Евристичне програмування

Перерахуємо основні функції кожного блоку.

Блок  АФ (абстрагування і формалізації) сприймає інформацію із зовнішнього  середовища (ЗС), через нього вся  система “харчується різноманіттям”. При цьому процес “харчування” носить активний характер і передбачає пошук різноманіття. Спочатку цей пошук має випадковий характер, потім цілісний, такий, що підкоряється задачі орієнтації. Блок КІ (конкретизації та інтерпретації), крім основної функції конкретизації результатів, є каналом зв’язку із ЗС, забезпечуючи за рахунок зворотних зв’язків єдність автомата та середовища. У блок ОІ (обробки інформації) поступає інформація і в абстрактній, і в формалізованій формі, переробляється і передається в блок КІ для конкретизації та інтерпретації. Блок ПМ (пам’яті) являє собою пам’ять системи.

Прослідкуємо  рух потоків інформації в системі. При ситуації, що відповідає експерименту 1, блок АФ сприймає інформацію із середовища ЗС і, вичленивши логічну форму, направляє її в блок ПМ для зберігання. Одночасно в блок ПМ направляється змістовна частина інформації, яка збуджує зміст пам’яті, що близьке по значенню із отриманим із АФ. Вимоги експериментатора відтворити поставлену задачу (наприклад, намалювати заданий малюнок) викликає з блоку ПМ логічну форму, що відповідає завданню, і вміст пам’яті, що близький по значенню із введеним раніше (тобто збудженим на попередньому етапі), і направляє в блок КІ, де відбувається її конкретизація та інтерпретація. Цим і пояснюється той факт, що результат, що видається блоком КІ, однаковий по смислу (але різний в деталях) інформації, введеної в блок АФ перед початком досліду.

При ситуації, що відповідає експерименту 2, вичленена  логічна форма з блоку АФ потрапляє, крім блоку ПМ, в блок ОІ, де вона спочатку підготовлюється до обробки (частково, провіряється достатність вихідних даних), а потім піддається самій переробці. При цьому, якщо даних недостатньо, поступає запит в блок ПМ, який видає необхідні дані безпосередньо в блок ОІ. Якщо ж і в блоці ПМ нема вичерпних даних, то запит разом із змістовою частиною поступає в блок КІ, звідки в конкретизованому та інтерпретованому виді передається в середовище. Уточнені середовищем необхідні дані звичайним шляхом з блоку ЗС поступають в блок АФ, потім в блок ОІ (з відгалуженням в блок ПМ), звідки після отримання рішення інформація поступає в блок КІ.

Наведена  схема визначає значення потоків  інформації, зміст і загальну структуру  блоків, що випливає із загальної задачі ефективної взаємодії системи із середовищем. 
 

Деякі психологічні, логічно-математичні  та технічні аспекти  теорії евристичних  рішень 

Операційні  визначення як основа опису інформаційних  процесів, що проходять в головному  мозку 

Більшість робіт по нейрофізіології і психології, які описують процеси переробки  інформації при сприйнятті, мисленні та поведінці, до останнього часу виконувалися і виконуються на “словесному”, чи, як деколи говорять, на якісному рівні  з рідкісним та випадковим використанням математичного апарату. Такий виклад нейрофізіологічних та психологічних теорій призводить до непорозумінь, пов’язаних із різночитанням та невизначеністю.

Основною  ідеєю теорії евристичних рішень є спроба визначення процесів, що відбуваються в головному мозку, через деякі акти (операції) по переробці інформації. При цьому відволікаються від розгляду фізіологічних явищ і всі процеси в органах чуття, нервових сітках  та м’язових тканинах подають у вигляді послідовності операцій з деякими символами, що реалізуються за допомогою механізмів нервової системи. Таке визначення процесів переробки інформації головним мозком буде називатися операційним. Операційне визначення процесів головного мозку здійснюється розгляданням елементарних інформаційних процесів і введенням чітких правил поєднання цих елементарних інформаційних процесів у складні послідовності. У якості елементарних інформаційних процесів можуть бути, наприклад, “передача символу”, “зберігання символу”, “копіювання”.

