 |
   |
|
 |
Marek Hetmański - Maszyna Turinga a umysł ludzki, studia, Logika
|
aaaaCzęsto usiłujemy ukryć nasze uczucia przed tymi, którzy powinni je poznać.aaaa
[ Pobierz całość w formacie PDF ] 1 Tytuł: Maszyna Turinga a umysł ludzki Autor: Marek Hetmański / hetman@ramzes.umcs.lublin.pl Źródło: http://www.kognitywistyka.net / mjkasperski@kognitywistyka.net Data publikacji: 09 VIII 2002 Termin ‘maszyna Turinga’ odnosi si ę do teoretycznego projektu maszyny matematycznej sformułowanego w latach trzydziestych przez Alana M. Turinga. Jest on szeroko wykorzystywany i dyskutowany tak Ŝ e poza matematyk ą w psychologii poznawczej, teoriach sztucznej inteligencji, jest podstaw ą tzw. komputacyjnej koncepcji umysłu. Zamiarem artykułu jest analiza teoretycznej tre ś ci maszyny Turinga (pewnych jej ogranicze ń ) oraz ocena u Ŝ yteczno ś ci tego poj ę cia w psychologicznych i filozoficznych koncepcjach ludzkiego umysłu. Teza jest nast ę puj ą ca – maszyna Turinga nie mo Ŝ e by ć wła ś ciwym (poprawnym) modelem umysłu i działania ludzkiego; mo Ŝ e by ć niemniej u Ŝ yteczna (w ograniczonym zakresie) w analizie niektórych czynno ś ci poznawczych człowieka. Kwesti ą otwart ą jest to, jakie inne jeszcze modele mog ą by ć pomocne w opisie poszczególnych rodzajów my ś lenia i działania człowieka; czy inne rodzaje maszyn (np. homeostat cybernetyczny, sieci neuronowe, uniwersalny komputer kwantowy, czy inne rodzaje maszyn analogowych) mog ą symulowa ć cało ść (mo Ŝ e tylko jaki ś aspekt) działa ń człowieka? 1. Problem rozstrzygalno ś ci w matematyce. Rozstrzygalno ść a algorytmizacja Algebraizacja logiki przeprowadzona przez Boole'a, rozwini ę ta potem przez wielu innych autorów, doprowadziła w latach dwudziestych i trzydziestych obecnego stulecia do bada ń nad podstawami matematyki. W ich ramach postawiono szereg wa Ŝ kich kwestii, równie Ŝ takie, które maj ą teoriopoznawcze znaczenie i s ą dyskutowane poza matematyk ą . Jedn ą z nich jest problem rozstrzygalno ś ci . Jest to problem takiej własno ś ci aksjomatycznych systemów, która polega na tym, Ŝ e w wi ę kszo ś ci przypadków mo Ŝ na poda ć warunki ich obliczalno ś ci przez zastosowanie funkcji rekurencyjnych (funkcji obliczalnych). Funkcje takie w sko ń czonej liczbie kroków podaj ą warunki rozstrzygni ę cia tego, czy dane twierdzenie jest elementem systemu, czy metoda tego rozstrzygni ę cia jest efektywna. Efektywna metoda jest algorytmem . Zagadnienie rozstrzygalno ś ci podj ą ł Turing w swojej koncepcji maszyny matematycznej. Chc ą c poda ć warunki obliczalno ś ci, efektywnego rozwi ą zania danego zadania matematycznego sformułował abstrakcyjne, czysto teoretyczne poj ę cie automatu, który samoczynnie wykonuje pewne proste operacje na symbolach w celu podania rozwi ą zania tego zadania. Automat ten wykonuje swoje operacje analogicznie do działa ń ka Ŝ dego rachmistrza wykonuj ą cego proste czynno ś ci rachunkowe, jak zapisywanie danych liczbowych i M. HETMA Ń SKI, Maszyna Turinga a umysł ludzki 2 po ś rednich wyników, posługiwanie si ę okre ś lonymi symbolami i regułami, dochodzenie do rozwi