Размещено на http://www.allbest.ru

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Информатика»

Тема: «Становление кибернетики в работах Винера, Тьюринга»

Санкт-Петербург 2014 г.

Содержание:

Введение

1. Кибернетика: от античности до современности

1.1 История понятия

1.2 Этапы развития кибернетики

2. Норберт Винер и его работы в области кибернетики

3. Работы Алана Тьюринга и их значение для развития кибернетики

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

Работа состоит из введения, трех частей, заключения и списка использованной литературы. В приложении содержатся материалы, иллюстрирующие приведенные в основной части работы положения.

Кибернетика является одной из самых молодых и важных для современного человечества наук. Место кибернетики в современной науке можно определить внутри математики, аппаратом которой кибернетики пользуются для описания процессов регуляции. Кибернетика довольно быстро породила дочернюю науку, информатику, необходимость в которой возникла в результате неудержимого роста потребности экономики в вычислительных машинах и такого же роста мощности последних. Изучение становления и развития кибернетики является важным и актуальным вопросом современности. кибернетика винер тьюринг наука

Предмет данной работы - научные труды Н. Винера и А. Тьюринга.

Цель работы - изучение становления и развития кибернетики в работах Н. Винера и А. Тьюринга.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить литературу по теме реферата;

- проследить историю зарождения кибернетики от античности до современности;

- изучить понятие кибернетики по Норберту Винеру и Алану Тьюрингу;

- оценить вклад упомянутых ученых в развитие кибернетики.

Теоретическая база реферата включает книги Л.Н. Тишкиной, М.Н. Грачева, С.Н. Гринченко, Ч. Петцольда, конспект лекций Л.В. Розановой, учебное пособие Н.К. Душутина, С.Н. Ушаковой, Ю.В. Ясюкевича. Также были использованы материалы энциклопедий, словарей, справочников и интернет-ресурсов.

1. Кибернетика: от античности до современности

1.1 История понятия

Кибернемтика (от др.-греч. кхвеснзфйкЮ - «искусство управления») - наука об общих закономерностях получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах, будь то машины, живые организмы или общество.

Впервые это понятие ввел древнегреческий философ Платон. Так, в своих сочинениях в одних случаях он называет кибернетикой искусство управления кораблем или колесницей, а в других - искусство править людьми. Римлянами слово «кюбернетес» было преобразовано в «губернатор».

В научный оборот термин cybernйtique изначально ввел в 1830 г. французский физик Андре-Мари Ампер, один их пионеров исследования электромагнетизма, а в 1843 г. слово cyрernetyki появилось в польской работе об управлении С. Трентовского, опубликованной в Познани.

В современном понимании термин «кибернетика» как наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе впервые был предложен Норбертом Винером в 1948 г. Как много позже скажет он сам на лекции в Москве (1-й конгресс Международной Федерации по Автоматическому Управлению (IFAC), Политехнический музей, 1960 г.): «Я искал нейтральное слово, которое могло бы сильнее подчеркнуть некоторые особенности деятельности машин и человеческих организмов».

Более философское определение кибернетики, предложенное в 1956 г. известным французским математиком Л. Куффиньялем, одним из пионеров кибернетики, описывает кибернетику как «искусство обеспечения эффективности действия».

Еще одно определение было предложено Льюисом Кауфманом: «Кибернетика - исследование систем и процессов, которые взаимодействуют сами с собой и воспроизводят себя».

Таким образом, из большого количества различных определений понятия «кибернетика» следует, что кибернетика - это наука, изучающая общие закономерности строения сложных систем управления и протекания в них процессов управления. А так как любые процессы управления связаны с принятием решений на основе получаемой информации, то кибернетику часто определяют еще и как науку об общих законах получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах.

1.2 Этапы развития кибернетики

Основным объектом исследования в кибернетике являются так называемые кибернетические системы. В общей (или теоретической) кибернетике такие системы рассматриваются абстрактно, безотносительно к их реальной физической природе. Высокий уровень абстракции позволяет кибернетике находить общие методы подхода к изучению систем качественно различной природы, например, технических, биологических, медицинских, экономических, лингвистических и даже социальных.