Такий операційний (інформаційний) підхід до описання процесів головного мозку дозволяє, по-перше, довести нейрофізіологічні та психологічні теорії до високого рівня строгості і, по-друге, зрозумівши механізми сприйняття, мислення та поведінки, реалізувати їх у вигляді програм для ЕОМ, розширюючи тим самим можливості застосування останніх.

З формальної точки зору такий підхід в такій  самій мірі корисний при описанні інформаційних процесів, в якій методи математики корисні для опису  різноманітних кількісних залежностей.  
 
 
 

Інформаційний підхід, його сутність та особливості 

Перше описання програми, яке засноване  на інформаційному підході до вивчення та моделювання процесів мислення, дали А. Ньюелл, Дж. Шоу і Г. Саймон. Створена ними програма “Логік – Теоретик”  показала можливість моделювання процесу рішення задач людиною на рівні, не порівняному по глибині і деталізації ні з одним із інших застосованих методів.

В основу інформаційного підходу покладено  вивчення процесів рішення різних задач  шляхом виявлення найдрібніших деталей поведінки і їх зв’язків, що зіставляються за допомогою операційних визначень з реальною дійсністю. Така  деталізація дозволяє в принципі пояснити та описати будь-які акти психічної активності організму і тим самим здійснити їх моделювання.

І, врешті, інформаційний підхід дозволяє уникнути різних неоднозначностей, які виникають при інших підходах до вивчення та моделювання процесів сприйняття, мислення та поведінки. Це викликано  тим, що модельований процес описується в операційних термінах, що знаходяться в однозначній відповідності з реальною дійсністю. З іншої сторони, побудована програма може розглядатися як теорія поведінки. Це дозволяє при різних початкових значеннях, на різних рівнях деталізації (що перевищують прийнятий) зіставляти послідовність і характер операцій, що виконуються програмою ЕОМ, з послідовністю і характером актів, що зафіксовані протоколом досліджуваних. При цьому, звичайно, не виключається можливість коректування програми, його особливого досягнення, щоб досягнути необхідного рівня відповідності.

Тут слід зазначити дві обставини.

1. Більшість відповідностей, що виникають при такому зіставленні, не має принципового характеру, а обумовлено відмінностями у виборі застосованих елементарних інформаційних процесів. Звідси виникає задача виявлення необхідного (а як максимум, достатнього) набору елементарних інформаційних процесів для моделювання тих чи інших елементів процесу мислення.
2. Відкоректована та підлагоджена програма може працювати при інших початкових значеннях і тим самим моделювати поведінку людини в інших умовах.

Програми, засновані на інформаційному підході, мають велике значення і для нейрофізіології, і для психології. Інформаційний  підхід дозволяє уточнити нейрофізіологічні  та психологічні теорії, зробити їх доступними для моделювання. Як справедливо відзначає В. Рейтман, сама ідея евристичних програм є однією із двох чи трьох найважливіших ідей, які стають доступними психології у наш час. 
 
 

Метод строгих виводів  і дві експериментальні методики 

Метод строгих виводів відноситься  до найсильніших організуючих засобів у проведенні експериментальних робіт. Він є подальшим розвитком відомих методів індукції і зводиться до регулярного виконання деяких визначених процедур, що здійснюються у строгій послідовності.

Розглянемо  основні риси цього методу на прикладі генезису елементарних логічних структур (класифікацій і серіацій), детально проаналізованих на великому фактичному матеріалі Ж. Піаже і Б. Інельдер.

І етап – висунення взаємовиключаючих гіпотез (у крайньому випадку, дихотомії), яке при здійсненні вирішального експерименту дозволило би отримати однозначний результат. Наприклад, структури класифікації і серіації можуть завдячувати своїм походженням мові (перша гіпотеза) або залежати від операцій, що були перед мовою (друга гіпотеза).

ІІ етап – вибір вирішального експерименту, результат якого дозволив би виключити одну або декілька висунених на попередньому етапі гіпотез. Так, прийнявши в якості вихідної першу гіпотезу (створення класифікацій і серіацій відноситься цілком за рахунок мови), накидаємо три можливих шляхи її перевірки: вивчення глухонімих, аналіз перших вербальних схем і аналіз деяких операторних схем , пов’язаних із розмовною мовою.

