены как экземпляры одного комплексированного символа. Так возникает связь символов с объектами. Можно еще сказать, что объекты есть не более, чем инварианты множества сценариев их осмотра.
"Когнитивный символ" есть определенный узел динамически создающейся в ментальности индивида сети, согласно алгоритмам генезиса логики. Когнитивные символы отвечают обобщенным когнитивным разверткам.
"Логика когнитрона" есть хранилище информации, всегда функционирующее на чтение/запись. Она имеет две зоны, условно называемые правополушарной и левополушарной.
"Правополушарная зона" (или Хронология) есть последовательность символов, возникающих в результате работы Алгоритмов Генезиса Логики (АГЛ) с процессом интеграции узнавания.
"Левополушарная зона" (или зона знаний) есть сеть типа И/ИЛИ из символов по отношению связей принадлежность к значению. Эта сеть, или база знаний, имеет структуру более богатую, чем база Пролога, каждый символ может рассматриваться как кластер клозов. Имеются две операции на символах: а) некоммутативная конъюнкция & или "." , операция смежности по времени б) некоммутативная дизъюнкция | или [...], операция образования понятийного комплекса с учетом времени
Задается "входной поток когнитонов", "поток мира" , который моделирует одновременно восприятия, действия индивида во внешнем мире и его эмоции/оценки.
4. Алгоритмы Генезиса Логики (АГЛ)
Алгоритмы Генезиса Логики работают инкрементально при поступлении каждого очередного когнитона, минимального кванта ( 'восприятие,эмоция', 'действие' ), они в общих чертах: создают новые узлы сети при обнаружении каждого тождества в последовательностях зоны Хронологии, выполняют процедуры "узнавания" групп литер в потоке со значениями символов в базы знаний, создают родовую иерархию прото-понятий, добавляя к ним отдельные экземпляры когнитивных разверток и обеспечивают первичное возникновение новых понятий на основе подобия по принципу "равных концов" , равного контекста. Каждый когнитон будет обозначаться отдельной литерой вида А, Б, ... Поток внешнего мира вместе с ощущениями от внутреннего органического мира (чувства, эмоции) представляется последовательностью литер. Очередная литера поступает в конец зоны Хронологии.
АГЛ-1. Алгоритм регулярного узнавания. Рассматривается два последних символа Хронологии, ... А В. Если в зоне знаний имеется структурный символ вида С => А & В, то его безусловная частотность инкрементируется и записывается в свойства символа С. В Хронологии выполняется замена А и В на С.
АГЛ-2. Алгоритм прайминг-узнавания. Рассматривается ситуация в Хронологии вида ... А В ... А В. Ясно, что в этой ситуации не работает АГЛ-1, т.е. в зоне знаний нет еще символа со значением А & В. Поскольку еще нет ни одного символа со значением А & В, то он создается впервые С => А & В как новый, отличающийся от всех остальных в базе знаний и с частотностью повторяемости 1. Теперь этот символ может участвовать в АГЛ-1 и увеличивать свою частотность. В Хронологии выполняется замена А и В на С. Создаваемые по этой части алгоритма символы называются "структурными символами" или конъюнктивными символами. Первые операции в дереве таких символов являются операциями конъюнкции.
АГЛ-3. Алгоритм регулярного комплексирования. Рассматриваются три последних символа Хронологии вида ... F В G. Если в зоне знаний имеется фамильный (т.е. комплексированный) символ вида C => F(...|А)G, то к его составу добавляется новый символ C => F(...|А|В)G. Затем в Хронологии выполняется замена F В G на С.
АГЛ-4. Алгоритм прайминг-комплексирования. Рассматривается ситуация в Хронологии ... F А G ... F В G. Ясно, что в этой ситуации невозможно срабатывание АГЛ-3, поэтому создается новый символ вида C => F(А|В)G. Затем в Хронологии выполняется замена F А G и F В G на С. Создаваемые по этой части алгоритма символы называются "комплексированными символами" (фамильными) или дизъюнктивными символами. Первые операции в дереве таких символов являются операциями дизъюнкции.