Становление кибернетики как науки было предопределено развитием технических средств управления и преобразования информации. Еще в Средние века в Европе стали создавать так называемые андроиды - человекоподобные игрушки, представляющие собой механические, программно управляемые устройства.

В 30-х гг. ХХ в. все большее влияние на становление кибернетики начинает оказывать развитие теории дискретных преобразователей информации. Два основных источника идей и проблем направляли это развитие.

Во-первых, задача построения оснований математики. Еще в середине XIX в. Дж. Буль заложил основы современной математический логики. В 1920-е гг. были заложены основы современной теории алгоритмов. В 1934 г. К. Гёдель показал ограниченность возможностей замкнутых познающих систем. В 1936 г. А. Тьюринг описал гипотетический универсальный преобразователь дискретной информации, получивший впоследствии название машины Тьюринга. Эти два результата, будучи полученными в рамках чистой математики, оказали и продолжают оказывать огромное влияние на становление основных идей кибернетики.

Современная кибернетика началась в 1940-х гг. как «междисциплинарная область исследования, объединяющая системы управления, теории электрических цепей, машиностроение, логическое моделирование, эволюционную биологию, неврологию».

Развитие науки кибернетики было подготовлено многочисленными работами ученых в области математики, механики, автоматического управления, вычислительной техники, физиологии высшей нервной деятельности: И.А. Вышнеградского (1831-1895), А.М. Ляпунова (1857-1918), А.А. Андронова (1901-1952), И.М. Сеченова (1829-1905), И.П. Павлова (1849-1936). Кибернетика как научная дисциплина была основана на работах Винера, Мак-Каллока, У.Р. Эшби и У. Г. Уолтера.

К наиболее ранним и близким прообразам современных цифровых ЭВМ относится «аналитическая машина» английского математика Чарльза Беббиджа (1792-1871). В первой половине XIX в. он разработал проект машины для автоматического решения задач, в котором гениально предвосхитил идею современных кибернетических машин. Машина Беббиджа содержала арифметическое устройство («мельницу») и память для хранения чисел («склад»), то есть основные элементы современных ЭВМ.

Исключительное значение для развития кибернетики имели работы американского ученого Джона фон Неймана (1903-1957). Он внес фундаментальный вклад в область теории множеств, функционального анализа, квантовой механики, статистической физики, математической логики теории автоматов, вычислительной техники. Д. фон Нейман в середине 1940-х гг. разработал первую цифровую ЭВМ в США. Он создал новую математическую науку - теорию игр, непосредственно связанную с теоретической кибернетикой.

Важнейшие для кибернетики проблемы измерения количества информации разработаны американским инженером и математиком Клодом Шенноном, опубликовавшим в 1948 г. классический труд «Теория передачи электрических сигналов при наличии помех», в котором заложены основные идеи существенного раздела кибернетики - теории информации.

Ряд идей, нашедших отражение в кибернетике, связан с именем советского математика академика А.Н. Колмогорова. Первые в мире работы в области линейного программирования (1939) принадлежат академику Л.В. Канторовичу.

Развитие кибернетики в мире шло двумя различными путями. В США и Западной Европе до 1960-х гг. преобладало узкое понимание кибернетики, концентрирующее внимание на спорах и сомнениях, поднятых Н. Винером, на аналогиях между процессами управления в технических средствах и живых организмах.

В СССР после первоначального периода отрицания и сомнений утверждалось более естественное и содержательное определение кибернетики, включившее в нее все достижения, накопленные к тому времени в теории преобразования информации и управляющих систем. При этом особое внимание уделялось новым проблемам, возникающим в связи с широким внедрением ЭВМ в теорию управления и теорию преобразования информации.

На Западе подобные вопросы развивались в рамках специальных разделов науки, получивших название «информатика», «вычислительная наука», «системный анализ» и др. Лишь к концу 1960-х гг. наметилась тенденция расширения понятия кибернетики и включения в нее всех указанных разделов.