ą zania zadania. Wst ę pnym zamiarem Turinga było wykazanie, Ŝ e wszelkie efektywnie rozwi ą zywalne (obliczalne, algorytmizowalne) zadanie matematyczne mo Ŝ e by ć wykonane przez taki automat. Podstawowym sformułowaniem maszyny matematycznej do podawania warunków rozstrzygalno ś ci zagadnie ń matematycznych jest artykuł Turinga z 1936/37 roku pt. On Computable Numbers with an Application to the Entscheidungsproblem . Wyst ą pienie Turinga zbiegło si ę w czasie i było równorz ę dne co do warto ś ci z osi ą gni ę ciami A. Churcha, E. Posta i S. Kleene'a; przypisuje si ę mu jednak Ŝ e najwi ę ksz ą rang ę ze wzgl ę du na najwyra ź niej sformułowane zało Ŝ enie o mo Ŝ liwo ś ci mechanizacji oblicze ń , jak równie Ŝ samo u Ŝ ywanie słowa ‘maszyna’ (por. Gandy 1988). W swoim artykule Turing odniósł si ę do zagadnienia (funkcjonowało ono wówczas jeszcze pod niemieck ą nazw ą ) sformułowanego przez Dawida Hilberta. Wyra Ŝ ało si ę ono w pytaniu czy istnieje pewna ogólna, mechaniczna procedura rozstrzygania ogólnej klasy poprawnie sformułowanych problemów matematycznych? Inaczej mówi ą c, czy dla takich zagadnie ń istnieje algorytm podaj ą cy warunki rozwi ą zania zagadnienia? Oczekiwanie Hilberta, co do mo Ŝ liwo ś ci podania procedur algorytmicznych dla dowolnego zagadnienia matematycznego (w tym wyra Ŝ ał si ę jego program formalistycznej interpretacji matematyki) zostało, skrótowo mówi ą c, przez Turinga (podobnie jak przez innych) zasadniczo podwa Ŝ one. Oryginalnym i wa Ŝ nym jego wkładem w to zadanie jest podanie istotnych warunków, ale równie Ŝ ogranicze ń , procedur mechanicznych w odniesieniu do bardzo abstrakcyjnie i szeroko zdefiniowanej klasy maszyn matematycznych. Dzi ę ki niezwykle sugestywnemu pomysłowi Turinga owocnie zacz ę to rozwa Ŝ a ć nie tylko istotne kwestie metamatematyczne, ale równie Ŝ konstruowa ć cyfrowe maszyny licz ą ce. 2. Maszyna Turinga – podstawowe zało Ŝ enia Maszyna Turinga jest tworem wył ą cznie teoretycznym, swoist ą gr ą umysłow ą , konstruktem, który miał słu Ŝ y ć jego autorowi rozwi ą zaniu wa Ŝ nego metamatematycznego problemu. Okre ś lenie ‘maszyna Turinga’ wprowadził do u Ŝ ycia po raz pierwszy A. Church w recenzji z artykułu Turinga. Turinga nie interesowało na samym pocz ą tku rozwa Ŝ a ń , to czy mo Ŝ na skonstruowa ć fizyczn ą maszyn ę , która dokonałaby algorytmicznych oblicze ń . Dopiero potem (w trakcie wojny i po niej, gdy brał udział w pracach nad łamaniem szyfrów maszyn koduj ą cych) zagadnienie to stało si ę dla niego praktyczn ą kwesti ą . W artykule z 1936/37 roku Turing za punkt wyj ś cia przyj ą ł konstrukcj ę abstrakcyjnego rachmistrza, który dokonuje oblicze ń z u Ŝ yciem bardzo elementarnych przedmiotów, jak kartki z pokratkowanego zeszytu do rachunków, na których zapisuje proste znaki na potencjalnie niesko ń czonej ta ś mie. Postawił przy tym fundamentalne pytanie: „Jakie s ą mo Ŝ liwe procesy, które mog ą by ć wykonane podczas obliczania?” Miał przy tym na my ś li dosłowne czynno ś ci wykonywane przez rachmistrza, które mog ą te Ŝ by ć wykonane przez zaprojektowan ą maszyn ę ; u Ŝ ycie zwrotu ‘mechaniczne wykonanie’ znaczyło w tym kontek ś cie tyle, co „mo Ŝ liwe do wykonania przez maszyn ę ”. Turing przyj ą ł, Ŝ e czynno ś ci mechanicznego obliczania s ą ograniczone, podobnie jak ograniczone s ą zmysłowe zdolno ś ci ka Ŝ dego rachmistrza (obejmuje wzrokiem tylko pewn ą cz ęść kratek na ta ś mie) oraz jego umiej ę tno ś ci umysłowe (zapami ę tuje pewn ą tylko ilo ść reguł post ę powania podczas obliczania); pod tym wzgl ę dem istotne matematyczne poj ę cie ma za przesłank ę pewne psychologiczne zało Ŝ enie. M. HETMA Ń SKI, Maszyna Turinga a umysł ludzki 3 R. Gandy 1 referuj ą c podstawowe zało Ŝ enia Turinga wprowadził na okre ś lenie ludzkiego rachmistrza termin ‘komputer’ (w przeciwie ń stwie do ‘komputera’ oznaczaj ą cego fizyczn ą realizacj ę maszyny matematycznej), którego działanie charakteryzuje si ę : • liczb ą ró Ŝ nych symboli zapisywanych w kratkach; • liczb ą przyległych kratek, których tre ść komputer mo Ŝ e rozpatrzy ć (Turing przyj ą ł, Ŝ e dla rachmistrza czytaj ą cego kratki w układzie linearnym liczba ta jest mniejsza ni Ŝ 15); • mo Ŝ liwo ś ci ą zmiany w danym kroku komputera tre ś ci tylko w jednej kratce; • ilo ś ci ą „stanów umysłu” komputera; jego stan umysłu wraz z tre ś ci ą przegl ą danej kratki wyznacza działanie komputera i nast ę pny stan jego umysłu; komputer wykonuje zawsze ustalony, sko ń czony zbiór instrukcji. Ze wzgl ę du na wymóg pogl ą dowo ś ci maszyn ę Turinga przedstawia si ę równie Ŝ w literaturze tematu (tak Ŝ e tej popularnej) w mniej lub bardziej fizycznym kształcie graficznych schematów (ju Ŝ bez psychologicznych implikacji, które czynił sam Turing). Na ich posta ć maj ą przy tym (co jest zrozumiałe) wpływ elementy z pó ź niejszych technicznych, konstruktorskich projektów komputera według tzw. architektury von Neumanna. (Wzajemny wpływ obu matematyków w rozwoju maszyn licz ą cych jest zreszt ą do dzisiaj tematem bada ń i analiz 2 . Na tre ść poj ę cia maszyny Turinga składaj ą si ę zatem nast ę puj ą ce elementy, których nie mo Ŝ na jednak uwa Ŝ a ć w dosłownym znaczeniu za cz ęś ci maszyny 3 : • jednostka centralna (kontrolna), która okre ś la dowoln ą ilo ść trybów pracy maszyny; • sko ń czony zbiór nie zmieniaj ą cych si ę w czasie pracy maszyny reguł post ę powania, dowolnie jednak wymienialny; • sekwencja klatek w swobodnie przesuwanej ta ś mie, na której maszyna zapisuje/ wymazuje znaki; • rejestr stanów maszyny (od stanu wyj ś ciowego do stanu ko ń cowego), w ramach którego realizuje si ę zawsze okre ś lony algorytm przypisany maszynie w danym zadaniu. Te elementy s ą konieczne, aby móc efektywnie podej ść do zagadnienia rozstrzygalno ś ci. Teoretyczne składowe maszyny Turinga przedstawia si ę równie Ŝ (taki jest wymóg pogl ą dowo ś ci) za pomoc ą pewnej liczby (jej wielko ść zale Ŝ y od stopnia dokładno ś ci opisu) fizycznych elementów, głównie w nast ę puj ą cych postaciach: • czytnika; • ta ś my o nieograniczonej długo ś ci z wyró Ŝ nionymi kratkami, na których mo Ŝ e znajdowa ć si ę znak, który mo Ŝ e by ć zmieniany w trakcie pracy maszyny; kratka mo Ŝ e zawiera ć b ą d ź tylko jeden (z co najmniej dwóch wyró Ŝ nionych i wykluczaj ą cych si ę znaków), b ą d ź by ć pusta; ilo ść znaków stosowanych przez maszyn ę Turinga mo Ŝ e by ć dowolna, lecz zawsze sko ń czona, przy czym najcz ęś ciej stosowanym systemem znakowym jest układ binarny: 1 i 0, dzi ę ki któremu maszyna Turinga ma faktycznie do czynienia z trzema mo Ŝ liwo ś ciami, mo Ŝ e te Ŝ wykonywa ć operacje równie Ŝ w stosunku do kratki pustej. 1 Por. R. Ligonniere, Prehistoria i historia komputerów , Ossolineum, Wrocław 1992, ss. 205-214. M. HETMA Ń SKI, Maszyna Turinga a umysł ludzki R. Gandy, The Confluence of Ideas in 1936 , s. 81 2 Por. M. Davies, Mathematical Logic and the Origin of Modern Computers , ss. 165-169. 3 4 Istot ą działania maszyny Turinga jest etapowe, sekwencyjne wykonywanie kolejnych podstawowych działa ń . Ka Ŝ de jej działanie okre ś lone jest przez tryb narzucony przez jednostk ę kontroln ą (stan maszyny) oraz znak odczytywany z ta ś my. W ka Ŝ dym stadium swojego działania maszyna Turinga mo Ŝ e zatem wykona ć na poszczególnych poziomach nast ę puj ą ce czynno ś ci: • na poziomie jednostki kontrolnej przej ść z jednego trybu pracy w drugi lub utrzyma ć aktualny; • na poziomie urz ą dzenia zapisu/odczytu w stosunku do danej kratki po jej odczytaniu maszyna mo Ŝ e: (1) zapisa ć znak, je ś li kratka jest pusta, (2) wykasowa ć znak i zast ą pi ć go innym znakiem lub pozostawi ć wolne miejsce, (3) nie zmienia ć nic; po czym mo Ŝ e przej ść o jedn ą kratk ę w lewo lub w prawo, b ą d ź te Ŝ pozosta ć w miejscu. Czynno ś ci te układaj ą si ę w list ę (siatk ę ) polece ń , które maszyna ma wykona ć . Sprowadzaj ą si ę one do działa ń w stosunku do danej kratki (z trzema powy Ŝ szymi mo Ŝ liwo ś ciami), zachowania lub zmiany stanu maszyny przed kolejn ą operacj ą wobec kratki oraz przesuni ę cia ta ś my o jedn ą kratk ę w prawo lub lewo. Ilo ść polece ń (instrukcji) jest zawsze sko ń czona, układaj ą si ę one w list ą , która w cało ś ci determinuje prac ę maszyny. Lista instrukcji danej maszyny, zapisana na ta ś mie, mo Ŝ e by ć równie Ŝ list ą polece ń dla pewnej innej maszyny Turinga; jest to wa Ŝ na cecha maszyny zaprojektowanej przez Turinga (o czym pó ź niej) decyduj ą ca o jej uniwersalno ś ci. Wszystkie działania wykonywane przez maszyn ę Turinga dyktowane s ą okre ś lonym z góry programem, na który składaj ą si ę (z funkcjonalnego punktu widzenia) kombinacje trybów pracy jednostki kontrolnej (okre ś laj ą one jaki rejestr polece ń ma by ć zastosowany) oraz odczytywanie okre ś lonego znaku. Z mechanicznego punktu widzenia działanie maszyny jest sekwencj ą dyskretnych przej ść z jednego stanu w drugi i wykonywaniem operacji na znakach zapisanych na ta ś mie. Maszyna Turinga pracuje przywołuj ą c jedn ą tylko na raz reguł ę ze sko ń czonego ich zbioru. Odpowiednio do niej operuje znakiem na ta ś mie i odwołuje si ę do reguły kolejnej a Ŝ do momentu, gdy przywołana reguła nie zatrzyma maszyny. Maszyna zatem "wie" dwie rzeczy: któr ą reguł ę wykonuje i jakim znakiem z ta ś my operuje. Reguła i znak determinuj ą jednoznacznie jej sekwencyjne działanie. Powy Ŝ sz ą , wył ą cznie formaln ą , charakterystyk ę maszyny matematycznej mo Ŝ na uzupełni ć charakterystyk ą z punktu widzenia teorii informacji. Znaki w kratkach ta ś my mo Ŝ na bowiem zinterpretowa ć jako informacj ę (dane) a operacje na nich (zamiana znaku jednego na inny) jako przetwarzanie informacji. Przy zało Ŝ eniu mo Ŝ liwo ś ci dowolnie bogatego słownika znaków oraz dowolnie zmienianego programu mo Ŝ na powiedzie ć , Ŝ e zasadniczo maszyna Turinga działa wobec dowolnej informacji ; sposób kodowania informacji (zapis danych) jest oboj ę tny. W tym poszerzeniu (zbie Ŝ nym z cybernetyk ą ) koncepcji maszyny Turinga le Ŝ y ź ródło wielu prób u Ŝ ywania jej jako modelu nie tylko matematycznego automatu czy cyfrowej maszyny licz ą cej (komputera), ale równie Ŝ umysłu człowieka. 3. Uniwersalno ść i ograniczenia maszyny Turinga Ka Ŝ da maszyna Turinga ma swoj ą okre ś lon ą moc , czyli zdolno ść rozwi ą zywania zło Ŝ onych zada ń . Jest ona funkcj ą mo Ŝ liwych do przybrania przez ni ą stanów oraz bogactwa słownika, M. HETMA Ń SKI, Maszyna Turinga a umysł ludzki 5 czyli przyj ę tych znaków. Maszyny Turinga mo Ŝ na ł ą czy ć (teoretycznie) w dowolne układy. Dwie maszyny o takiej samej strukturze budowy (ilo ś ci stanów i bogactwie słownika) maj ą tak ą sam ą moc. Mo Ŝ liwe jest poł ą czenie kilku uzupełniaj ą cych si ę maszyn o ró Ŝ nej strukturze, lecz przeznaczonych do realizacji jednego okre ś lonego zadania, do wykonywania bardziej zło Ŝ onych zada ń . Jest wiele ró Ŝ nych wariantów prostej maszyny Turinga, które mo Ŝ na konstruowa ć poprzez poszerzanie jej zasadniczych elementów – ta ś my i znaków. W miejsce jednej ta ś my mo Ŝ na wprowadzi ć wiele ta ś m, równolegle odczytywanych i zmienianych przez urz ą dzenie odczytu/zapisu. Jednowymiarow ą ta ś m ę mo Ŝ na tak Ŝ e zast ą pi ć dwuwymiarow ą płaszczyzn ą a nawet trójwymiarow ą przestrzeni ą , co daje o wiele wi ę ksze mo Ŝ liwo ś ci zapisu i odczytu danych. W pewnym sensie całe otoczenie maszyny Turinga mo Ŝ e by ć potraktowane jako ta ś ma z zapisanymi znakami. Niemniej jednak ta mo Ŝ liwo ść pozornie tylko poszerza zdolno ś ci maszyny Turinga, gdy Ŝ w istocie operowanie przez ni ą poszerzon ą i rozbudowan ą ilo ś ci ą danych i tak sprowadza si ę do operowania w danym momencie znakiem z jednej kratki jednowymiarowej ta ś my; płaszczyznowe czy przestrzenne uj ę cie danych do przetworzenia tylko rozbudowuje i wydłu Ŝ a czas operacji. Mo Ŝ liwo ś ci teoretyczne (moc obliczeniowa) maszyny Turinga nie zale Ŝą od jej parametrów „technicznych”, lecz od zasady działania. Istotn ą jest w ka Ŝ dym przypadku niesko ń czono ść ta ś my (płaszczyzny czy przestrzeni) z zapisanymi danymi. Wariantowo ść dotyczy tak samo drugiego elementu jej budowy – znaków zapisywanych na kratkach ta ś my. Mo Ŝ e on by ć równie Ŝ dowolnie poszerzany. Tradycyjnie stosowany zapis binarny (0 i 1) jest o tyle wygodny, Ŝ e odpowiada wa Ŝ nej własno ś ci fizycznej realizacji (pó ź niejszej w stosunku do projektu) maszyny Turinga w postaci cyfrowego