Вологодський державний педагогічний університет
Факультет фізичної культури
Тема: Основні поняття і результати кібернетики
Виконав: студент 4 курсу ОЗО ФФК
Скороходько С.С.
Перевірив: Титова О.В.
Вологда 2010
Зміст
1.Історія кібернетики
1.1 Коріння кібернетичної теорії
1.2 XX століття
2. Наука кібернетика
2. Предмет і цілі і завдання.
2.2 Методи кібернетики
2.3 Кібернетика та комп'ютери
3.Значеніе та результати розвитку кібернетики
1.Історія кібернетики
1.1 Коріння кібернетичної теорії
В давнину термін «кібернетика» використовувався Платоном в контексті «дослідження самоврядування» в «Законах», для позначення управління людьми. Слово «cybern é tique» використовувалося практично в сучасному значенні в 1830 році французьким фізиком і систематизатор наук Андре Ампером (1775-1836), для позначення науки управління в його системі класифікації людського знання:
Перша штучна автоматична регулююча система, водяний годинник, була винайдена давньогрецьким механіком Ктезібій. У його водяних годинах вода витікала з джерела, такого як стабілізуючий бак, в басейн, потім з басейну - на механізми годин. Пристрій Ктезібій використовувало конусовидний потік для контролю рівня води у своєму резервуарі і регулювання швидкості потоку води відповідно, щоб підтримати постійний рівень води в резервуарі, так, щоб він не був ні переповнений, ні осушений. Це було першим штучним дійсно автоматичним саморегульованим пристроєм, що не вимагало ніякого зовнішнього втручання між зворотним зв'язком і керуючими механізмами. Хоча вони, природно, не посилалися на це поняття як на науку кібернетику, і вважали це областю інженерної справи. Ктезібій і інші майстри давнини, такі як Герон Олександрійський або китайський вчений Су Сун, вважаються одними з перших, які вивчали кібернетичні принципи. Дослідження механізмів у машинах з коригуючої зворотним зв'язком датується ще кінцем XVIII століття, коли паровий двигун Джеймса Уатта був обладнаний керуючим пристроєм, відцентровим регулятором зворотного зв'язку для того, щоб керувати швидкістю двигуна. А. Уоллес описав зворотний зв'язок як «необхідну для принципу еволюції» у його відомій роботі 1858 року. У 1868 році великий фізик Дж. Максвелл опублікував теоретичну статтю по керуючим пристроїв, одним з перших розглянув і вдосконалив принципи саморегульованих пристроїв. Я. Ікскюль застосував механізм зворотного зв'язку в своїй моделі функціонального циклу (Funktionskreis) для пояснення поведінки тварин.
1.2 XX століття
Сучасна кібернетика почалася в 1940-х як міждисциплінарна область дослідження, яка об'єднує системи управління, теорії електричних ланцюгів, машинобудування, логічне моделювання, еволюційну біологію, неврологію. Системи електронного управління беруть початок з роботи інженера Bell Labs Гарольда Блек у 1927 році за використання негативного зворотного зв'язку, для управління підсилювачами. Ідеї також мають відношення до біологічної роботі Людвіга фон Берталанфі у загальній теорії систем.
Ранні застосування негативного зворотного зв'язку в електронних схемах включали управління артилерійськими установками і радарними антенами під час Другої світової війни. Джей Форрестер, аспірант в Лабораторії сервомеханізмів в Массачусетському технологічному інституті, працював під час Другої світової війни з Гордоном Брауном С. над вдосконаленням систем електронного управління для американського флоту, пізніше застосував ці ідеї до громадських організацій, таких як корпорації і міста як початковий організатор Школи індустріального управління Массачусетського технологічного інституту в MIT Sloan School of Management. Також Форрестер відомий як засновник системної динаміки.
