Виконавець алгоритмів - людина

В.М. Казіев

При навчанні, як виконавці алгоритмів розглядаються часто лише автомати (Тьюринга, 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 виконавця алгоритмів - людині. Розгляд поняття «Виконавець» в шкільному (вузівському) курсі інформатики має спиратися на базові виконавці алгоритмів - Людина, Автомат, Природа (не обмежуючись, як це буває, тільки другий 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 непростий теми за допомогою змістовних прикладів.

Виконавець - це певна абстрактна, біологічна, технічна, організаційна або змішаного типу система, здатна перетворювати інформацію або повідомлення з деякого фіксованого множини, званого операційним простором. Робота виконавця здійснюється в командному або програмному режимі. Будь-який виконавець складається з пристрої управління, "робочий інструмент" 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 -- людини або вищої тварини виступає мозок (мозочок) і нервова система, що передає і сприймає сигнали від навколишнього світу за допомогою органів чуття.

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 або реакції, так як роздратування від сигналів проводиться по нервових шляхах до мозку, де вони обробляються і потім відповідь проводиться до Ефектор. 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 і функції головного мозку людини наведені нижче на рис. 1. Примітки: 1 - кора головного мозку (управління вищої нервової діяльністю); 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 управління вводом-висновком 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 з 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, що отримується від рецепторів шкіри, очей, вух та інших органів до нервових центрів і, навпаки, від нервових центрів - до ефекторів, наприклад, м'язам;

інтеграцію і 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 (що 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).

                

Центральна нервова система

                                                                                   

Головний мозок Спинний мозок

                                                                

Мозочок Великий Ствол Соматична Вегетативна

мозок мозку нервова нервова

система система

                                                       

Передній переможе-середньою тривалістю 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, що обмінюються повідомленнями типу "так - ні» (перемикання).

Нейрони - мікроскопічні маси протоплазми, укладені в мембрани, що виконують функції провідників сигналу від мозку й до мозку. На Наприкінці кожного пучка нервових волокон є рецептори (клітини «введення») і Ефектори (клітини «виведення»). Рецептори посилають сигнали по нейронних ланцюгів в головний мозок, де за 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 ланцюжка нейронів у мозок, де визначається релевантне в цій ситуації дію - Сигнал м'язової системи 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), що 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 зоровому нерву); рухові (від рецепторів м'язів до рухової корі). Вони утворюють своєрідні регістри (зорові, слухові, тактильні та ін.)

Нейрон служить для передачі інформації за рахунок нервових імпульсів. Розшифровка нервових імпульсів (інформації) відбувається в відповідних областях кори головного мозку. Нейрони кори мозку функціонують паралельно. Це їх важливу 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 в сек. (порівняти з ЕОМ, що виконує мільйони інструкцій у сек.), але вони швидше й ефективніше вирішують найбільш складні (для ЕОМ, у зокрема) задачі розпізнавання і класифікації, прийняття рішень та інші погано формалiзуються, і структуровані проблеми.

Людський мозок - це система паралельно працюючих підсистем, структур, самоорганизующихся 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 формалiзуються,.

Приклад. Така «проста» для людини завдання, як знаходження рішення 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 діскрімінанта.

У кожному нейроні кори головного мозку одночасно обробляються збудження: мотивації, цілепокладання, зовнішні збудження - відображення поточного стану керованого об'єкта, порушення пам'яті (досвіду). Їх узгоджена обробка дає картину об'єкта і дозволяє приймати рішення. Так, мозок, безперервно перебираючи результати всіх минулих дій в аналогічних ситуаціях і порівнюючи їх з поточною ситуацією, вибирає варіант, найбільш підходящий, доцільний і ефективний в даній конкретній ситуації. Якщо при цьому не знайдеться така ситуація, то вибирається (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 Емпірика - повідомлень

теоретичні методи А

Е

Отримання Отримання, Н

Д інформації Теоретичні методи зберігання

інформації І

А

ПІЗНАЙ СИСТЕМА Я

Рис. 3. Структура пізнання системи

Відзначимо, що процес обробки інформації в мозку до досі недостатньо розкрита, вивчений і надамет собою одну з найскладніших і найцікавіших проблем (не тільки нейрофізіології, нейропсихології, а й нейроматематика і нейроінформатікі - у зв'язку з актуальністю розробки нейрокомп'ютерів і нейроподібні обчислювальних середовищ і систем).

У людини існує самостійна потреба в інформації. Нормальна життєдіяльність можлива лише тоді, коли з зовнішньої середовища є приплив не тільки речовини, енергії, а й інформації, коли немає явищ "інформаційного голоду".

Приклад. Коли у людини спостерігається ослаблення переробки інформації, відповідно, послаблюється і потреба в енергетичних і матеріальних ресурсів. Людина в стані апатії -- малорухомий, 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;

довготривала - від короткочасної затримки інформації в пам'яті до її стиснення, передачі на довгострокове зберігання, тобто її структурування та архівації.