Под явлением прайминга мы понимаем особый психологический статус тех из психических явлений и событий, которые возникают впервые. Большая часть из них приходится на раннее детство, сюда относится и для каждого из 30.000 основ слов тот первый момент времени, когда оно было услышано или прочитано (или понято) впервые. Первые кушанья, первая собака, первая кошка, первая любовь и т.д. Прайминговые явления и события фиксируются в логике индивида, они образуют то, с чем впоследствии будут сравниваться последующие явления и события, они, конечно имеют особое очарование свежести и удивления. Прайминговыми могут быть не только ситуации удачи, успеха или удовольствия, не менее важны прайминговые неудачи, ошибки, провалы. Они становятся образцом того, что не надо делать, что не надо повторять и часто остаются в памяти в частотности 1-2. К прайминговым явлениям следовало бы противопоставить "прорастающие" явления, которые с одной стороны появляются впервые, а с другой стороны к ним уже имеется существенная подготовка. В качестве примера приведем слова, обращенные к ребенку до того, как он поймет значение какого-либо слова, он его неоднократно слышит от родителей и, возможно, понимание этого слова приходит не внезапно, как прайминг-эффект, а постепенно. У всех ментальных структур и систем имеется свое генетическое начало, свой прайминг.
6. Феномен обратимости когнитрона.
Процедуры АГЛ компрессируют, сжимают поток внешнего мира из когнитонов в поток символов, таким образом символам в Хронологии отвечают те "когнитивные развертки" , цепочки когнитонов, из которых они были получены. Обратно стандартный алгоритм обратного перечисления узлов дерева символа позволяет по символу построить "самую свежую" (или самую недавнюю) развертку этого символа в цепочку когнитонов. Обратимость когнитрона означает, что Хронология, представляющая поток мира и сжатая в символы не теряет своей информации, она "перетекает" в базу знаний, в деревья связей для каждого символа. По стандартному алгоритму можно снова восстановить поток мира из последовательности символов Хронологии, с дополнительной помощью сети в базе знаний. Здесь мы еще раз убеждаемся, что обе части ментальности зона Хронологии и зона знаний неразрывно связаны друг с другом и взаимно друга друга обусловливают.
Процесс "интеграции узнавания" состоит в итеративном применении алгоритма регулярного узнавания при поступлении когнитонов из потока мира в случае относительно богатых структур, представленных длинными развертками. Если вся структура встречалась раньше или ее части, то начнется процесс интеграции узнаваний вдоль восприятия развертки этой структуры.
8. Алгоритм Самодвижения Логики (АСЛ)
"Алгоритм Самодвижения Логики" (АСЛ) управляет активностью индивида во внешнем мире, развертывая паттерны свернутого движения, он на текущем шаге, на котором получены из пары (p,q) только p, подбирает операцию q так, чтобы согласовать активность индивида с определенным главным паттерном (Все паттерны свернутого движения организованы в зоне знаний в лес иерархий, вершины которых называются главными паттернами). Поэтому АСЛ зависит от выбранного главного паттерна. Он связывается с главным мотивом текущей деятельности индивида. Идея алгоритма состоит в том, главный паттерн, представленный главным символом зоны символов (базы знаний) в иерархии сети, представлен на самом нижнем уровне совокупностью когнитивных маршрутов, которые приводили к успеху в прошлом и которые обладают частотами. Поскольку индивид не контролирует последовательность восприятий непосредственно в каждой паре (p,q) (хотя остается возможность контроля литер восприятия в следующей паре), а только q, задачей алгоритма АСЛ является генерация такой операции, чтобы текущий маршрут либо совпадал с одним из семейства маршрутов главного паттерна, либо был максимально к нему близок. Для понимания АСЛ подходящей метафорой является представление главного паттерна в виде семейства маршрутов в лесу, выходящих из точки F и приходящих в точку G. Роль p играют признаки местности, на основании которых надо продолжить путь. Активность индивида управляется главным паттерном достижения точки G (при выходе из F), а АСЛ играет роль карты с руководством куда идти дальше.