komputera, w którym impulsy zmiennego pr ą du elektrycznego (wł ą czenie lub wył ą czenie przeł ą cznika w komputerze lampowym lub niskie i wysokie napi ę cie impulsu w tranzystorze komputerów nowych generacji) s ą fizycznym podło Ŝ em zapisu dwójkowego. Ma on jednak czysto konwencjonalne, do pewnego stopnia przypadkowe znaczenie. Mo Ŝ na bowiem zastosowa ć dowolnie bogatszy, zawsze jednak sko ń czony, zbiór znaków o innej podstawie (dziesi ę tnej, ósemkowej itp.), który da wi ę ksze mo Ŝ liwo ś ci operowania znakami, lecz mimo tego nie zmieni to istoty działania maszyny Turinga. Rozszerzony system dwójkowy stosowany w komputerach cyfrowych pozwala zapisywa ć nie tylko dowoln ą liczb ę naturaln ą , lecz równie Ŝ liczby ujemne, ułamki. Modyfikacje systemu kodowania pozwalaj ą równie Ŝ na binarny zapis nie tylko liczb, ale równie Ŝ wzorów matematycznych – algebraicznych, trygonometrycznych, dzi ę ki czemu odpowiednio skonstruowane maszyny Turinga mog ą wykonywa ć operacje na wzorach i regułach. Turing rozwa Ŝ ył mo Ŝ liwo ść poszerzenia mocy maszyny matematycznej. W stosunku do zwykłych maszyn Turinga wykonuj ą cych proste zadania mo Ŝ na zbudowa ć jedn ą wyró Ŝ nion ą maszyn ę . Nale Ŝ y list ę (siatk ę ) polece ń , instrukcji dla dowolnej maszyny Turinga zakodowa ć w postaci ci ą gu symboli 0 i 1 oraz zapisa ć na ta ś mie. Ta ś m ę t ą nast ę pnie trzeba wykorzysta ć jako pocz ą tkow ą cz ęść danych dla pewnej szczególnej maszyny – nazwanej przez Turinga – uniwersaln ą maszyn ą , która w stosunku do pozostałych danych z ta ś my działa podobnie, jak działałaby maszyna zwykła. Skrótowo mówi ą c, uniwersalna maszyna przejmuje jako cz ęść swojego programu program maszyny zwykłej. Uniwersalna maszyna Turinga potrafi zatem udawa ć ka Ŝ d ą inn ą dowoln ą maszyn ę Turinga, mo Ŝ e j ą symulowa ć . Wszystkie współczesne komputery s ą uniwersalnymi maszynami Turinga. M. HETMA Ń SKI, Maszyna Turinga a umysł ludzki [ Pobierz całość w formacie PDF ]
zanotowane.pldoc.pisz.plpdf.pisz.plpies-bambi.htw.pl
|
|
 |
Odnośniki
Często usiłujemy ukryć nasze uczucia przed tymi, którzy powinni je poznać.Metody Numeryczne Anna Barcz 2008 Zawodowe, WI ZUT studia, Metody numeryczne, egz, MN Egzamin Zawodowe 2008Metodologia badan Brzezinska, studia, Metodologia badań społecznychMeteorologia i Klimatologia 6 Kondensacja rosa, MOJE STUDIA Toksykologia i Mikrobiologia środowiska (Ochrona Środowiska - dzienne), Meteorologia i klimatologiaMarek-Ruka Marianna - Rehabilitacja społeczna, PSYCHOLOGIA, psychologia rozwojowa i osobowości, psychologia społecznaMetody Numeryczne Anna Barcz 2008 Zawodowe, STUDIA, WIL PK, Metody numeryczneMarcin spr 2, Studia budownictwo pierwszy rok, Chemia budowlana, Chemia budowlana, Nowy folder (3), Moje sprawozdanieMarshall 2, studia, ekonomia uek, marshallMaria Grzegorzewska, studia, oligo, oligoMc Kenzie, pielęgniarstwo, studia pielęgniarstwoMarcin - Program Nauczania z Dydaktyki, STUDIA, Dydaktyka
zanotowane.pldoc.pisz.plpdf.pisz.plimikimi.opx.pl
|
|
|
 |
Często usiłujemy ukryć nasze uczucia przed tymi, którzy powinni je poznać.
|
|
|
|