В.М. Казіев
При навчанні, в якості виконавців алгоритмів розглядаються часто лише автомати (Тьюрінга, Посту, фон Неймана, різні роботи) або їх комплекси. У ряді підручників і тлумачних словників виконавець розуміється як «автомат, здатний виконувати автоматично деякі програмні дії, зокрема, ЕОМ». Таке трактування поняття «Виконавець» може призвести як до нерозуміння ролі і місця людини і автомата в процесі цілеспрямованої обробки інформації (у кращому випадку), але і до різних технократичним утопій (в гіршому випадку).
Автор спробує розглянути це поняття стосовно до основного виконавцю алгоритмів - людині. Розгляд поняття «Виконавець» у шкільному (вузівському) курсі інформатики має спиратися на базові виконавці алгоритмів - Людина, Автомат, Природа (не обмежуючись, як це буває, тільки другим із зазначених типів) і на міждисциплінарному підході. Розгляд цього виконавця важливо ще й тому, що в інформаційному суспільстві актуальні когнітивні методи і процедури (від простого сприйняття до складного розуміння), перехід від процесу навчання до процесу навчання, самонавчання і, таким чином, важливо знати поняття і факти, що лежать в основі таких процедур і процесів.
Спробуємо підійти до викладу цієї важливої і непростої теми за допомогою змістовних прикладів.
Виконавець - це деяка абстрактна, біологічна, технічна, організаційна або змішаного типу система, здатна перетворювати інформацію або повідомлення з деякого фіксованого безлічі, званого операційним простором. Робота виконавця здійснюється в командному або програмному режимі. Будь-який виконавець складається з пристрою управління, "робочого інструменту" виконавця, має клас здійснимих алгоритмів.
Людина (спеціаліст) - специфічний виконавець. Повідомлення, які виконуються і використовуються людиною, зберігаються і передаються, як правило, у мовній формі (розмова, письмо, жести, міміка та ін.)
Як пристрій управління виконавця - людину або вищого тваринного виступає мозок (мозочок) і нервова система, передає і сприймає сигнали від навколишнього світу за допомогою органів почуттів.
Приклад. Передавальний орган людини (ефектор) - голосовий апарат (орган мови) - передає повідомлення за допомогою фізичних носіїв - звукових хвиль (15-20000 Гц). Сприймає орган (рецептор) - слухові мембрани - сприймають ці сигнали. Спосіб сприйняття - слуховий. Час реакції на повідомлення складає близько 200 мс. до відповіді чи реакції, так як роздратування від сигналів проводиться по нервових шляхах до мозку, де вони обробляються і потім відповідь проводиться до ефектору. Обробка сенсорних сигналів і вироблення відповіді на них відбувається на чотирьох різних рівнях нервової системи: на рівні кори головного мозку, на рівні таламуса, на рівні довгастого мозку, на рівні спинного мозку. Структура організації та функції головного мозку людини наведені нижче на рис. 1. Примітки: 1 - кора головного мозку (управління вищої нервової діяльності); 2 - борозни кори головного мозку (перетворення вхідної інформації в імпульси, що передаються рухової системи); 3 - таламус (керування вводом-висновком даних в кору головного мозку); 4 - середній мозок (введення-виведення даних від органів почуттів і імпульси управління м'язами); 5 - мозочок (центр вироблення вихідних імпульсів для рухової системи); 6 - довгастий мозок і мозковий міст (центр керування введенням-виведенням даних в канали зв'язку спинного стовбура), 7 - спинний стовбур (канал зв'язку для передачі даних від органів почуттів і вихідних імпульсів управління м'язами).
Рис. 1. Структура мозку людини
Приклад. Візуальні сигнали впливають на рецептори сітківки очей, а потім надходять у мозок по зорових нервах. На відміну від інших сигналів (що надходять через інші рецептори), візуальні сигнали минуть спинний мозок, тобто зорова реакція майже миттєва.