АСЛ напоминает интерпретатор программ Пролога с тем только отличием, что отслеживается выбор допустимого продолжения, но без возвратов, поскольку движение в реальном мире (в норме) необратимо. В будущем при моделировании умственных сценариев как обработки затруднений и препятствий, возникающих в работе АСЛ, одной из умственных операций будет запуск интерпретатора Пролога с возвратами, но "под управлением АСЛ".
9. Алгоритм Выбора Главного Паттерна (АВГП)
Если мы спрашиваем каковы задачи, каковы цели внешней и внутренней деятельности, то в случае подчиненных паттернов свернутого движения вопрос решается простой отсылкой к объемлющему паттерну, это - структурная мотивация. В отличие от нее мотивация главных паттернов, которые не имеют по определению объемлющих паттернов, не может быть структурной. Это относится и к физическим и к умственным главным паттерном. Физические паттерны среди компонент <действие> своих когнитонов имеют внешне-двигательные операции. Умственные паттерны характеризуются внутренними, умственными операциями в компоненте <действие>. Мыслительная деятельность есть процесс интерпретации согласно АСЛ умственных паттернов и естественно входит как часть в более широкий процесс интерпретации смешанных умственно-физических паттернов. Что в таком случае может служить мотивацией для главных паттернов?
а) Для физических паттернов - органические потребности;
б) Избегание опасности;
в) Исследовательская мотивация;
г) Эхоическая, повторно-закрепительная мотивация;
д) Подражательная мотивация;
е) Отдыхающая мотивация, получение удовольствий;
ж) Внешне-принудительная мотивация;
з) Пусковая, рефлексо-подобная мотивация, текущая перцепция должна совпадать с начальной перцепцией выбираемого маршрута главного паттерна, как бы пусковое восприятие;
и) Из нескольких возможных главных паттернов выбирается наименее частотный, но с максимальной позитивной эмоцией. Если с позитивной эмоцией нет, то из "нескольких зол выбирается меньшее" ;
к) Если нет в точности подходящих паттернов для выбора, то выбрать "ближайший" к перцепции.
л) Запустить прерванный ранее паттерн.
При отказе в АСЛ, т.е. при невозможности порекомендовать для очередного восприятия подходящее действие в рамках главного паттерна, возникает ситуация подобная той, когда путник теряет дорогу в лесу, хотя и имеет карту. Что в таких случаях делает путник?
а) переходит к исследовательскому поведению (см. АВГП);
б) предпринимает специальные меры, чтобы обнаружить один из маршрутов главного паттерна;
в) формируется проблемная ситуация, требующая мышления для решение проблемы, затруднения.
Таким образом отказ в АСЛ это точка потенциального возникновения эвристик (под эвристикой мы понимаем формы опыта мыслительной деятельности), составляющих постепенную эволюцию в направлении развития все более изощренных процессов мышления.
11. Новизна паттернов, создаваемых по АСЛ
Паттерн Свернутого Движения (ПСД) есть операциональная программа возможного поведения, действий индивида, которая может реализовываться, интерпретироваться. Паттерны свернутого движения располагаются в Зоне Знаний ментальности и образуют иерархию И/ИЛИ. Они, будучи программами потенциального поведения в будущем, по структуре "склеены" как комплекс, как пучок траекторий, из всех сходных поведений в прошлом, которые при сходных условиях приводили к сходному результату. Активность, создаваемая и управляемая АСЛ, не является в полном смысле "творческой" , т.е. живое существо в виде главного паттерна всегда выполняет некоторый пучок траекторий когнитонов, взятых из своего прошлого. Однако небольшой элемент творчества все же содержится в АСЛ, результирующая траектория настоящего поведения, в зависимости от различных комбинаций сложившихся условий может привести не только к одной из бывших ранее целостных траекторий, но и может оказаться "склеенной" из кусочков различных траекторий прошлого. Если такая новая траектория приведет к успеху, т.е. положительной эмоциональной компоненте, то АГЛ (Алгоритм Генезиса Логики, алгоритм обнаружения и регистрации сходств и различий) сохранит ее в ментальности и добавит новые элементы в структуру этого же паттерна. Возникает очень важный эффект - успешная интерпретация паттерна свернутого движения по АСЛ одновременно всегда и корректирует этот паттерн, расширяя семейство условий и действий, при которых он был успешным. В этом суть развития логики по АГЛ. Все описанное выше может принадлежать ментальности всех живых существ, не обязательно человека.
В теории когнитронов символы отвечают не объектам, а обобщениям и структурам, полученным из последовательностей операций. Мы называем их паттернами свернутого движения, символы когнитрона есть всегда те или иные паттерны. Объекты же становятся производным понятием и отвечают определенному типу паттернов - сценариев осмотра, для слепых - сценариев ощупывания. Восприятие нового объекта можно получить только выполнив глазо-двигательный сценарий его осмотра. В отличие от обычных паттернов, для которых элементы восприятия первичны, а перцепции действий вторичны, в сценарии осмотра все наоборот - перцепции глазо-двигательных действий первичны, а восприятия - вторичны. Сценарий осмотра объекта есть активный паттерн по сбору информации. Если объектом является большой близко расположенный объект, комната, зал, то к глазо-двигательным операциям при сценарии осмотра подключаются действия головой и перемещения всем телом, локомоции. Инвертированность сценария осмотра есть его важная особенность, т. е. действия первичны, а получаемые элементы восприятия вторичны, они получены вследствие выполнения определенных действий, но нельзя сказать, что действия существенно контролируются восприятиями. Паттерн забивания гвоздя не является инвертированным, восприятия состояния рук, гвоздя, и молотка первичны, а действия по забиванию вторичны.
В случае инвертированного сценария осмотра возникает вопрос о правильности работы АСЛ (Алгоритма Самодвижения Логики). Действия в этом случае не управляются АСЛ, поскольку нельзя строго говорить о вовлеченности в определенный главный паттерн. Последовательность действий осмотра, например, в случае осмотра большого объекта, имеет импровизационный характер. Импровизация есть антитеза вовлеченности в определенный главный паттерн. Еще один удачный пример импровизационного характера процесса осмотра - осмотр выставки со многими комнатами и залами. Поскольку не все любят выполнять импровизационный паттерн боясь "заблудиться" (!) на помощь приходит экскурсовод, который как раз и выполняет стереотипный для него паттерн. Итак мы объединили в один класс инвертированных сценариев осмотра:
-- осмотр незнакомого человека
-- осмотр букета цветов
-- осмотр дверной ручки перед открыванием двери
-- осмотр части улицы перед тем как двигаться по ней дальше
-- осмотр авиалайнера с обходом его по кругу, возможно несколько раз
-- осмотр выставки со многими комнатами и залами с или без экскурсовода.
Возникает важная дихотомия - стереотипный/импровизационный паттерны свернутого движения. Импровизационность не означает полной свободы и хаотичности выбора операций и действий. Она означает, что доля свободы при выборе в рамках некоторого стереотипного паттерна на различных его уровнях выше, чем для режима строго следования стереотипу паттерна, который управляется в таких случаях механизмом АСЛ. Естественные импровизационные паттерны в большинстве случаев на верхних уровнях структуры имеют тенденцию возвращаться в лоно стереотипного паттерна после нескольких отклонений, если конечно не возникает феномен полной "потерянности" .
Согласно Лукасевичу формальная логика не есть мышление. А что же тогда мышление? Более глубоким является вопрос, что движет мышлением? В статье предлагается вариант моделирования деятельности индивида, включающий мышление как частный случай деятельности, а именно – внутренней. Предлагается механизм самодвижения деятельности, состоящий в развертывании при учете текущих условий, сохраненных в опыте паттернов свернутого движения.
1. Казаков А.И., Обухов Л.И., К целостной модели мыслительной деятельности. ИАИ-2007. 2007
2. Гальперин П.Я. Введение в психологию. М.: 'Книжный дом “Университет”’, 2000. - 336 с.
3. Шабельников В.К. Формирование быстрой мысли (психологические механизмы "непосредственного" понимания объектов). Алма-Ата. 1982.
4. Шабельников В.К. Функциональная психология. - М.Академический Проект, 2004, - 592 с. - ("Gaudeamus").