Далее обратимся к результатам ученых, заложивших фундаментальные основы и принципы кибернетики и оказавших огромное влияние на развитие этой науки.

2. Норберт Винер и его работы в области кибернетики

Решающее значение для становления кибернетики имело создание в 40-х гг. ХХ в. электронных вычислительных машин. Благодаря ЭВМ возникли принципиально новые возможности для исследования и фактического создания действительно сложных управляющих систем. Необходимо было объединить весь полученный к этому времени материал и дать название новой науке.

Этот шаг был сделан американцем Н. Винером (1894-1964), математиком и философом. Большую часть жизни он работал в Массачусетском технологическом институте (США) в должности профессора математики; написал 11 книг и свыше 200 статей для различных научных журналов; получил пять научных наград (в том числе и Национальную премию в области науки, врученную ему президентом США) и три почетных докторских степени.

В своей классической книге «Кибернетика, или Контроль и коммуникации у животных и машин» (Cybernetics: or Control and Communication in the Animal and the Machine, 1948) Н. Винер обозначил и описал основы кибернетики - одной из самых молодых научных дисциплин XX в. Ученый показал, что механизмы обратной связи присутствуют во многих имеющих принципиально различную природу системах - от механических до экономических и от социологических до биологических.

Винер, создавая свою первую книгу о кибернетике, использовал простые математические формулы и доступные примеры из природы для описания кибернетических законов. После того как кибернетика была принята учеными мира и стала исследоваться независимо от автора, Винер на правах первооткрывателя новой области знания начал писать о роли кибернетики в жизни общества, и более конкретно - о роли автоматов в судьбе человеческого рода.

В качестве примера исследования интеллекта Н. Винер во втором издании своей книги о кибернетике (1961) подробно объяснял, как можно создать машину, способную играть в шахматы, на приемлемо высоком уровне. В настоящее же время почти любой ПК в состоянии победить практически любого шахматиста-любителя. К сожалению, вследствие в том числе и первоначальных попыток практического применения кибернетических идей вся новая научная дисциплина в целом стала ассоциироваться с реальным оборудованием, в особенности с компьютерами, несмотря на то, что ее принципы по-прежнему использовались в других дисциплинах.

В первой и второй своей книге («Кибернетика и общество», 1954) Винер уделил большое внимание общефилософским и социальным аспектам новой науки, проведя аналогии между автоматическими системами (такими как регулируемый паровой двигатель) и человеческими институтами.

Винер организовал на своей кафедре в Массачусетском технологическом институте семинар, где собирались ученые из разных областей науки. Там и были разработаны основные принципы работы компьютера.

Норберт Винер сделал очень крупный вклад в теорию автоматического управления, сформулировав требования к вычислительным машинам: машина должна сама корректировать свои действия, должна обладать памятью. Можно с уверенностью утверждать, что Винером были предсказаны пути, по которым в дальнейшем пошла электронно-вычислительная техника.

В 1943 г. вышла статья Винера, Розенблюта, Байглоу «Поведение, целенаправленность и телеология», представляющая собой набросок кибернетического метода.

Заслуга Норберта Винера в том, что он впервые понял принципиальное значение информации в процессах управления. Говоря об управлении и связи в живых организмах и машинах, он видел главное не просто в словах «управление» и «связь», а в их сочетании. Кибернетика - наука об информационном управлении, и Винера с полным правом можно считать творцом этой науки.

В своих посвященных кибернетике работах Н. Винер продемонстрировал наличие инвариант в механизмах управления и передачи информации живых существ и машин. Кибернетические принципы обеспечили, с одной стороны, основы для создания многих технических устройств, например, радаров, информационных сетей, компьютеров и искусственных конечностей, а с другой - помогли разработать фундаментальные подходы к изучению таких феноменов живого мира, как обучение, память и интеллект. Кибернетические идеи нашли применение и получили дальнейшее развитие в управленческих науках, а также в более широком социологическом контексте.