Важлива характеристика сенсорної і короткочасної пам'яті - їх здатність до забування, очищення "комірок пам'яті".

Приклад. Експерименти показують, що інформація з слухової пам'яті втрачається приблизно за 15-30 сек. Для зорової пам'яті це час становить кілька сотень мсек.

У безпосередню пам'ять (сенсорну пам'ять) людини надходить інформація від органів почуттів, 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 і 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 здатністю зберігати, запам'ятовувати, актуалізувати інформацію, придбану раніше мозком і керує 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 К

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 довготривалу. З довготривалої пам'яті інформація може пересилатися в 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 витягу з короткочасної пам'яті однієї букви (цифри) дорівнює 10-30 мсек.

Витяг інформації з довготривалої пам'яті вимагає досить складні процедури. Спочатку виконується процедура сприйняття інформації. Відповідне ( «пробне») безліч сканується за допомогою процедури вибору стратегії в короткочасну пам'ять, потім з довготривалої пам'яті з допомогою процедури асоціації (евристики) визначається «пошуковий набір», відповідає цьому пробному 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 короткочасною, а потім і в довгостроковій 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, за яким вона витягується з пам'яті в

Приклад. На такому принципі грунтується завдання номера телефону деяких служб: 03 - «третій за важливістю служба», 911 - «номер, про якому часто розповідали батьки на випадок надзвичайної ситуації ».

У живому організмі, на відміну від автомата, машини, передача, зберігання або обробка інформації, в кінцевому рахунку, відбувається з допомогою хімічних (біохімічних) реакцій. Повідомленнями, які передають інформацію, служать при цьому молекулярні системи.

Приклад. Білок - фермент, що є каталізатором певної біохімічної реакції, є перетворювач сигналу, що перетворює одні сигнальні молекули в інші. Будь-який організм живе за рахунок хімічних балансових реакцій, 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 - деякий 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, активізують інші нейрони через синапси (зони контакту нейронів). Коли нейромедіатори впливають на рецептори нейрона, усередині нього активізуються білкові структури і відбувається переробка інформації.

Приклад. Для спрацювання 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, що 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, 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, з'єднаних один з одним міжнейронні зв'язками. 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 і 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 білку, регулюючи, допомагаючи самоорганізовуватися білкової структури. 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 в клітині молекул білка; інформаційні РНК здатні кодувати білки.

Задачі і вправи

ДНК людини можна уявити собі як деякий слово в алфавіті Х = (A, B, C, D), де літері відповідає ланка ланцюга ДНК (нуклеотид). Середнє число їх одно приблизно 1.5 '1023. Вважаючи, що ядро кожної з приблизно 1013 клітин людського тіла є зберігачем 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, яке прийняти рівною 70 років.

Людина здатна розрізняти приблизно 130 градацій яскравості. Визначити, скільки біт необхідно, щоб їх закодувати, тобто який мінімальної розрядності комбінації бітів потрібні для цього?

Час t реакції випробуваного на вибір предмета з наявних N предметів жить від log2N: t = 200 +180 log2N (мс). За аналогічного закону змінюється і час передачі інформації в живому організмі. Один з дослідів з визначення психофізіологічних реакцій людини полягав у те, 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 що 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 відсутню інформацію?

Мозок людини містить близько 1030 синапсів. Чому дорівнює приблизно кількість різних станів мозку? Порівняйте його з числом 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 змінної 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 "Обчислювачі" 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) в точках x = 1 і x = 5. Скласти інше завдання для цього виконавця. Змінити 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 коло радіуса r з центром в точці А (a; b); підняти - підняти (від паперу) олівець для малювання (закінчити малювання); опустити - опустити олівець на папір (почати 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 см., лівий нижній кут у О (0; 0)) і кола, вписаною в даний квадрат (його центр збігається з центром квадрата), які розділені на чотири однакові частини і зафарбовуються так, що два однакові кольори не є сусідами за деякою протяжної кордоні фігури. Первинне положення "Художника" - початок координат, а його початковий "Погляд" в напрямок променя Оx (x> 0). Скласти задачу 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) - прямої 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" - у напрям 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 у поїзд номер k з b вагонів; знищити (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 що складається з 11 вагонів.

Список літератури

Аткінсон Р. Людська пам'ять і процес навчання. М.: Прогресс, 1980.

Амам М., Танака Ю. Архітектура ЕОМ та штучний інтелект. -М.: Світ, 1993.

Годфруа Ж. Що таке психологія. У 2 - томах. М.: Мир, 1992.

Інформатика. Енциклопедичний словник для початківців. Под ред. Поспєлова Д.А., - М.: Педагогика-Пресс, 1994.

Казіев В.М. http://www.kaziev.by.ru.

Пекеліс В. Маленька енциклопедія про великий кібернетики. - М.: ДЛ, 1970.

Саган К. Дракони Едему. М.: Знание, 1986.