ІІІ етап – проведення вирішального експерименту. Результати експериментів, проведених на трьох перерахованих етапах, приводить до висновку, що мова є необхідною, але недостатньою умовою для формування і розвитку логічних структур. Пошук необхідних і достатніх умов приводить до повторення всіх трьох етапів процедури, що розглядається, на новій основі. Звідси випливає, що генезис елементарних логічних структур зумовлений деякими перетвореннями нервових структур і мовою, що є особливим прискорювачем у завершенні їх оформлення в узагальнені форми. Основними факторами, що визначають генезис цих операцій, є сенсомоторні схеми, розвиток яких змінює перцепції і доводить їх до рівня, що відповідає рівню самого інтелекту.

Метод строгих виводів дає лише загальну логічну схему висунення гіпотез  і їх експериментальної перевірки; його роль в теорії евристичних рішень зводиться до організації отримання достовірних висновків і до вимагання чіткості і впорядкування етапів дослідження. Для виявлення найелементарніших інформаційних процесів є ряд експериментальних методик, які дозволяють отримувати результати з різним ступенем точності.

Достоїнством  цього методу є те, що під час  проведення дослідження і аналізу  результатів експериментатор має  точне уявлення про ту інформацію, яка зберігається у досліджуваних  і поступає ззовні. Проводячи експеримент  і спостерігаючи за всіма реакціями досліджуваного, він може змінювати хід дослідження у відповідності до цілей експерименту.

Мова  мозку не є мовою  математики 

Однією  із наукових заслуг Дж. фон Неймана  є вивчення загальних принципів  побудування керівних пристроїв, і  спроби порівняльного вивчення роботи головного мозку та обчислювальної машини.

Нервова система , що розглядається як автомат, механізми переробки інформації організму повинні мати дві частини  – логічну та арифметичну і  обидві частини однаково важливі  для успішного його функціонування.

Відомо, що нервова система людини передає  числові дані за допомогою послідовності  імпульсів, причому частота цих  послідовностей є функцією інтенсивності  подразника (частотна модуляція). Враховуючи, що частоти цих послідовностей знаходяться в діапазоні 50-200 імпульсів на хвилину, нервова система, виконуючи свою важку роботу, має досить низьку ступінь точності порядку. З іншого боку, факти показують, що мозок має високу надійність і додавання одного або декількох імпульсів в послідовності, що передаються, лише несуттєво спотворює суть повідомлення.

Досліджуючи мову нервової системи, Дж. фон Непман показує, що він повинен характеризуватися  невеликою логічною та арифметичною глибиною. Наприклад, сітківка людського  ока значно перетворює сигнал, який вона сприймає, в той час, як саме перетворення здійснюється всього лише за допомогою трьох послідовних синапсів. Таке положення спостерігається і в центральній нервовій системі. З цього випливає, що логіка і математика, що розглядаються як мови нервової системи, повинні значно відрізнятися від мов, з якими ми зустрічаємося у повсякденному житті. 

Строгі  та евристичні методи, подібність та відмінність 

Аналіз  створених програм, що імітують поведінку  людини при рішенні різних задач, показує, що поряд з різними строгими процедурами в рішенні присутні різноманітні неформалізовані евристичні стратегії, прийоми або спрощення, частини, що значно покращують пошук рішення. У зв’язку із цим виникає необхідність оприділити співвідношення між строгими і евристичними методами при рішенні задач людиною, установити подібність і відмінність між ними.

Евристичні  програми реалізують деякий алгоритм у відповідній машинній програмі. Але більш глибоке вивчення евристичних  методів рішення показують і  наявність значних відмінностей, які відрізняють їх від строгих методів.

Алгоритм  – це “процес послідовного будування  величин, який проходить в дискретному  часі таким чином, що в початковий момент задається вихідна кінцева  система величин, а в кожен  наступний момент система величин отримується за визначеним законом (програмою) з системи величин, що були в попередній момент часу”. Ця риса характеризує дискретність строгих методів. Евристичні методи також працюють в дискретному часі; однак на відміну від строгих методів в кожен наступний момент часу в них може утворитися не одна, а декілька систем величин не по одному, а по декількох визначеним законам. Отримана таким чином множина оцінюється таким способом (селективність евристичних методів) і із неї виділяється підмножина систем величина, яка розвивається тим самим способом, формуючи розгалужений процес.