Все годы после выхода «Кибернетики» Винер пропагандировал ее идеи. В 1950 г. вышло продолжение - «Человеческое использование человеческих существ», в 1958 г. - «Нелинейные задачи в теории случайных процессов», в 1961 г. - второе издание «Кибернетики», в 1963 г. - своеобразное кибернетическое сочинение «Акционерное общество Бог и Голем».

В этом своем итоговом сочинении Винер уже не столько отстаивал идеи искусственного разума, сколько предупреждал о бедах, которые он может принести. Точнее, о бедах, которые способны принести упования на то, что этот разум решит те человеческие проблемы, с которыми люди не справились самостоятельно.

3. Работы Алана Тьюринга и их значение для развития кибернетики

Не менее яркий след в истории информатики оставил английский математик Алан Тьюринг (1912-1954).

В 1928 году немецкий математик Давид Гильберт привлек внимание мировой общественности к проблеме разрешения (Entscheidungsproblem, с нем. - «решаемость задачи»). В своей работе, опубликованной в Трудах Лондонского математического общества, «О вычислимых числах, с приложением к проблеме разрешимости» (On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem, 1936), Тьюринг переформулировал теорему Гёделя о неполноте, заменив универсальный формальный арифметический язык Гёделя на простые гипотетические устройства, которые впоследствии стали известны как машины Тьюринга. Он доказал, что подобная машина была бы способна произвести любые математические вычисления, представимые в виде алгоритма.

Далее Тьюринг показал, что не существует решения Entscheidungsproblem, сперва доказав, что Проблема остановки для «вычислительной машины», как ее называл в своей статье сам Тьюринг, неразрешима: в общем случае невозможно алгоритмически определить, остановится ли когда-нибудь данная машина Тьюринга.

Главная заслуга Тьюринга состоит в том, что задолго до того, как было показано, что может компьютер, ученый доказал, чего он никогда не сможет сделать.

Фон Нейман, венгро-американский математик и физик, с именем которого связывают архитектуру большинства современных компьютеров (так называемая архитектура фон Неймана), признавал, что концепция современного компьютера основана на этой работе Алана Тьюринга. Машины Тьюринга по-прежнему являются основным объектом исследования теории алгоритмов. Алана Тьюринга считают первым теоретиком современного программирования и даже первым в мире хакером. Работая в годы Второй мировой войны в крипто-аналитическом бюро, Тьюринг разрабатывал методику дешифровки, основанную на анализе данных. Ему удалось в противовес немецкой шифровальной машине «Энигма» построить дешифровальную вычислительную машину «Бомба». С 1940 г. британские спецслужбы расшифровывали все немецкие сообщения, получая важную информацию ранее адресата. Развивая методику дешифровки, Тьюринг ввел понятие «определительного метода» (алгоритм).

Необходимо заметить, что «хакерская деятельность» Тьюринга внесла во время Второй мировой войны существенный вклад в победу союзных войск над германским флотом, а один из коллег Тьюринга однажды сказал: «Я не берусь утверждать, что мы выиграли войну благодаря Тьюрингу. Однако без него могли бы ее и проиграть».

Разработанные им в 1947 г. «Сокращенные кодовые инструкции» (Abbreviated Code Instructions) положили начало созданию, исследованию и практическому использованию языков программирования.

В 1948 г. Тьюринг перешел на работу в Манчестерский университет, где с конца 1946 г. под руководством Ф. Уильямса и Т. Килбурна разрабатывалась вычислительная машина «Марк-1». 21 июля 1948 г. на машине была запущена 52-минутная программа, и в настоящее время считается, что «Марк-1» был первым действующим компьютером с хранимой программой.