Якщо розглядати весь організм людини, то центром діяльності організму є нервова система, що виконує дві основні функції:
комунікативну - передачу інформації, одержуваної від рецепторів шкіри, очей, вух та інших органів до нервових центрів і, навпаки, від нервових центрів - до ефекторами, наприклад, м'язам;
інтеграцію та переробку одержуваної інформації, програмування найбільш адекватної реакції, починаючи від простих рефлексів і до складних розумових процесів.
Перша функція забезпечується периферичної нервової системою, що складається з соматичної системи (забезпечує зв'язок із зовнішнім світом) і вегетативної системи (забезпечує зв'язок з внутрішніми органами). Друга функція забезпечується центральною нервовою системою.
Розглянемо структуру центральної нервової системи (рис. 2).
Мозочок Великий Стовбур Соматична Вегетативна
мозок мозку нервова нервова
система система
Передній проміжної Середній Далі-Периферична
мозок точний мозок говатий нервова
мозок мозок система
Ефектори Рецептори
Рис. 2. Структура центральної нервової системи
Структурна одиниця нервової системи - нейрон, нервова клітина. Кора переднього мозку містить близько 103 - 104 нейронів, кожен з яких з'єднується з іншими нейронами синапсами, утворюючи кластери нейронів, які обмінюються повідомленнями типу «так - ні» (перемикання).
Нейрони - мікроскопічні маси протоплазми, укладені в мембрани, що виконують функції провідників сигналу від мозку і до мозку. На кінці кожного пучка нервових волокон є рецептори (клітини «введення») і ефектори (клітини «виведення»). Рецептори посилають сигнали по нейронних ланцюгів в головний мозок, де з допомогою нервової системи ведеться пошук релевантної ситуації інформації, його розпізнавання і обробка.
Приклад. При дотику, наприклад, до гарячого рукою, рецептори кінчиків палець, передають збудження через нервові закінчення і ланцюжки нейронів у мозок, де визначається релевантне в цій ситуації дія - сигнал м'язовій системі рук про необхідність зробити судорожне рух - отдернуть руку від гарячого.
Приклад. При проголошенні слова, як показують досліди, необхідно управління близько 50 м'язами (особи, гортані), які беруть участь в процесі вимови слова і для цього потрібно близько 250 звернень до образу цього слова в пам'яті людини.
Нейрони бувають різного типу: сенсорні (від рецептора шкіри до спинного мозку); сітківки (від рецепторів сітківки ока - до зорового нерву); рухові (від рецепторів м'язів до рухової кори). Вони утворюють своєрідні регістри (зорові, слухові, тактильні та ін.)
Нейрон служить для передачі інформації за рахунок нервових імпульсів. Розшифровка нервових імпульсів (інформації) відбувається у відповідних областях кори головного мозку. Нейрони кори мозку функціонують паралельно. Це їх важливе властивість і гідність.
Приклад. У корі переднього мозку близько 50 млрд. нейронів. Вони організовані, приблизно, в 600 млн. функціонують паралельно систем. Продуктивність такого типу "процесора" (розподіленого матричного або нейроподібні системи) дуже вражає (оцініть приблизно її!).
Особливістю мозку є високі якість та швидкість обробки інформації. Нейрони виконують обробку зі швидкістю всього близько 100 інструкцій на сек. (Порівняти з ЕОМ, що виконує мільйони інструкцій в сек.), Але вони швидше і ефективніше вирішують найбільш складні (для ЕОМ, зокрема) задачі розпізнавання і класифікації, прийняття рішень та інші погано формалiзуються, і структуровані проблеми.
Людський мозок - це система паралельно працюють підсистем, структур, що самоорганізуються за допомогою асоціативних зв'язків для вироблення, прийняття логічних (алгоритмічних, раціональних) рішень. Там де неможливо прийняти таке рішення (тобто не вдається асоціювати такі зв'язки), приймається евристичне рішення.
Кожна проблема має свій поріг формализуемости.
