ВВЕДЕНИЕ В КОГНИТИВНУЮ НАУКУ 2007/2008 Когнитивная наука: от теории к практике Современная когнитивная наука: некоторые направления прикладных разработок • Системы искусственного интеллекта • Системы обработки естественного языка (NLP) • Кросскультурная коммуникация • Когнитивная эргономика и дизайн • … Искусственный интеллект: мышление и речь (2)70 лет спустя Первые шаги 1956 -- «Дартмутская четверка»: А. Ньюэлл и Г. Саймон -- лаборатория ИИ в Карнеги-Меллон М. Минский и Дж. Маккарти -- лаборатория ИИ в Массачусетском технологическом институте Дж. Маккарти -- лаборатория ИИ в Стэнфорде + лаборатория в Эдинбургском университете -Дональд Миши, основатель и редактор сборников «Машинный интеллект» С 1965 -- международные научные семинары «Машинный интеллект» Развитие интеллекта Ассимиляция Аккомодация Развитие искусственного интеллекта «Ассимиляция» познавательных функций человека «Аккомодация» к особенностям познания человека Искусственный интеллект - решение задач /поиск (1956) - игровые программы (шахматы и т.д.): Гарри Каспаров против Deep Blue - экспертные системы и системы поддержки принятия решения: инженерия знаний - системы распознавания образов, движения и т.д. - системы обработки текста и машинного перевода - обучаемые и обучающие системы - робототехника и автономные агенты (промышленные роботы) - проблема взаимодействия с пользователем на естественном языке: ~ справочные системы ~ поисковые системы ~ компьютерные игры ~ компьютерные… «психотерапевты» Обработка естественного языка: системы машинного перевода (1950-е) Постановка задачи: Уоррен Уивер (1894–1978) 1947 (в переписке с Норбертом Винером): машинный перевод как криптография («дешифровка») 1949 -- меморандум «Перевод» (”Translation”) с обоснованием возможности машинного перевода: • проблема многозначности: необходимость анализа контекста …и поэтому он, душа общества, которые возглавлял, всё новыми правилами и нормативами… …и поэтому он, душа общества, которые возглавлял, всё новыми правилами и норматив … …и поэтому он, душа общества, которые возглавлял, всё новыми правилами и нормативами, не преминул подвергнуть давлению и членов общества охраны животных… Обработка естественного языка: системы машинного перевода (1950-е) Постановка задачи: Уоррен Уивер (1894–1978) 1947 (в переписке с Норбертом Винером): машинный перевод как криптография («дешифровка») 1949 -- меморандум «Перевод» (”Translation”) с обоснованием возможности машинного перевода: • проблема многозначности: необходимость анализа контекста • машинный перевод как логический вывод на основе посылок • применимость криптографии и теории информации • «лингвистические универсалии» (логические характеристики, общие для всех языков) Обработка естественного языка: системы машинного перевода (1950-е) Постановка задачи: Уоррен Уивер (1894–1978) 1947 (в переписке с Норбертом Винером): машинный перевод как криптография («дешифровка») 1949 -- меморандум «Перевод» (”Translation”) с обоснованием возможности машинного перевода 1952 -- первая конференция по машинному переводу 1954 -- «Джорджтаунский эксперимент»: перевод с русского на английский (250 слов, 6 грамматических правил) 1967 -- «Черная книга машинного перевода» (доклад комитета по лингвистике Академии наук США о бесперспективности проекта) 1950-е и далее -- интенсивное развитие в СССР Обработка естественного языка: системы машинного перевода (1950-е) Spirit is strong, but flesh is weak. Vodka is good, but meat is rotten. Дух крепок, а плоть немощна. Водка отменная, но мясо протухло. Out of sight, out of mind? Invisible idiot! Проверка качества перевода: обратный перевод! Обработка естественного языка: системы машинного перевода -- 2000+ Google Translator: статья про «Алису в Стране Чудес» в Википедии (http://en.wikipedia.org/wiki/Alice's_Adventures_in_Wonderland). … В нем рассказывается история девочки по имени Алиса, кто падает вниз кролик в отверстие в сфере фантазии населены