При работе над усовершенствованием манчестерской машины Тьюринг написал первое руководство по программированию. Кроме того, Тьюрингом было придумано еще одно новшество. В машине «Марк-1» использовался 5-битный код для представления команды, причем каждая команда содержала 4 таких кода, то есть 20 бит. С целью облегчения программирования Тьюринг предложил поставить в соответствие каждому 5-битному коду определенный символ из набора 32 знаков (25) - по числу возможных комбинаций. Символы, которые, по Тьюрингу, соответствовали пятизначному двоичному коду, содержали цифры, буквы и знаки препинания, имеющиеся на стандартной клавиатуре телепринтера. Например, символ «/» (косая черта) был обозначен как 00000, буква «R» - 01010 и т. д. В дальнейшем, как известно, символы компьютеров, в том числе и современных персональных, занимают 8-битный код (байт), поэтому их число может достигать 256 различных знаков (28).

В то же время Тьюринг продолжал работать над более абстрактными математическими задачами. В конце 1940-х гг. Тьюринг занялся проблемой «мыслящих» машин, машинного интеллекта - тем, что к настоящему времени сформировалась в целое направление под названием «Искусственный интеллект».

Первая статья Тьюринга по этой проблеме - «Intelligent Machinery» - в форме отчета Национальной физической лаборатории вышла в 1948 г., а затем в 1950 г. в английском философском журнале Mind была опубликована его основополагающая статья «Computing Machinery and Intelligence». В русском переводе она вышла под названием «Может ли машина мыслить?». В этой работе Тьюринг предположил, что вместо того, чтобы пытаться создать программу, симулирующую разум взрослого человека, намного проще было бы начать с разума ребенка, а затем обучать его. 

В качестве критерия оценки мыслительной деятельности машины Тьюринг предложил использовать ее действия в процессе «игры в имитацию» (imitation game). Эта «игра» в дальнейшем получила название теста Тьюринга. Позже стали применять упрощенную форму теста, в которой выясняется, может ли человек, общаясь в аналогичной ситуации с неким собеседником, определить, общается он с другим человеком или же с искусственным устройством.

Тьюринг предсказал, что компьютеры в конечном счете пройдут его тест. Он считал, что к 2000 г. компьютер с памятью 1 миллиард бит (около 119 МБ) в ходе 5-минутного теста сможет обмануть судей в 30% случаев. Это предсказание сбылось в 2014 г.

Ежегодно проводится соревнование между разговаривающими программами, и наиболее человекоподобной, по мнению судей, присуждается приз Лёбнера (Loebner Prize). Есть также дополнительный приз для программы, которая, по мнению судей, пройдет тест Тьюринга. Самый лучший результат до сегодняшнего дня показывала программа A.L.I.C.E., выиграв приз Лёбнера три раза (2000, 2001 и 2004 гг.).

На сайте Университета Ридинга (Великобритания) появилась информация о том, что программа, разработанная в Санкт-Петербурге, впервые в истории компьютеров успешно прошла тест Тьюринга. Ей удалось убедить 33% судей мероприятия Turing Test 2014, проводимого в Королевском обществе в Лондоне, что они общаются с тринадцатилетним украинским мальчиком.

Значение этого события для будущего, прежде всего, означает, что проникновение информационных систем в межчеловеческое общение только ускорится. Через пять лет уже невозможно будет сказать, вы общаетесь с живым оператором контактного центра или машиной. Разницу будет можно почувствовать лишь через 5 минут общения. Также встал вопрос о проведении теста Тьюринга на русском языке. В настоящее время российские ученые явно отстают от зарубежных коллег, ведущих исследования искусственного интеллекта на английском языке.

В наши дни широкое применение имеет так называемый «обратный тест Тьюринга». При регистрации на интернет-форумах или при отправке электронных сообщений пользователю предлагается вписать в поле код, зашифрованный на картинке.

Машина Тьюринга и тест Тьюринга - это две заявки ученого на литературное и культурное бессмертие. На первый взгляд, они могут казаться двумя совершенно разными понятиями, но это не так. Машина Тьюринга - это, в сущности, попытка описать чисто механически действия человека, выполняющего математический алгоритм; тест Тьюринга - это оценка человеком действий компьютера. С самых ранних своих математических исследований и до самых поздних Тьюринг изучал связь между человеческим разумом и вычислительной машиной.