Приклад. Така «проста» для людини завдання, як знаходження вирішення квадратного рівняння має свій поріг формалізації. Якщо шукаємо речові коріння, то поріг визначається відомою формулою для коренів. За порогом цієї формалізації, якщо необхідно знаходити «дуже точні» раціональні корені, це завдання нерозв'язна для людського мозку, як і нескінченний ітераційний процес обчислення кореня з дискриминанта.
У кожному нейроні кори головного мозку одночасно обробляються порушення: мотивації, цілепокладання, зовнішні збудження - відображення поточного стану керованого об'єкта, порушення пам'яті (досвіду). Їх узгоджена обробка дає картину об'єкту і дозволяє приймати рішення. Так, мозок, безперервно перебираючи результати всіх минулих дій в аналогічних ситуаціях і порівнюючи їх з поточною ситуацією, обирає варіант, найбільш підходящий, доцільний і ефективний в даній конкретній ситуації. Якщо при цьому не знайдеться така ситуація, то обирається (прогнозується багатокритеріальної) такий стан, результат якого буде найбільш адекватний; цей результат і запам'ятовується далі.
Обробка інформації, як природна, так і штучна (за допомогою ЕОМ) - складова частина нашого чуттєвого сприйняття (рис. 3).
ПІЗНАВАТИ СИСТЕМА
З
З Отримання Емпіричні методи Отримання,
даних обробка Н
Р Емпірико-повідомлень
теоретичні методи А
Е
Отримання Отримання, Н
Д інформації Теоретичні методи зберігання
А
ПІЗНАЄТЬСЯ СИСТЕМА Я
Рис. 3. Структура пізнання системи
Зазначимо, що процес обробки інформації в мозку до цих пір недостатньо розкритий, вивчений і надає собою одну з найскладніших і найцікавіших проблем (не тільки нейрофізіології, нейропсихології, але і нейроматематики і нейроінформатікі - у зв'язку з актуальністю розробки нейрокомп'ютерів і нейроподібних обчислювальних середовищ і систем) .
У людини існує самостійна потреба в інформації. Нормальна життєдіяльність можлива лише тоді, коли із зовнішнього середовища є приплив не тільки речовини, енергії, але й інформації, коли немає явищ "інформаційного голоду".
Приклад. Коли у людини спостерігається ослаблення переробки інформації, відповідно, послаблюється і потреба в енергетичному і матеріальному ресурсах. Людина в стані апатії - малорухливий, втрачає апетит, погано спить, йому сняться погані сни.
Потреба в інформації задовольняється людиною двома основними способами:
пошуком нового в навколишньому середовищі, включаючи і людей як джерел інформації;
обробкою раніше отриманих вражень, тобто в процесі творчості.
Пам'ять людини буває:
сенсорна - на рівні рецепторів;
короткочасна - з моменту передачі сигналів від рецепторів до моменту їх інтерпретації;
довгострокова - від короткочасної затримки інформації в пам'яті до її стискування, передачі на довгострокове зберігання, тобто її структурування та архівації.
Важлива характеристика сенсорної і короткочасної пам'яті - їх здатність до забування, очищенню "осередків пам'яті".
Приклад. Експерименти показують, що інформація з слуховий пам'яті втрачається приблизно за 15-30 сек. Для зорової пам'яті цей час становить кілька сотень мсек.
У безпосередній пам'ять (сенсорну пам'ять) людини надходить інформація від органів чуття, далі вона переводиться в оперативну пам'ять (пам'ять свідомості), а потім вона пересилається в довгострокову пам'ять з допомогою підсвідомості. У довготривалій пам'яті, зокрема, зберігаються: форми поведінки (генетично закладені або придбані); об'єкти і образи, придбані в процесі навчання правилам і процедури виявлення та ідентифікації об'єктів; правила вибірки і організації інформації; відомості (повідомлення) з життєвого досвіду; побутові та професійні навички та вміння.
Людська пам'ять - це середовище, яке має здатність зберігати, запам'ятовувати, актуалізувати інформацію, придбану раніше мозком і керуючу поведінкою людини (див. рис. 4).
Система Система обробки Система Р
C сприйняття інформації виконання
Е
Т Довго-
Органи тимчасова Буферна А
І почуттів пам'ять зона
Система До
М управління
Коротко-Ц
У Буферна тимчасова М'язи
зона пам'ять І
Л
Я
Втрачене Втрачена Втрачена
сприйняття інформація функція
Рис. 4. Структура обробки інформації людиною
Стимули сенсорних регістрів (наприклад, рецептора) передають що надходить ззовні інформацію в короткочасну пам'ять, а з неї - в довгострокову. З довготривалої пам'яті інформація може пересилатися у короткочасну пам'ять.
Приклад. При погляді на (конкретний) стіл у людини може з довготривалої пам'яті асоціюватися поняття «Стіл» (абстрактне), а також інформація, пов'язана (асоціативно-інтуїтивними зв'язками) з цим поняттям, наприклад, відомості про споживчі якості столу.
Витяг інформації з короткочасної пам'яті займає дуже мало часу.
Приклад. Експерименти в лабораторії Белл показали, що час вилучення з короткочасної пам'яті однієї літери (цифри) дорівнює 10-30 мсек.
Витяг інформації з довготривалої пам'яті вимагає досить складних процедур. Спочатку виконується процедура сприйняття інформації. Відповідне («пробне») безліч сканується за допомогою процедури вибору стратегії в короткочасну пам'ять, потім з довготривалої пам'яті за допомогою процедури асоціації (евристики) визначається «пошуковий набір», відповідний даному пробного безлічі який передається в короткочасну пам'ять, а далі використовується процедура прийняття рішення про відповідність. Цей процес може бути ітераційним: продуктивним (успішний пошук) або непродуктивним (безуспішний пошук).
Інформація представляється у вигляді інформаційних кодів - впорядкованих ознак, які визначають об'єкт (зв'язок, поняття). Коди зв'язуються (асоціюються) між собою утворюючи структури пам'яті.
Нова інформація утримується в пам'яті освітою зв'язків між копіями кодів об'єктів (подій), тобто утворенням структур пам'яті спочатку в короткочасній, а потім і в довготривалій пам'яті. Так утворюються сховища знань. Пошук потрібного знання (сховища, де воно знаходиться) здійснюється направлено. Для знаходження відповідної структури пам'яті використовуються ознаки певних кодів, що визначають потрібну структуру. Кожна структура має свою адресу, по якому вона витягується з пам'яті в потрібній ситуації.
Приклад. На такому принципі грунтується завдання номера телефону деяких служб: 03 - «третя за важливістю служба», 911 - «номер, про який часто розповідали батьки на випадок надзвичайної ситуації».
У живому організмі, на відміну від автомата, машини, передача, зберігання чи обробка інформації, в кінцевому рахунку, відбувається за допомогою хімічних (біохімічних) реакцій. Повідомленнями, які передають інформацію, служать при цьому молекулярні системи.
Приклад. Білок - фермент, який є каталізатором певної біохімічної реакції, є перетворювач сигналу, що перетворює одні сигнальні молекули в інші. Будь-який організм живе за рахунок хімічних реакцій балансових, різниць концентрації хімічних речовин. Основа живого - білок, він синтезується з амінокислот, молекул виду (рис. 5):
Н
H2N З COOH
R
Рис. 5. Молекула білка
де R - різні радикали. Білкова ланцюг - деяке слово (стан) в алфавіті, що складається з 20 амінокислот (літер). Пам'ять людини або мозок людини має можливість запам'ятовувати за рахунок обміну речовин, метаболізму (анаболізму).
Обмін інформацією між нейронами (на біохімічному рівні) здійснюється за допомогою нейромедіаторів - спеціальних речовин, які активізують інші нейрони через синапси (зони контакту нейронів). Коли нейромедіатори впливають на рецептори нейрона, всередині нього активізуються білкові структури і відбувається переробка інформації.
Приклад. Для спрацьовування короткочасної пам'яті достатні слабкі і короткочасні імпульси, для активізації довготривалої пам'яті потрібні більш потужні та тривалі стимули. У першому випадку виділяється менше нейромедіаторів, а в другому, - більше і вони впливають на синапси, збільшуючи їх.
У живих організмів потенціали дій (електричні сигнали) проводять нервові волокна, а у рослин роль нервових волокон виконують "жилки" - провідні пучки, які пронизують всі тканини й органи. За цим жилах проводяться вода, мінеральне живлення та електричні сигнали. У живих організмах (на відміну від рослин) є "диспетчерська", звідки керуючі сигнали від зовнішніх подразників надходить до різних органів. "Диспетчерська" - це центральна нервова система, яка пов'язана з допомогою аксонів з нейронами (кластерами, групами нейронів) різного типу: зоровими, нюховими, слуховими та ін
Приклад. Розглянемо таке явище (стан), як спрага. Імпульси від рецепторів слизової оболонки ротової порожнини, шлунка надходять при зменшенні концентрації води в організмі, при зменшенні обсягу циркулюючої крові (відоме явище спраги при пораненнях). Ці імпульси передаються в проміжний мозок і потім надходять у "центр реакції на спрагу" - кластер нейронів у різних зонах гіпоталамуса, об'єднаних один з одним міжнейронних зв'язків. Потім вони інтегруються і в "центрі реакції на спрагу" виробляється інтегральний сигнал "тяга до води". При цьому інтегральна інформація аналізується з метою корекції регульованих параметрів організму (наприклад, вміст води і солі в клітинах), виробляючи адекватну роботу нирки, гормонального та нервового механізму (рис. 6).
Вода Центр реакції на спрагу
Рецептори Центральна нервова система
Кров Симпатична нервова система
Перерозподіл крові
Рис. 6. Структура інформаційних і керуючих сигналів при спразі
Фізико-хімічні реакції (клітинного метаболізму) здійснюються під керуванням ферментів, структура яких записана в ДНК генів. Генетична запис (інформація) передається від ДНК до РНК, від РНК до білка, регулюючи, допомагаючи самоорганізовуватися білковою структурою. Інформація, записана у вигляді послідовності нуклеотидів в ДНК гена, перезаписується на молекулу РНК, а потім генерується послідовність амінокислотних залишків, здійснюється синтез білка, створюється первинна структура майбутньої молекули білка і, нарешті, визначається білкова структура, її функції. Синтез білка, клітини, клітинних структур - центральна подія в житті організму. Зчитування повідомлень інформаційної РНК та їх трансляція призводить до появи у клітині молекул білка; інформаційні РНК здатні кодувати білки.
Завдання і вправи
ДНК людини можна уявити собі як деяке слово в алфавіті Х = {A, B, C, D}, де букві відповідає ланка ланцюга ДНК (нуклеотид). Середнє число їх дорівнює приблизно 1.5 '1023. Вважаючи, що ядро кожної з приблизно 1013 клітин людського тіла є хранителем генетичної інформації, оцінити обсяг інформації в тілі людини.
Ресурси людського мозку розраховані на переробку інформації в 16 біт в сек. Яка кількість інформації переробляє людина за своє життя, якщо переробка інформації йде безперервно протягом середньої тривалості життя, яку прийняти рівною 70 років.
Людина здатна розрізняти приблизно 130 градацій яскравості. Визначити, скільки біт необхідно, щоб їх закодувати, тобто якою мінімальною розрядності комбінації бітів потрібні для цього?
Час t реакції випробуваного на вибір предмета з наявних N предметів лінійно залежить від log2N: t = 200 +180 log2N (мс). За аналогічним законом змінюється і час передачі інформації в живому організмі. Один з дослідів з визначення психофізіологічних реакцій людини полягав у тому, що перед випробуваним велику кількість разів запалювалася одна з n лампочок, яку він повинен був вказати. Виявилося, що середній час, необхідне для правильної відповіді випробуваного, пропорційно не числа n лампочок, а саме величиною I визначається за формулою Шеннона, де pi - імовірність запалити лампочку номер i. Проаналізуйте цей факт і зробіть висновки про те, як можна використовувати цей факт для розуміння процесу передачі та кількості переданої інформації.
Для виживання людини необхідно умовно 1030 - 1040 біт інформації. Зростання спадкової інформації умовно оцінимо в 1010 - 1020 біт. Як і звідки може людина черпати інформацію, якої бракує?
Мозок людини містить близько 1030 синапсів. Чому дорівнює приблизно кількість різних станів мозку? Порівняйте його з числом всіх атомів у спостережуваної частини Всесвіту, що оцінюється як 1080.
Виконавець "Обчислювач" може виконувати наступні 4 команди: скласти (a, b, c) - знайти суму a + b і результат привласнити змінній c; відняти (a, b, c) - виконати c: = a-b; помножити (a , b, c) - c: = a * b; розділити (a, b, c) - c: = a / b. Записати найменшу послідовність команд "Обчислювача" для того, щоб обчислити значення функції y = [(x +2) 2 (x-2) - (x3-6x2 +12 x-8)] (x2 +5 x +6) / (x- 2) +5 / (x-4) у точках x = 1 і x = 5. Скласти інше завдання для цього виконавця. Модифікувати операційне середовище виконавця.
Виконавець "Художник" має наступні команди: відрізок (a, b, c, d) - накреслити відрізок з'єднує точку А (a; b) з точкою B (с; d) на площині; коло (a, b, r) - накреслити окружність радіуса r з центром в точці А (a; b); підняти - підняти (від паперу) олівець для малювання (закінчити малювання); опустити - опустити олівець на папір (розпочати малювання); розфарбувати (a, b, s) - розфарбувати внутрішню фігуру (до її кордонів), в яку потрапляє А (a; b) кольором номер s (s = 1 - червоний, s = 2 - зелений, s = 3 - блакитний, s = 4 - жовтий). Скласти найменшу послідовність команд для малювання квадрата (сторона - а див., лівий нижній кут в О (0; 0)) і кола, вписаного в даний квадрат (його центр збігається з центром квадрата), які розділені на однакові чотири частини і зафарбовуються так , що два однакові кольори не є сусідами за деякою протяжної кордоні фігури. Початкове положення "Художника" - початок координат, а його початковий "погляд" у напрямок променя Оx (x> 0). Скласти завдання для цього виконавця, модифікувати його операційне середовище.
Виконавець "кресляр" може виконувати команди побудови графіків: парабола (a, b, c) - параболи y = ax2 + bx + c; пряма (a, b) - прямий y = ax + b. Скласти найменшу послідовність команд "кресляра" для побудови графіків функції y = x4 +7 x2 +14, u = 3t2 +6, w = 5s-6. Початкове положення "кресляра" - початок координат, а його початковий "погляд" - в напрямок променя Оx (x> 0). Яку команду можна включити в операційне середовище для вирішення цього завдання?
Виконавець "Залізничник" може виконати команди: розчепити (a, b, n, m, k) - розчепити поїзд номер n в поїзд номер m з a вагонів і в поїзд номер k з b вагонів; видалити (n) - видалити поїзд номер n , причому це можливо тільки тоді, коли в ньому всього один вагон; визначити (n, a) - визначити число а вагонів потягу номер n. Записати мінімум команд "Залізничника", для видалення зі станції поїзда номер 23 складається з 11 вагонів.
Список літератури
Аткінсон Р. Людська пам'ять і процес навчання. М.: Прогрес, 1980.
Амамія М., Танака Ю. Архітектура ЕОМ та штучний інтелект. -М.: Світ, 1993.
Годфруа Ж. Що таке психологія. У 2 - томах. М.: Світ, 1992.
Інформатика. Енциклопедичний словник для початківців. Під ред. Поспєлова Д.А., - М.: Педагогіка-Прес, 1994.
Казіев В.М. http://www.kaziev.by.ru.
Пекеліс В. Маленька енциклопедія про велику кібернетиці. - М.: ДЛ, 1970.
Саган К. Дракони Едему. М.: Знання, 1986.