гротескные цифры, как говорят игральные карты и anthropomorphic существа… … Он считается одним из наиболее характерных примеров этого жанра литературного бреда… Обработка естественного языка: системы машинного перевода (1970-е и далее) Основные задачи: • «ознакомительный» (черновой) перевод • «окончательный» перевод: настройка на предметную область (условие -- однородность текстов: напр., документооборот в организациях) Проблемы: • разрешение многозначности • алгоритмы синтеза (пофразно или текст в целом) •… Обработка естественного языка: взаимодействие с пользователем • вопросно-ответные системы; • диалоговые системы решения задач и принятия решений; • проблемно-ориентированные системы обработки связных текстов («интерпретаторы»); • информационно-поисковые системы; • техническое оснащение: системы распознавания и синтеза речи. Джозеф Вейценбаум и его «Элиза» (MIT, 1963-1966) Поиск ключевых слов, анализ синтаксиса и… заполнение «пауз»! DEMO Джозеф Вейценбаум и его «Элиза» (MIT, 1966) Проблема эмоциональной привязанности к компьютерному «психотерапевту»: случай секретаря Дж. Вейценбаума -назад к критерию Тьюринга?! Проблема осмысленности высказываний компьютерного «психотерапевта», или «Тихо сам с собою…»: Элиза и Перри http://tools.ietf.org/html/rfc439 Что может «понять» компьютер? Джон Сирл (Беркли, 1980/1984): парадокс «китайской комнаты» «Иллюзия понимания» снаружи при полном непонимании внутри. Джон Сирл: «сильный» и «слабый» ИИ «Сильный ИИ»: машина может мыслить, т.е. обладать психикой и сознанием «Слабый ИИ»: машина может совершать разумные действия Проблема обработки текстов на естественном языке: интерпретаторы текстов и вопросно-ответные системы Понятие схемы (сэр Ф.Ч. Бартлетт, 1932): “активная структура прошлых реакций и прошлого опыта” Виды схем: - когнитивные карты; - прототипы и стереотипы; - сценарии. Проблема обработки текстов на естественном языке: интерпретаторы текстов и вопросно-ответные системы Роджер Шенк: от схемсценариев к структурам концептуальной репрезентации (CRS). Области применения структур концептуальной репрезентации (CRS) • Контекстуальный машинный перевод • Резюме текстов (научные работы, подготовка выпусков новостей, системы помощи в компьютере и т.д.) • Понимание историй и ответы на вопросы по их содержанию (выводы) • Создание историй (адаптивные компьютерные игры) Пример 1. ATRANS: отношения передачи/обладания (Йельский университет). Пример 2. SAM, или «Механизм применения сценариев» (Ричард Каллингфорд и др., 1975). Когнитивная наука и рукотворный мир: «психопатология обыденных вещей» - Usability (эргономика и когнитивный дизайн) -- Дональд Норман Исследования: • понимание инструкций; • понимание работы системы; • запись движений глаз (информационный дизайн, реклама); • регистрация времени выполнения задачи (поиск необходимой информации и т.п.); • выполнение задачи за ограниченное время… Статьи по когнитивному дизайну http://www.uie.com/articles/ Предметы из «Каталога невозможных объектов» Жака Карельмана Когнитивная наука и рукотворный мир: «психопатология обыденных вещей» Некоторые принципы дизайна (Д. Норман): • наглядность • взаимно-однозначное соответствие между целями и способами их достижения • умопостижимость (концептуальная/ментальная модель -- понимание возможных результатов своих действий) • обратная связь (возможность получения наглядных сведений о том, что в данный момент происходит в системе) Когнитивная наука и рукотворный мир: «психопатология обыденных вещей» Оставить место для ошибок: - незавершенные действия - ошибки по рассеянности: - верные действия - неверные объекты - неверные действия - верные объекты • Понять, что произошло • Исправить ошибку Когнитивная наука и рукотворный мир: дизайн человеко-машинных систем Пример исследовательского метода в веб-дизайне: оценка входной страницы Интернет-сайта 1. Инструкция испытуемому: найти необходимую информацию (напр., «Представьте, что Вы хотите подать стихи в журнал…» или «Представьте, что Вы хотите оформить подписку на журнал…») 2. Предъявление входной страницы на 5 с 3. Фиксация всей извлеченной информации и вопросы о доступности информации, в доступности которой наиболее заинтересованы создатели сайта DEMO Когнитивная наука и рукотворный мир Дизайн в динамических системах: возможности и ограничения человеческого познания Р. Рензинк (2004): системы навигации Пределы устойчивости зрительного поиска при изменении масштаба и угла наклона «карты» T T T T T T T T T L T T T Когнитивная наука и рукотворный мир Поворот (изменение угла наклона) 60° 20° 7° Когнитивная наука и рукотворный мир Изменение масштаба 4:1 4:2 4:3 Когнитивная наука: «размыкание» в окружающую действительность - Usability (эргономика и когнитивный дизайн), взаимодействие человека с компьютером (HCI); - Embedded cognition («ситуативное познание» ~ экологический подход к познанию) Дедукция ПЕРВЫЕ ШАГИ Задача Уэйзона: А К 4 20-30% 7 Принятие решения Модификация Легренци: если письмо запечатано, на нем должна быть марка стоимостью 50 центов 90% Когнитивная наука: «размыкание» в окружающую действительность - Usability (эргономика и когнитивный дизайн), взаимодействие человека с компьютером (HCI); - Embedded cognition («ситуативное познание» ~ экологический подход к познанию) - Embodied cognition («воплощенное познание»: познание в реальной жизни «телесного материального субъекта» -- от «абстрактных репрезентаций» к восприятию и действию) Прайминг в действии Поиск предмета в комнате Когнитивная наука: «размыкание» в окружающую действительность Иэн Гилкрист и др., 2001: возрастание роли памяти (значительно меньше перепроверок) Поиск предмета в комнате Когнитивная наука: «размыкание» в окружающую действительность Джон Касиоппо и др., 1993: предъявление незнакомых иероглифов при сгибании руки («притягивании») и разгибании руки («отталкивании») Последующее ранжирование по степени предпочтения: иероглифы, которые воспринимались в момент «притягивания», получили значительно более высокий рейтинг, чем иероглифы, которые воспринимались в момент «отталкивания» (для знакомых стимулов -- слов -- подобного эффекта не было) Аналогичные результаты (Strack et al., 1988): просмотр мультфильма с расслабленными мышцами лица и с карандашом в зубах (более смешной!) Когнитивная наука: «размыкание» в окружающую действительность Проблема «воплощенного познания» в философии и теории метафоры: Джордж Лакофф, Марк Джонсон (Metaphors we live by, 1980, на русском языке -- 2004; Philosophy in the Flesh, 1999) Постигая мир и оперируя абстрактными понятиями, человек пользуется метафорами, соотносящими эти понятия с его собственным телом (пространственными характеристиками, перемещениями и т.п.) Когнитивная наука: «размыкание» в окружающую действительность Сотни линий в одном волоске Трудно назвать отрасль, в которой не использовались бы всевозможные провода и кабели. Но наука неуклонно движется вперед, и пропускные возможности привычных нам жил из меди и алюминия стали слишком малы. К тому же уже с середины 60-х годов мировая промышленность вплотную подошла к проблеме исчерпаемости природных ресурсов. К примеру, на изготовление кабельной продукции расходуется половина всех запасов меди. Исследователи разных стран обратились к разработке теории оптико-волоконной связи, увидев в ней новый шаг в развитии информационных технологий. Активно занялась ею и отечественная наука.[…] Так что в ближайшее время предприятие имеет все шансы выйти на рынок с законченными оптико-волоконными линиями. Газета «Северный рабочий» от 6 февраля 2003 г. Когнитивная наука: «размыкание» в окружающую действительность - Usability (эргономика и когнитивный дизайн), взаимодействие человека с компьютером (HCI); - Embedded cognition («ситуативное познание» ~ экологический подход к познанию) - Embodied cognition («воплощенное познание»: познание в реальной жизни «телесного материального субъекта» -- от «абстрактных репрезентаций» к восприятию и действию) - Distributed cognition: назад к Л.С. Выготскому -- «Совместное внимание» проблема разделенности высших психических функций. Социальная нейронаука: мозговые механизмы межличностного познания Б.М. Величковский и др. (Дрезденский технический университет) Мозговые механизмы обработки взгляда виртуального собеседника, направленного на данного человека и на «третье лицо»: Направление взгляда: на испытуемого х на кого-то еще Выражение лица: социальное (стремление к контакту) х произвольное Schilbach et al., 2005 Когнитивная наука: «размыкание» в окружающую действительность Майкл Коул (Калифорнийский университет Сан-Диего, Лахойя) «Культура и когнитивная наука» (2003): - когнитивная антропология - коммуникация (теория связи) Когнитивная наука: «размыкание» в окружающую действительность Нейробиология культурных и профессиональных различий («культурная биология»): • Япония: соробан и счет в уме (Hanakawa et al., 2003; ср.: Hatta, Ikeda, 1988) См.: http://novoivan.narod.ru/soroban.htm Когнитивная наука: «размыкание» в окружающую действительность Нейробиология культурных и профессиональных различий («культурная биология»): • Япония: соробан и счет в уме (Hanakawa et al., 2003; ср.: Hatta, Ikeda, 1988) • Португалия: сельская неграмотность и обработка вербальной информации (Castro-Caldes, 2000) Когнитивная наука: «размыкание» в окружающую действительность Нейробиология культурных и профессиональных различий («культурная биология»): • Япония: соробан и счет в уме (Hanakawa et al., 2003; ср.: Hatta, Ikeda, 1988) • Португалия: сельская неграмотность и обработка вербальной информации (CastroCaldes, 2000) • Канада: сортировка почты и «выскакивание» в зрительном поиске (Polk & Farah, 1998) Ищем букву Б и цифру 6 НДЛОПЗРХА ЮФКШВБТЕИ ЧМКТЖЕЭКЛ 178938905 923495763 712785904 958390510 304Б75352 829134507 ХСНКТВКРЙ ЧИВЛКЛВАЕ УЕ6ПРТВНК Когнитивная наука: «размыкание» в окружающую действительность Нейробиология культурных и профессиональных различий («культурная биология»): • Япония: соробан и счет в уме (Hanakawa et al., 2003; ср.: Hatta, Ikeda, 1988) • Португалия: сельская неграмотность и обработка вербальной информации (CastroCaldes, 2000) • Канада: сортировка почты и «выскакивание» в зрительном поиске (Polk & Farah, 1998) • Великобритания: лондонские таксисты и обработка пространственной информации Горизонты когнитивной науки - Когнитивная экономика (Д. Канеман, А. Тверский) и нейроэкономика (Джеймс Хекман и др.) - Нейроэстетика (В.С. Рамачандран и др.) - Когнитивная поэтика (Р. Цур) / когнитивная стилистика - Когнитивная география (спецкурс в университете Баффало: http://www.geog.buffalo.edu/~dmark/GEO592S04.html) … астрономия … ботаника Когнитивная … история … политология … геология В КАЧЕСТВЕ ЭПИЛОГА… Миннесотский проект: 100 самых влиятельных работ по когнитивной науке в XX веке 5. Дэвид Румельхарт, Джеймс Макклелланд «Параллельно-распределенная обработка: исследование микроструктуры познания» (1986) 3. Алан Тьюринг «Вычислительная техника и интеллект» (1957) 6. Алан Ньюэлл, Герберт Саймон «Решение задач человеком» (1972) 4. Дональд Хэбб «Организация поведения: нейропсихологический анализ» (1949) 2. Дэвид Марр «Зрительное восприятие: вычислительное исследование 1. Ноэм Хомский отображения и обработки зрительной «Синтаксические структуры» (1957) информации у человека» (1982) Миннесотский проект: 100 самых влиятельных работ по когнитивной науке в XX веке 56. А.Р. Лурия «Введение в нейропсихологию» (англ. 1973) ... 9. Джордж Миллер «Магическое число 7+2: о некоторых ограничениях нашей способности обрабатывать информацию» (1956) 7. Джерри Фодор «Модульность познания» (1983) ... 28. Л.С. Выготский «Мышление и речь» (англ. 1964) ... 10. Дональд Бродбент «Восприятие и коммуникация» (1958) 8. Фредерик Чарльз Бартлетт «Припоминание: исследование в области экспериментальной и социальной психологии» (1932)