Научные труды А. Тьюринга - общепризнанный вклад в основания информатики (в частности - теории искусственного интеллекта). За всю свою жизнь Алан Тьюринг опубликовал около 30 работ и статей, но не написал ни одной книги.

Заключение

Данная работа раскрывает понятие «кибернетика» - это комплексное научное и техническое направление, которое было подготовлено предшествующим развитием не только науки и техники, но и всей общественной жизни. Можно утверждать, что кибернетика - это ответ человеческого познания на потребность общества в решении точными средствами проблем управления и организации.

В работе были изучены этапы становления кибернетики как самостоятельной науки, проанализирован вклад ученых Норберта Винера и Алана Тьюринга в формирование и развитие науки кибернетики посредством публикаций их научных исследований и открытий.

Норберт Винер дал сильный толчок развитию вычислительной техники, концепции коммуникации компьютеров и человека, заложил основы кибернетики - науки об управлении. Он впервые понял принципиальное значение информации в процессах управления. Говоря об управлении и связи в живых организмах и машинах, Винер видел главное не просто в словах «управление» и «связь», а в их сочетании.

Ученый был не согласен с распространенным мнением о том, что вычислительные машины могут самостоятельно порождать полезные результаты. Винер отводил им функцию лишь инструмента, средства для переработки данных, а человеку - функцию извлечения полезных результатов.

Н. Винер стал основателем кибернетической философии, основателем собственной школы, и эта философия была передана его ученикам и последователям. Именно школе Винера принадлежит ряд работ, которые, в конечном счете, привели к рождению Интернета. Возможно, Винер первым понял, что появление цифрового компьютера поднимает вопрос о качественно новом уровне взаимодействия человека с машиной.

Алан Тьюринг разработал методику расшифровки сообщений, стал одним из создателей языков программирования. Предложил модель «универсальной вычислительной машины», являющейся устройством, перерабатывающим входную информацию в выходную, и работающей с любыми теоретически реализуемыми алгоритмами. Тьюринг считается основоположником теории об искусственном интеллекте.

Многие языки программирования носят имена великих математиков: ЕВКЛИД, ПАСКАЛЬ, БЭББИДЖ и т. д. В 1982 г. ученые Университета в Торонто создали более мощный, чем ПАСКАЛЬ, язык программирования и назвали его ТЬЮРИНГ.

Основная цель кибернетики как науки об управлении - добиваться построения на основе изучения структур и механизмов управления таких систем, такой организации их работы, такого взаимодействия элементов внутри этих систем и такого взаимодействия с внешней средой, чтобы результаты функционирования этих систем были наилучшими, то есть приводили бы наиболее быстро к заданной цели функционирования при минимальных затратах тех или иных ресурсов (сырья, энергии, человеческого труда, машинного времени, горючего и т. д.). Все это можно определить кратко термином «оптимизация». Таким образом, основной целью кибернетики является оптимизация систем управления.

Основным техническим средством для решения всех указанных задач являются ЭВМ. Поэтому развитие кибернетики, как в теоретическом, так и в практическом аспекте, тесно связано с прогрессом электронной вычислительной техники.

Кибернетика - область знания, которая за сравнительно короткий по историческим меркам период не только стала одной из лидирующих, но и существенно преобразовала многие сферы человеческой деятельности. Особенный, синтетический характер кибернетики, возникшей на стыке ранее слабо связанных между собой дисциплин технического, биологического и социального профиля, поднял широкий круг вопросов философской направленности: о предмете кибернетики, о ее месте и роли в системе научного познания, взаимосвязи с другими областями науки, о социальных последствиях применения кибернетической техники.

Поиск ответов на эти и другие нерешенные проблемы, продолжающие оставаться предметом дискуссий, актуализирует задачу более глубокого изучения творческого наследия Норберта Винера и Алана Тьюринга.

Список использованной литературы: