
- •Глава 1
- •Часть 1
- •Глава 2
- •Глава 3
- •Глава 4
- •Глава 5
- •Do not lean out of the window Nicht hinauslehnen Ne pas pencher au dehors e pericoloso sporgersi Livsfar ligt att luta sig ut
- •Глава 6
- •Часть 11
- •Глава 7
- •Глава 8
- •9 Эвбулид — древнегреческий философ, современник Аристотеля, по преданию, учитель Демосфена. Знаменит приписываемыми ему неразрешимыми парадоксами. (Прим. Перев.)
- •Глава 9
- •Глава 10
- •Часть III
- •Глава 12
- •Глава 13
- •Глава 14
- •1) Изменения в диапазоне между верхним и нижним допустимыми значениями какой-либо величины. (Прим. Перев.)
- •Глава 15
- •2) На первый взгляд (лат.). (Прим. Персе.)
- •Глава 16
- •Часть IV
- •Глава 17
- •Глава 18
- •Глава 19
- •1) «Кресло случайный чернила водопад отвращение» (англ.).
- •2) Бессмысленный набор букв. (Прим. Перев.)
- •2) Stochastic analogue machine. (Прим. Перев.)
- •Глава 20
- •Norbert Wiener, Cybernetics, John Wiley, New York, 1948. [Русский перевод: Норберт Винер, Кибернетика, или управление и связь в животном и машине, «Сов. Радио», м., 1958.]
- •Stafford Beer, The Scope for Operational Research in Industry, Institution of Production Engineers, London, 1957.
- •Stafford
- •Frank н. George, Logical Networks and Behaviour, Logical Networks and Probability, Bulletin of Mathematical Biophvsics, vol. 18 and vol. 19, 1956, 1957.
- •R. J. Go 1 d acre and I. J. L о г с h, Folding and Unfolding of Protein Molecules in Relation to Cytoplasmic Streaming, Ameboid Movement and Osmotic Work, Nature, vol. 166, p. 497, 1950.
- •Gordon p a s k, Physical Analogues to the Growth of a Concept, Proceedings of Symposium on the Mechanization of Thought Processes, n. M. S. O., London, 1958.
- •I. О мифах порядка и хаоса
- •1) Доклад Ст. Бира «Towards the Cybernetic Factory» содержится в книге «Принципы самоорганизации», выпускаемой издательством «Мир» (Прим. Перев.)
- •II. Мифы о частях и целом
- •1) Бытие и сознание. (Прим. Перев.)
- •Эвристические результаты
- •0 Учет Всех важных изменении (при заданной величине риска) и игнорирование . Случайных изменении
- •Следующий этап
- •Wiener n., Cybernetics, John Wiley & Sons, Inc., 1959 [русский перевод: Винер h., Кибернетика, перев. С англ., «Советское радио», м., 1960].
- •Von Foerester н. (ред.), Transactions of the Sixth, 1949; Seventh, 1950; Eighth, 1951; Ninth, 1959; and Tenth, 1953 Conference on Cybernetics, Josiah Macey Jr. Foundation, n. Y.
- •Turing a. М., On Computable Numbers with an application to the Entschedungsproblem, Proc. Lond. Math. Soc. (2), t. 42, 1937, p. 230.
- •Причинность
- •Глава 14. Обучающиеся и обучающие машины 156
- •Глава 15. Разумные самоприспосабливающиеся машины 167
- •Глава 16. Облик кибернетического предприятия 186
- •Часть IV Кибернетическая теория моделей 201
- •Глава 17. Модель живых тканей 203
- •Глава 18. Модель механизма управления 214
- •Глава 19. Модель неопределенности .... 237
- •Глава 20. Модель языка 266
- •Мифы о частях и целом 296
46
ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ
является
машиной, предназначенной для преобразования
системы в менее сложную и менее
вероятностную. Такова же роль руководителя
в промышленности.
Итак,
наша классификация становится полной
только после введения особого класса
систем, предназначенных для
преобразования изолированных классов.
В таком виде она завершает наше
предварительное общее знакомство с
основными идеями кибернетики. Понимание
этих идей позволяет осмыслить
кибернетический подход к изучению
сложных вероятностных саморегулирующихся
систем как единого органического
комплекса.
УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ
ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
Мы
должны часто пользоваться словом
«управление» в ходе последующего
изложения. Поэтому я хочу сейчас
подчеркнуть, что в дальнейшем это слово
будет употребляться в совершенно
определенном смысле. Оно будет обозначать
не систему принуждения и насилия,
каковой обычно считают любую систему
управления, а всегда будет иметь широкое
значение, которое было раскрыто в
предыдущей главе. Короче говоря, термин
«управление» будет, как правило,
обозначать «гомеостатическую машину,
предназначенную для саморегулирования».
Здесь, как обычно, термин «машина»
определяет целесообразную систему.
Поэтому управление, являясь по своей
сущности машиной, в то же время является
неотъемлемой частью другой машины,
предназначенной для выполнения
каких-либо иных функций. Исходя из этих
принципиальных соображений, можно
обнаружить и фундаментальный принцип,
лежащий в основе управления. Этот
принцип носит название обратной
связи,
ОСНОВНАЯ
ИДЕЯ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
Само
выражение «обратная связь» достаточно
красноречиво, так что вложенный в
него смысл не трудно понять. Однако,
как это ни странно, истинное значение
механизма обратной связи для систем
управления осоГлава 4
ГЛ.
4. УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
47
знается
совершенно недостаточно даже теми, кто
хорошо знаком с этим понятием. Если
бы это утверждение не соответствовало
истине, наши системы управления были
бы гораздо более эффективными, чем они
являются на самом деле. По какой-то
непонятной причине мы научились хорошо
использовать обратную связь только в
определенных машинах: двигателях,
артиллерийских орудиях, судах и на
некоторых предприятиях. В других
областях она почти совсем неизвестна.
Отсюда можно сделать вывод, что в
идее обратной связи скрыта определенная
сложность, которая является препятствием
для ее понимания большинством людей,
что ограничивает ее широкое применение
в экономических, социальных и
промышленных системах управления.
Однако
системы с обратными связями необходимо
создавать. Их создание представляет
собой техническую проблему, стоящую
перед кибернетиками, так же как разработка
конструкций различных машин представляет
собой обычную проблему, решаемую
инженерами. Нам, возможно, удастся
перебросить мост через пропасть,
наличие которой трудно объяснить,
но которая тем не менее существует
между техническими и всеми прочими
применениями обратной связи. Мы
попытаемся сделать это, постепенно
развивая это понятие, начав с простейшего
примера, и покажем, что переход от
техники в другие области не представляет
в действительности сложной проблемы.
Представляется
целесообразным ввести понятие об:
ратной связи элементарным образом на
примере простой детерминированной
системы. Поскольку регулятор Уатта
обычно считают первым сделанным руками
человека механизмом с обратной
связью, которая в него сознательно
заложена, мы, безусловно, должны качать
с этого знакомого всем примера. В течение
почти ста восьмидесяти лет этот
механизм служит наглядным подтверждением
изящества и простоты обратной связи и
демонстрирует ее эффективность в
регуляторе. В то же время и сейчас можно
утверждать, что истинное значение
этого изобретения еще полностью не
осознано. Маховик парового двигателя
вращается с возрастаю
48
ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ
щей
скоростью, вместе с ним также с
возрастающей скоростью вращаются
рычаги с грузами. Эти рычаги управляют
клапаном, через который производится
впуск пара в цилиндр двигателя таким
образом, что степень открытия клапана
пропорциональна уровню подъема рычагов
или, что то же самое, скорости.
Следовательно, мы получаем гомеостат,
ибо, чем больше двигатель стремится
превысить требуемую скорость, тем
меньше энергии поступает в него. В
то же время при отклонении от заданной
скорости в другую сторону приток энергии
увеличивается, пока заданная скорость
не будет достигнута. Таким образом,
заданное значение выходной величины
достигается путем саморегулирования:
вход двигателя подстраивается его
выходом, и оба они приходят в установившееся
состояние. Почему же мы все-таки
утверждаем, что значение этого
простого механизма недостаточно
правильно оценено?
Прежде
всего, нужно обратить внимание на то,
что регулятор с обратной связью ведет
себя, почти как одушевленный организм:
он всегда внимателен и всегда точно
выполняет возложенные на него функции
Любопытно, как в этом отношении он
отличается от систем управления другого
типа. Начальник тюрьмы, например,
которому платят деньги за то, чтобы он
обеспечил невозможность бегства
заключенных (другими словами, наложил
определенные ограничения на переменные,
которыми управляет), принимает с
этой целью много всяких мер. Однако
все его усилия можно в принципе свести
на нет. Через тюремные стены перелезают,
если стража заснет, тюремщиков подкупают,
заключенные совершают побег,
переодевшись в чужую одежду. Каким бы
совершенным ни был механизм управления,
побег из тюрьмы, по крайней мере в
принципе, всегда возможен. В то же
время при использовании механизма
управления с обратной связью нельзя
себе представить, чтобы переменные
выходили за установленные пределы,
кроме случая, когда механизм вышел из
строя. Это объясняется тем, что само
движение за пределы ограничений
вызывает появление управляющего
воздействия. Эти два фактора неразрывно
связаны. Следовательно, регулятор с
обратной связью не может не справиться
ГЛ.
4. УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
49
с
возложенной на него задачей, и уже одно
это обстоятельство играет само по
себе важнейшую роль.
Но
еще более важным является вытекающее
отсюда следствие, заключающееся в том,
что регулятор с обратной связью
гарантирует компенсацию возмущений
не только определенного вида, но и любых
возмущений вообще. Регулятор с
обратной связью, для создания которого
не требуется разработки особой, весьма
сложной конструкции, реагирует на
большое число источников возможных
возмущений. В частности, он компенсирует
влияние на систему возмущений, причина
возникновения которых совершенно
неизвестна. В этом как раз и заключается
важность принципа обратной связи,
поскольку в кибернетике, как было
указано выше, мы имеем дело с очень
сложными системами, не поддающимися
детальному описанию. Чтобы получить
возможность управлять такими
системами, мы должны предусмотреть
управляющий механизм, способный
выполнять функции, которые нам не ясны,
хотя мы сами строим этот механизм.
Именно эти функции и может выполнять
регулятор с обратной связью. Отсюда
вытекает его важнейшая роль, и этим
же объясняется то принципиальное
этимологическое значение, которое он
был призван сыграть в названии нашей
науки. Дело в том, что слово «регулятор»
(governor) происходит от
латинского слова «управляющий»
(gubernator), которое, в свою
очередь, образовано от греческого слова
«кибернесий» — «кормчий». Винер и
его сподвижники в 1947 году решили дать
новой науке название кибернетики. Винер
пишет: «Рулевые машины кораблей
являются, по существу, первыми
наиболее совершенными формами механизмов
с обратной связью». В свое время еще
Платон пользовался словом «кибернетика»,
а Ампер позаимствовал его для названия
науки об управлении государством, но
именно Винер окончательно ввел это
непривычное слово в широкое употребление,
и ему же принадлежит заслуга в том, что
оно так удачно выражает вложенный в
него смысл.
Приведенный
пример обратной связи в регуляторе
Уатта иллюстрирует отрицательную
обратную связь. Термин «отрицательная»
объясняется тем, что рассогла
50
ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ
сование
между заданным и действительным
значениями гомеостатического параметра
машины (в рассмотренном случае этим
параметром является скорость вращения
вала парового двигателя) определяется
как положи- гельная величина, в то время
как действие обратной связи имеет
противоположный знак. Однако нередко
в управлении используется и положительная
обратная связь. В этом случае функция
управляющего механизма заключается в
усилении измеренного рассогласования.
Так, например, в тормозных системах с
внешним источником энергии применяются
устройства, которые реагируют на
небольшие перемещения, производимые
вручную, и усиливают их до тех пор, пока
развиваемое тормозное усилие не
становится достаточным для остановки
движущейся машины. Эти простые
детерминированные системы, объединенные
в одно целое (ибо, вообще говоря, машина
может быть построена таким образом,
что в ней имеется несколько связанных
друг с другом обратных связей), способны
образовывать сложную
детерминированную систему. По сути
дела, такие структуры используются
при решении задач автоматизации.
Но
очень важно понять, что эти же принципы
применимы для любых систем, в том
числе вероятностных, а также систем,
лежащих вне области техники. Это
соображение можно развить значительно
дальше. В пределах детерминированных
систем существует много эффективных
способов управления, так что обратная
связь является только одним из них.
Наиболее надежным способом для таких
систем является непосредственное
воздействие, которое можно использовать
лишь при отсутствии случайных
возмущений. Для вероятностных же систем
обратная связь является единственным
действительно эффективным механизмом
управления.