Численні роботи з'явилися в суміжних областях. У 1935 році російський фізіолог П. К. Анохін видав книгу, в якій було вивчено поняття зворотного зв'язку («зворотний афферентація»). Дослідження тривали, особливо в галузі математичного моделювання регулюючих процесів, і дві ключові статті були опубліковані в 1943 році. Цими роботами були «Поведінка, мета і телеологія» А. Розенблютом, Норберта Вінера і Дж.Бігелоу і робота «Логічне числення ідей, що відносяться до нервової активності» У. Мак-Каллока і У. Піттса.
Кібернетика як наукова дисципліна була заснована на роботах Вінера, Мак-Каллока та інших, таких як У. Р. Ешбі і У. Г. Уолтер.
Уолтер був одним з перших, хто побудував автономні роботи в допомогу дослідження поведінки тварин. Поряд з Великобританією і США, важливим географічним місцем розташування ранньої кібернетики була Франція.
Навесні 1947 року Вінер був запрошений на конгрес з гармонійного аналізу, проведеному в Нансі, Франція. Захід було організовано групою математиків Ніколя Бурбакі, де велику роль зіграв математик Ш. Мандельброта.
Під час цього перебування у Франції Вінер отримав пропозицію написати твір на тему об'єднання цієї частини прикладної математики, яка знайдена в дослідженні броунівського руху (т. зв. Винеровский процес) і в теорії телекомунікацій. Наступного літа, вже в Сполучених Штатах, він використовував термін «кібернетика» як заголовок наукової теорії. Ця назва була покликана описати вивчення «цілеспрямованих механізмів» і було популяризувати в книзі «Кібернетика, або управління і зв'язок в тварині і машині» (Hermann & Cie, Париж, 1948).
На початку 1940-х Джон фон Нейман, більш відомий роботами з математики та інформатики, вніс унікальне і незвичайне доповнення у світ кібернетики: поняття клітинного автомата і «універсального конструктора» (самовідтворюваного клітинного автомата). Результатом цих оманливо простих уявних експериментів стало точне поняття самовідтворення, яке кібернетика прийняла як основне поняття. Поняття, що ті ж самі властивості генетичного відтворення ставилися до соціального світу, живих клітин і навіть комп'ютерним вірусам, є подальшим доказом універсальності кібернетичних досліджень.
Вінер популяризував соціальні значення кібернетики, провівши аналогії між автоматичними системами (такими як регульований паровий двигун) і людськими інститутами в його бестселері «Кібернетика і суспільство» (The Human Use of Human Beings: Cybernetics and Society Houghton - Mifflin, 1950).
Одним з головних центрів досліджень в ті часи була Біологічна комп'ютерна лабораторія в Іллінойському університеті, якій протягом майже 20 років, починаючи з 1958 року, керував Х. Ферстер.
1.3 Занепад і відродження
Протягом останніх 30 років кібернетика пройшла через злети і падіння, ставала все більш значущою в області вивчення штучного інтелекту та біологічних машинних інтерфейсів, тобто кіборгів, але, позбувшись підтримки, втратила орієнтири подальшого розвитку.
У 1970-х нова кібернетика проявилася в різних областях, але особливо - в біології. Деякі біологи під впливом кібернетичних ідей Матурана і Варела, «усвідомили, що кібернетичні метафори програми, на яких базувалася молекулярна біологія, представляли собою концепцію автономії, неможливу для живої істоти. Отже, цим мислителям довелося винайти нову кібернетику, більш придатну для організацій, які людство виявляє в природі - організацій, що не винайдених ним самим ». Можливість того, що ця нова кібернетика застосовна до соціальним формам організацій, залишається предметом теоретичних суперечок з 1980-х років.
В економіці в рамках проекту Кіберсін спробували ввести кібернетичну адміністративно-командну економіку в Чилі на початку 1970-х. Експеримент був зупинений в результаті путчу 1973 року, обладнання було знищено.
У 1980-х нова кібернетика, на відміну від її попередниці, цікавиться «взаємодією автономних політичних фігур і підгруп, а також практичного і рефлексивного свідомості предметів, що створюють і відтворюють структуру політичної спільноти. Основне думка - розгляд рекурсивно, або самозавісімості політичних виступів, як щодо вираження політичної свідомості, так і шляхами, в яких системи створюються на основі самих себе ».
Голландські вчені-соціологи Гейер і Ван дер Зоувен в 1978 році виділили ряд особливостей з'являється нової кібернетики. «Однією з особливостей нової кібернетики є те, що вона розглядає інформацію як побудовану і відновлену людиною, що взаємодіє з навколишнім середовищем. Це забезпечує епістемологічної підставу науки, якщо дивитися на це з точки зору спостерігача. Інша особливість нової кібернетики - її внесок у подолання проблеми редукції (протиріч між макро-і мікроаналізу). Таким чином, це пов'язує індивідуума з суспільством ». Гейер і Ван дер Зоувен також відзначили, що «перехід від класичної кібернетики до нової кібернетики призводить до переходу від класичних проблем до нових проблем. Ці зміни в роздуму включають, серед інших, зміни від акценту на керованій системі до керуючої та фактору, який направляє керуючі рішення. І новий акцент на комунікації між декількома системами, які намагаються керувати одне одним ».
Останні зусилля у вивченні кібернетики, систем управління і поведінки в умовах змін, а також в таких суміжних галузях, як теорія ігор (аналіз групової взаємодії), системи зворотного зв'язку в еволюції і дослідження метаматеріалів (матеріалів з властивостями атомів, їх складових, за межами ньютоново властивостей), призвели до відродження інтересу до цієї все більш актуальною області.
2.Наука кібернетика
2.1 Предмет, цілі і завдання
Специфіка цієї науки полягає в тому, що вона вивчає не речовинний склад систем і не їх структуру, а результат роботи даного класу систем. У кібернетиці вперше було сформульовано поняття «чорного ящика» як пристрою, що виконує певну операцію над сьогоденням і минулим вхідного потенціалу, але для якого ми необов'язково маємо інформацію про структуру, що забезпечує виконання цієї операції.
Кібернетика як наука про управління об'єктом свого вивчення має управляючі системи. Для того щоб у системі могли відбуватися процеси управління, вона повинна мати певний ступінь складності. З іншого боку, здійснення процесів управління в системі має сенс тільки в тому випадку, якщо ця система змінюється, рухається, тобто якщо мова йде про динамічній системі. Тому можна уточнити, що об'єктом вивчення кібернетики є складні динамічні системи. До складних динамічних систем належать: живі організми (тварини та рослини), соціально-економічні комплекси (організовані групи людей, бригади, підрозділи, підприємства, галузі промисловості, держави) і технічні агрегати (конвеєрні лінії, транспортні засоби, системи агрегатів).
Однак, розглядаючи складні динамічні системи, кібернетика не ставить перед собою завдання всебічного вивчення їх функціонування. Хоча кібернетика і вивчає загальні закономірності керуючих систем, їхні конкретні фізичні особливості знаходяться поза полем її зору. Так, при дослідженні з позицій кібернетичної науки такої складної динамічної системи, як потужна електростанція, ми не зосереджуємо увагу безпосередньо на питанні про коефіцієнт її корисної дії, габаритах генераторів, фізичні процеси генерування енергії і т. д. Розглядаючи роботу складного електронного автомата, ми не цікавимося, на основі яких елементів (електромеханічні реле, лампові або транзисторні тригери, ферритові сердечники, напівпровідникові інтегральні схеми) функціонують його арифметичні і логічні пристрої, пам'ять і т. ін Нас цікавить, які логічні функції виконують ці пристрої, як вони беруть участь у процесах управління. Вивчаючи, нарешті, з кібернетичної точки зору роботу певного соціального колективу, ми не вникаємо в біофізичні та біохімічні процеси, що відбуваються всередині організму індивідуумів, які складають цей колектив.
Вивченням усіх перелічених питань займаються механіка, електротехніка, фізика, хімія, біологія. Предмет кібернетики складають тільки ті сторони функціонування систем, якими визначається протікання в них процесів управління, тобто процесів збору, обробки, зберігання інформації та її використання для цілей управління. Проте коли ті чи інші приватні фізико-хімічні процеси починають істотно впливати на процеси управління системою, кібернетика повинна включати їх у сферу свого дослідження, але не всебічного, а саме з позицій їх впливу на процеси управління. Таким чином, предметом вивчення кібернетики є процеси управління в складних динамічних системах.
Основна мета кібернетики як науки про управління - домагатися побудови на основі вивчення структур і механізмів управління таких систем, такої організації їх роботи, такої взаємодії елементів усередині цих систем і такої взаємодії із зовнішнім середовищем, щоб результати функціонування цих систем були найкращими, тобто приводили б найшвидше до заданої мети функціонування при мінімальних витратах тих чи інших ресурсів (сировини, людської праці, машинного часу, пального і т. д.). Все це можна визначити коротко терміном «оптимізація». Таким чином, основною метою кібернетики є оптимізація систем управління.
До головних завдань кібернетики відносяться:
а) встановлення фактів, загальних для всіх керованих систем або, принаймні, для деяких їх сукупностей;
б) виявлення обмежень, властивих керованих систем, і встановлення їх походження;
в) знаходження загальних законів, яким підкоряються керовані системи;
г) визначення шляхів практичного використання встановлених фактів і знайдених закономірностей.
2.2 Методи кібернетики
Загальним методом пізнання, в рівній мірі застосовується до дослідження всіх явищ природи і громадського життя, служить матеріалістична діалектика. Однак, крім загально філософського методу, у різних областях науки застосовується велика кількість спеціальних методів.
До недавнього часу в біологічних і соціально-економічних науках сучасні математичні методи застосовувалися в досить обмежених масштабах. Тільки останні десятиліття характеризуються значним розширенням використання в цих областях теорії ймовірностей і математичної статистики, математичної логіки і теорії алгоритмів, теорії множин та теорії графів, теорії ігор і дослідження операцій, кореляційного аналізу, математичного програмування та інших математичних методів. Теорія і практика кібернетики безпосередньо базуються на застосуванні математичних методів при описі і дослідженні систем і процесів управління, на побудові адекватних їм математичних моделей і вирішенні цих моделей на швидкодіючих ЕОМ. Таким чином, одним з основних методів кібернетики є метод математичного моделювання систем і процесів управління.
Системи вивчаються в кібернетиці за їх реакцій на зовнішні впливи, інакше кажучи, за тими функціями, які вони виконують. Поряд з речовинним і структурним підходами, кібернетика ввела в науковий обіг функціональний підхід як варіант системного підходу в широкому сенсі слова. Застосування системного та функціонального підходів при описі і дослідженні складних систем належить до основних методологічних принципів кібернетики.
Системний підхід виражається в комплексному вивченні системи з позицій системного аналізу, тобто аналізу проблем і об'єктів як сукупності взаємозалежних елементів, виходячи з уявлень про певну цілісності системи.
Функціональний аналіз має на меті виявлення і вивчення функціональних наслідків тих чи інших явищ або подій для досліджуваного об'єкта. Відповідно, функціональний підхід припускає врахування результатів функціонального аналізу при дослідженні і синтезі систем управління.
Для дослідження систем кібернетика використовує три принципово різних методи: математичний аналіз, фізичний експеримент і обчислювальний експеримент.
Перші два з них широко застосовуються і в інших науках. Сутність першого методу полягає в описі досліджуваного об'єкта в рамках того чи іншого математичного апарату (наприклад, у вигляді системи рівнянь) і наступного вилучення різних наслідків із цього опису шляхом математичної дедукції (наприклад, шляхом розв'язання відповідної системи рівнянь). Сутність другого методу полягає в проведенні різних експериментів або із самим об'єктом, або з його реальною фізичною моделлю. У разі унікальності досліджуваного об'єкта і неможливості суттєвого впливу на нього (як, наприклад, у випадку Сонячної системи або процесу біологічної еволюції) активний експеримент переходить в пасивне спостереження.