Рассмотрим
самым беглым образом роль обратной
связи в живых организмах, которые по
изложенным выше причинам представляют
особый интерес для кибернетиков. В
данном случае наиболее важно рассмотреть
физиологические функции живых организмов,
ибо в просгейших формах (исходя из самой
приближенной гипотезы) их можно считать
детерминированными. Толь- си тогда,
когда входные и выходные величины
начинают
ГЛ.
4. УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
51
проявлять
значительные изменения, мы вынуждены
рассматривать их как параметры
статистических распределений, а
следовательно, считать порождающие их
системы вероятностными.
По
существу, механическая обратная связь
такого типа, который используется в
регуляторе Уатта, встречается нам,
к примеру, в работе сердца улитки. При
сокращении желудочка кровь
выталкивается в открытую кровеносную
систему, в которой отсутствуют эластичные
связи с наружным скелетом улитки
(имеющиеся, к примеру, у крабов), могущие
заставлять сердце вновь открыться для
заполнения кровью. Было высказано
мнение, что при сокращении желудочка
в околосердечной сумке улитки, т. е. в
пространстве, где помещается сердце,
возникает вакуум, под влиянием которого
очередная порция крови автоматически
нагнетается в предсердие. Если это
объяснение механизма кровообращения
улитки является правильным, то мы имеем
детерминированную систему с обратной
связью, в которой выход определяет не
только величину, но и само действие
входа. Аналогичные, но менее явно
выраженные механизмы обратной связи
управляют пищеварением даже более
низших животных. Так, раздражение
кишечника дождевого червя увеличивает
выделение пищеварительных энзимов,
что является примером положительной
обратной связи. Этот же цикл можно
проследить даже в простейших и микробах.
Переходя
к рассмотрению пищеварительных систем
у более высоких форм живых организмов,
а именно у позвоночных, мы обнаруживаем
весьма сложные связи, вызывающие
выделение пищеварительных соков за
счет обратной связи, реализуемой при
помощи разнообразных механизмов:
непосредственных физических и химических
стимуляторов, гормонов и нервных
импульсов, связанных в единую систему,
дающую требуемый результат. Выше мы
упоминали об условных рефлексах как
примерах сложных вероятностных систем.
Прототипом таких систем, безусловно,
является павловская собака, у которой
выделение слюны обусловлено искусственным
раздражителем. В данном случае мы
наблюдаем обратную связь, весьма
близкую к знакомым нам электриче
52
ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ
ским
обратным связям, ибо слюнные железы
управляются исключительно нервной
системой.
Эти
простейшие физиологические примеры
открывают путь к пониманию сложных
бихевиористических обратных связей,
управляющих положением тела посредством
мышечного тонуса, а также всех прочих
гомеостатов, функционирующих в теле
животного. Когда мы подходим к
рассмотрению сознательных действий,
как в приведенном выше примере с
поимкой мяча, мы начинаем понимать
зависимость живого организма от
огромного разнообразия и числа
взаимосвязанных положительных и
отрицательных обратных связей.
Первостепенная роль некоторых крупных
систем с обратной связью, обнаруживаемых
в биологических объектах, уже получила
признание в кибернетических
исследованиях. Так, например, существует
явная аналогия между моей способностью
преследовать убегающего преступника,
делающего обманные маневры, и
способностью управляемого снаряда
поражать цель. Однако есть еще очень
много подобных примеров, которые до
сих пор не исследованы. Каждому, кто
хоть немного знаком с функциями
эндокринных желез в человеческом
организме, должно быть ясно, что жизнь
без них была бы невозможна и что огромное
число различных заболеваний
проистекает из-за нарушения правильной
работы этих желез. Более того, обладая
знаниями в этой области, можно ясно
усмотреть, что промышленному
предприятию очень не хватает чего-либо
подобного этому чудесному механизму.
При этом только ограниченность
воображения может помешать распознаванию
аналогии между нарушением функций
эндокринных желез и некоторыми
нарушениями, наблюдаемыми в сфере
производства. Таким образом, мы
сталкиваемся с иной кибернетической
моделью, практическое использование
которой уже назрело, пожалуй столь же
эффективной, как и модель для поражения
цели.
Однако
на этой предварительной стадии изложения
материала нам не хотелось бы тратить
больше времени на физиологические
обратные связи, так как вопрос о них
уже, очевидно, достаточно ясен. Более
целесообразно перейти к двум
специфическим иллюстрациям систем с
обратной связью, заимствованным из
других областей,
ГЛ.
4. УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
53
в
которых важность принципа обратной
связи, пожалуй, не осознана. Первый,
хотя и простой, из этих примеров позволяет
ознакомиться со взглядами, развитыми
профессором Тастином, который
исследовал экономические системы с
позиций признания первостепенной роли
обратной связи. Второй пример
представляет собой краткое изложение
существа работ доктора фон Ферстера,
применившего принцип обратной связи
для решения проблемы памяти. Этим двум
примерам совместно с уже изложенными
общими соображениями о роли обратной
связи в механических и биологических
системах отводится так много места
в надежде, что все богатство и
универсальность принципа обратной
связи, представляющего важнейшее
понятие в общих кибернетических
взглядах, станут достаточно ясными.
ОБРАТНАЯ
СВЯЗЬ В ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Можно
построить модель даже столь сложной
системы, как экономика целого
государства, если принять ряд упрощающих
допущений. Некоторые кибернетические
методы позволяют надеяться, что в
конечном счете окажется возможным
построение такой модели без существенных
упрощений. Однако в настоящее время
нас интересует только роль и универсальность
принципа, получившего название обратной
связи. Экономическая модель, в которой
Тастин (Tustin) применил
этот принцип [4], является простой
системой, предложенной Кейнсом
(Keynes). В первой части своей
«Общей теории» Кейнс предложил модель,
изображающую экономику производства
и потребления. Он выразил ее в виде ряда
уравнений, поставив перед собой цель
продемонстрировать различные виды
зависимостей, связывающих рассмотренные
им факторы. Последуем примеру Тастина
и представим эти зависимости в виде
модели.
Общая
сумма всех доходов (F)
состоит из денег, затрачиваемых на
производство товаров. Все эти деньги
расходуются на потребление товаров.
Разделим деньги, затрачиваемые в сфере
производства, на две категории: деньги,
затрачиваемые на производство товаров
широкого потребления (Р), т. е. товаров,
которые могут быть
54
ОСНОВНЫЕ
понятия
непосредственно
потреблены, и деньги, затрачиваемые
на
производство средств производства,
т. е. собственно
капиталовложения
(/). Аналогичным образом мы можем
разделить
деньги, расходуемые в сфере потребления,
на
две категории: деньги, истраченные
на покупку товаров
(С), и сбережения
(S).
Теперь для того, чтобы эта мо-
дель
была устойчивой, дру-
гими словами,
чтобы вход и
выход национального
дохо-
да были в среднем уравно-
вешены,
необходимо нали-
чие регулирующей
обратной
связи от потребления к
про-
изводству. В нашей простой
Рис.
1. модели не учитываются ак-
ционерный
капитал и прочие побочные факторы.
Она ограничивается только основными
статьями расходов и доходов. При этих
условиях можно утверждать, что уровень
потребления непосредственно
регулирует производство. На рис. 1
приведена диаграмма, соответствующая
нашей модели. Способность непосредственно
потреблять (Y
— С)
составляет k-ю
долю
от Y.
Следовательно, сбережения равны остатку
1 — k.
Прочие факторы можно принять равными
единице.
Предположим
теперь, говорит Тастин, что мы имели бы
такую же техническую систему с обратной
связью. Какие выводы можно сделать в
таком случае? Наличие замкнутого контура
в системе позволяет немедленно обнаружить
некоторые специфические свойства.
Посмотрим прежде всего, в чем они
состоят.
В
системе, связывающей А,
В, С и
D
соединениями х,
у и z,
единственным воздействием на В
является х,
порождаемый
Л. Однако при включении цепи обратной
связи / от С
к В
воздействия на В
принимают более сложный вид (рис. 2). В
этом случае мы имеем В
= хА
+ fC.
Но С
= уВ,
и поэтому В
= хА
+ fyB,
что дает
В х 1 1
с
-A=T=fy
= xT=k
ПРИ
k=fy■
Аналогичные
соображения можно применить к замкнутому
контуру нашей экономической модели.
Уровень
ГЛ.
4. УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
55
потребления
воздействует по цепи обратной связи
на Y.
Это приводит к тому, что влияние
капиталовложений (/) на доход (Y)
более не равно единичной величине,
которую
мы приняли вначале. Эта величина
умножается
на
коэффициент обратной связи полученный нами
выше.
Этот коэффициент представляет собой
не что иное, как множитель
капиталовложений,
введенный Кейнсом, т. е. коэффициент,
на который следует умножить любое
приращение капиталовложений, чтобы
определить его влияние на доход.
Далее
можно легко получить следующий результат.
Если
Y
= /(1/1—
£), то / =
(l—k)Y
= S.
Последнее
уравнение совпадает с выводом Кейнса
о том, чго капиталовложения равны
сбережениям.
Ценность
такого подхода можно выяснить даже из
столь беглого рассмотрения примера.
Тастин в своей книге разработал гораздо
более детальную модель, учитывающую
много других факторов и содержащую
гораздо более разветвленные цепи
воздействий. Однако никто не решится
утверждать, что и такая модель полностью
отражает реальную экономическую систему
Тем не менее этим путем, бесспорно,
достигнуто понимание механизмов,
действующих в экономике, и появилась
перспектива, правда еще не совсем
ясная, строго научного подхода к решению
некоторых ограниченных экономических
задач (которые до настоящего времени,
пожалуй, считались неразрешимыми, или
неопределимыми, или Даже проявлением
десницы божьей). Для кибернетика особенно
ценным является то, что обоснован взгляд
на экономические системы любых масштабов
(фирмы или целого государства) как на
гомеостатические системы,
56
ОСНОВНЫЕ
понятия
включающие
механизмы управления с обратной связью,
которая может быть выявлена и измерена.
Поэтому колебательное поведение
экономики может быть в определенном
смысле предсказуемо и управляемо.
Отсюда с помощью методов математического
моделирования, развитых в теории
исследования операций, должна появиться
возможность построения модели экономики,
которая позволит решать по крайней
мере некоторые реальные задачи. Далее,
используя технику электронного
моделирования, можно будет провести
эксперименты на модели, т. е. использовать
ее в качестве подопытной морской свинки.
Если все это становится достижимым, то
экономика, превращаясь тем самым в
объект кибернетического управления,
перестает быть областью догадок и
словоизвержений политических теоретиков.
ОБРАТНАЯ
СВЯЗЬ В ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Мы
называем устройство для хранения
информации электронной вычислительной
машины «памятью», однако эта метафора
весьма наивна. В кибернетических
машинах нас прежде всего интересует
создание эффективного аналога памяти,
который отвечал бы нашему субъективному
представлению о ней. Это, безусловно,
устройство для хранения, но хранения
избирательного. Более того, оно не
только хранит информацию в течение
неопределенного времени, но и
забывает. Часто это создает большие
неудобства для мозга, которому принадлежит
данная память, однако существует
много причин, в силу которых
несущественная информация, хранящаяся
как в мозгу, так и в кибернетической
машине, должна постепенно исчезать.
Мы можем поставить перед собой задачи
реализации такого механизма памяти
при помощи машины, имитируя память
живых организмов, так как у них она
развилась до такого состояния которое
обеспечивает рациональную «скорость
забывания». Один из возможных
кибернетических подходов к решению
этой задачи развит фон Ферстером (von
Foerster) в его книге «Теория
памяти, построенная на принципах
квантовой
ГЛ.
4. УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
57
механики»
[5]. Эта работа дает хорошую иллюстрацию
кибернетического метода исследования
и служит также заключительным примером
более сложных форм, в которые может
воплощаться идея обратной связи.
Отметим,
прежде всего, что органы чувств, через
которые информация попадает в мозг,
состоят из огромного числа крошечных
дискретных элементов. Так, например,
сетчатка каждого глаза состоит из ста
миллионов рецепторов (колбочек и
палочек). Предположим, что наблюдаемое
событие создает ряд элементарных
впечатлений (по одному в каждом
рецепторе), и примем это действительное
число равным N0.
Спустя
время t
забывчивость
приведет к потере, памяти. Применяя
принципы, которые ученые обычно применяют
к процессу «распада» в физике и
химии, мы можем согласиться, что это
явление эквивалентно уничтожению части
элементарных впечатлений (или потере
доступа к ним), которые уже перешли из
рецепторов в устройство памяти мозга.
Далее, естественно предположить,
что скорость изменения числа существующих
в данный момент впечатлений пропорциональна
числу исчезающих впечатлений, которое
примем за N.
Формально
это можно • записать аналитически в
виде
Решив
это дифференциальное уравнение, мы
получим:
N
=
N0e~u.
Короче
говоря, из указанных рассуждений было
выведено понятие кривой «забывания»,
или, другими словами, была высказана
гипотеза об уровне, на котором мы можем
надеяться сохранить произвольную
информацию в нашей памяти во времени.
Мы можем построить график, выражающий
«долю запомненной информации» (N/N0)
в
функции времени, из которого видно, что
кривая быстро спадает и скоро приближается
к нулю. Однако это противоречит
наблюдаемым фактам. Точная память
действительно быстро ослабевает, но
мозг сохраняет достаточно хорошее
воспоминание в течение длительного
времени. Какова же причина этого
расхождения между
58
ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ
предлагаемой
кибернетической моделью и реальной
действительностью?
В
ходе исследований фон Ферстер понял,
что его кривую забывания можно
привести в гораздо более точное
соответствие с реальностью за счет
введения в приведенное уравнение,
помимо других «коэффициентов забывания».
Работая в этом направлении, он пришел
к выводу, что некоторые коэффициенты
забывания должны быть отрицательными.
Но что такое «отрицательное забывание»?
Оно не может быть не чем иным, как
обучением. Таким образом, чтобы
объяснить вид кривой забывания,
которую действительно получают психологи
при исследовании памяти, кибернетик
вынужден привлечь элемент обучения
или, точнее, как это выяснено, переобучения
или заучивания.
Вид
процесса, который мы описываем, сводится
к периодическому обновлению памяти.
Сознательно или бессознательно,
либо, наконец, обоими путями память
усиливается за счет процесса
воспоминания, без которого она неуклонно
слабеет. Анализ памяти любого человека
в любой данный момент времени позволяет
обнаружить некоторую долю N/N0
элементов,
еще несущих информацию. Эта доля
подается по. обратной связи в свободные
участки памяти, образующиеся в результате
процесса забывания. Она и составляет
«заучиваемую» информацию. Итак,
теперь мы видим, что память содержит
часть сохраненных впечатлений,
определяемую приведенной формулой,
плюс некоторые дополнительные
впечатления, поступающие по обратной
связи.
Число
«свободных участков» такой памяти
составляет (А0
— А), т. е. оно равно числу элементов,
утративших свои впечатления. Часть
этого свободного пространства
заполняется по цепи обратной связи.
Первым фактором, определяющим «объем»
этого пространства, естественно,
является число элементов, все еще
сохраняющих информацию, т. е. число
N.
Однако
на него влияет нечто вроде к. п. д.
процесса заучивания. Этот коэффициент
должен воплощать в себе как эффективность
передачи информации, так и частоту
сканирования памяти, которая обусловливает
собой эту передачу Таким образом,
обратная связь «отрицательного забыва
ГЛ
4 УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
59
ния»
представляет собой коэффициент обучения,
который можно выразить в виде \iN(Nq
—
N).
Теперь
мы можем получить другую форму «кривой
забывания», отражающую весьма тонкий
вид отрицательной обратной связи.
Математически она описывается просто
путем добавления к первому выражению
второго, т. е. коэффициента обратной
связи. В результате мы имеем:
d-^=-KN
+ ixN(N0~N).
Фон
Ферстер, приняв отношение N/N0
=
п,
а произведение N0\i
=
k
и
назвав первую величину долей запомненных
впечатлений, а вторую «заучиванием»,
получил из этого уравнения выражение
для п
в виде
k
— %
П
~~
к — Хе-Чг-™-
Кривая,
описываемая этим уравнением, не только
не спадает быстро до нуля, но показывает,
что и при t
->
со всегда сохраняются остаточные
запомненные впечатления или факты.
В дальнейшем было установлено, что эта
кривая в действительности очень близко
совпадает с результатами
экспериментальных исследований памяти
человека.
В
нашем беглом описании работы фон
Ферстера мы не давали никаких пояснений
относительно изложения его теории при
помощи аппарата квантовой механики и
не касались также вопроса о виде обучения
и принятых статистических допущениях.
Однако мы надеемся, что это изложение
достаточно для иллюстрации общего
подхода и что читатель не удивится,
если узнает, что, опираясь на эту
основу, фон Ферстеру удалось объяснить
такие явления, как галлюцинации и
странные ощущения типа «я здесь уже
был» (называемые иногда по-французски
«deja-vu»).
Какие
дальнейшие результаты даст описанное
исследование, пока еще не ясно. Но
если по существу вдуматься в
современное общепринятое представление
о «памяти» электронных вычислительных
машин, то