2.3 Кібернетика та комп'ютери
З числа складних технічних перетворювачів інформації найбільше значення мають комп'ютери. Комп'ютери мають властивість універсальності. Це означає, що будь-які перетворення буквено-цифрової інформації, які можуть бути визначені довільною кінцевою системою правил будь-якої природи (арифметичних, граматичних тощо), можуть бути виконані комп'ютером після введення в нього складеної належним чином програми. Іншим відомим прикладом універсального перетворювача інформації (хоча і заснованого на зовсім інших принципах) є людський мозок. Властивість універсальності сучасних комп'ютерів відкриває можливість моделювання р. їх допомогою будь-яких інших перетворювачів інформації, в тому числі розумових процесів. Таким чином, з моменту свого виникнення комп'ютери представляють собою основне технічний засіб, основний апарат дослідження, яким володіє кібернетика.
Точно так само, як різноманітні машини і механізми полегшують фізичну працю людей, комп'ютери полегшують його розумову працю, заміняючи людський мозок у його найбільш простих і рутинних функціях. Комп'ютери діють за принципом «так-ні», і цього достатньо для того, щоб створити обчислювальні машини, хоча й поступаються людському мозку в гнучкості, але переважаючі його по швидкості виконання обчислювальних операцій. Аналогія між комп'ютерами й мозком людини доповнюється тим, що комп'ютери як би грають роль центральної нервової системи для пристроїв автоматичного управління.
Введене в кібернетиці поняття самообучающихся машин аналогічно відтворенню живих систем. І те, і інше має на увазі створення систем, подібних або ідентичних батьку. Це відноситься як до машин, так і до живих систем.
Процес відтворення - це завжди динамічний процес, що включає якісь сили або їх еквіваленти. Вінер так сформулював гіпотезу відтворення, яка дозволяє запропонувати єдиний механізм самовідтворення для живих і неживих систем: «Один з можливих способів представлення цих сил полягає в тому, щоб помістити активний носій специфіки молекули в частотному будові її молекулярного випромінювання, значна частина якого лежить, по- Мабуть, в області інфрачервоних електромагнітних частот або навіть нижче. Може виявитися, що специфічні речовини (віруси) при деяких обставинах випромінюють інфрачервоні коливання, що мають здатність сприяти формуванню інших молекул вірусу з невизначеної магми амінокислот і нуклеїнових кислот. Цілком можливо, що таке явище дозволено розглядати як деякий привабливе взаємодія частот ».
Сучасні ЕОМ значно перевершують ті, які з'явилися на зорі кібернетики. Ще 10 років тому фахівці сумнівалися, що шаховий комп'ютер коли-небудь зможе обіграти пристойного шахіста, однак тепер він майже на рівних б'ється з чемпіоном світу. Те, що машина ледве було, не виграла у Каспарова за рахунок величезної швидкості перебору варіантів (100 мільйонів у секунду проти двох у людини), гостро ставить питання не тільки про можливості комп'ютерів, але і про те, що таке людський розум.
Передбачалося два десятиліття тому, що ЕОМ будуть з роками все більш потужними і масивними, але всупереч прогнозам найбільших учених були створені персональні комп'ютери, які стали повсюдним атрибутом нашого життя. У перспективі нас чекає загальна комп'ютеризація й створення людиноподібних роботів.
3. Значення та результати розвитку кібернетики
Значення кібернетики визнано в різних сферах.
Філософське значення, оскільки кібернетика дає нове уявлення про світ, засноване на ролі зв'язку, управління, інформації, організованості, зворотного зв'язку, доцільності, ймовірності.
Соціальне значення, оскільки кібернетика дає нове уявлення про суспільство як організованому цілому.
Загальнонаукове значення в трьох значеннях: по-перше, тому що кібернетика дає загальнонаукові поняття, які виявляються важливими в інших областях науки - поняття управління, сложнодінаміческой системи тощо; по-друге, тому що дає науці нові методи дослідження: імовірнісні, стохастичні, моделювання на ЕОМ і т.д., по-третє, тому що на основі функціонального підходу «сигнал-відгук» кібернетика формує гіпотези про внутрішній склад і будову систем, які потім можуть бути перевірені в процесі змістовного дослідження. Наприклад, у кібернетиці вироблено правило (вперше для технічних систем), відповідно, з яким для того, щоб знайти помилку в роботі системи, необхідна перевірка роботи трьох однакових систем. По роботі двох знаходять помилку третьою. Можливо, так діє і мозок.
Методологічне значення кібернетики визначається тією обставиною, що вивчення функціонування більше простих технічних систем використовується для висування гіпотез про механізм роботи якісно більше складних систем (живих організмів, мислення людини) з метою пізнання відбуваються в них процесів: відтворення життя, навчання і т.п. Подібне кібернетичне моделювання особливо важливо в даний час в багатьох галузях науки, оскільки відсутні математичні теорії процесів, що протікають у складних системах, і доводиться обмежуватися їх простими моделями.
Найбільш відомо технічне значення кібернетики: створення на основі кібернетичних принципів електронно-обчислювальних машин, роботів, штучного інтелекту, персональних комп'ютерів, що породило тенденцію кібернетизації та інформатизації не тільки наукового пізнання. Але і всіх сфер життя.
Досягненням кібернетики є розробка і широке використання нового методу дослідження, що отримав назву обчислювального або машинного експерименту, інакше званого математичним моделюванням. Сенс його в тому, що експерименти проводяться не з реальною фізичною моделлю досліджуваного об'єкта, а з його математичним описом, реалізованим у комп'ютері. Величезне швидкодія сучасних комп'ютерів часто дозволяє моделювати процеси у швидшому темпі, ніж вони відбуваються насправді. У дослідженні кібернетикою засобів зв'язку і моделей управління їй знадобилося ще одне поняття, яке було давно відомо, але вперше одержало фундаментальний статус у природознавстві - поняття інформації (з латинського - ознайомлення) як міри організованості системи на противагу поняттю ентропії як міри неорганізованості.
Тягнучись на вивчення все більш складних систем, метод моделювання стає необхідним засобом, як пізнання, так і перетворення дійсності.
Розвиток інформаційної техніки дозволило компенсувати людині психофізіологічну обмеженість свого організму в ряді напрямків. "Зовнішня нервова система", створювана і розширювана людиною, вже дала йому можливість виробляти теорії, відкривати кількісні закономірності, розсовувати межі пізнання складних систем. Штучний інтелект та його вдосконалення перетворюють кордону складності, доступні людині, в систематично розсуваються. Це особливо важливо в сучасну епоху, коли суспільство не може успішно розвиватися без раціонального управління складними і надскладними системами. Розробка проблем штучного інтелекту є істотним внеском в усвідомлення людиною закономірностей зовнішнього і внутрішнього світу, у їхнє використання в інтересах суспільства і тим самим у розвиток свободи людини.
Література
Велика Радянська Енциклопедія (електронна бібліотека DJVU).
Велика енциклопедія Кирила і Мефодія 2010
Вікпедія. Стаття «Кібернетика».
Горелов А. А. Концепції сучасного природознавства: навчальний посібник. - М.: Вища освіта, 2006. - 335с
Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепції сучасного природознавства: Підручник. - 6-е вид., Перераб. і доп. - М.: Видавничо-торгова корпорація «Дашков і К °», 2007. - 540 с.
КІБЕРНЕТИКА http://www.bibliotekar.ru/rInform/24.htm