Камень, ножницы, теорема. Фон Нейман. Теория игр - Коллектив авторов (книги читать бесплатно без регистрации txt) 📗
ОТ МЕЧТЫ ЛЕЙБНИЦА К МЕЧТЕ ФОН НЕЙМАНА
Развитие человеческой мысли скрыто от нас, оно следует законам, которые пока не удалось выявить. Однако в истории науки были великие мыслители, считавшие, что если можно было бы обозначить идеи номерами и присвоить каждой свое число, то достаточно было бы произвести вычисления с этими числами, чтобы узнать, какие из них верные, а какие ложные. Собственно, это и было мечтой Готфрида Лейбница (1646-1716).
Немецкий поэт Фридрих Гёльдерлин (1770-1843) однажды сказал: «Когда человек мечтает, он король, когда размышляет — нищий». Несомненно, Лейбниц очень походил на короля...
Тем не менее для таких научных деятелей, как Паскаль, Лейбниц или Декарт, склонных в своих размышлениях если не к прагматизму, то, по крайней мере, к некоей конкретике, размышлять означало воплощать свои идеи на практике. И в этот момент мечта могла обернуться кошмаром. Следовательно, нас не должно удивлять, что результаты их первых выводов воплощались в вычислительных машинах, ведь вычисление — одна из первых абстрактных операций, выполняемых человеческим разумом. К тому же время показало, что действие самых продвинутых «думающих» машин, которые мы способны сделать, основано на вычислениях по строго определенным правилам компьютерной алгебры. Эта сложная и очень специализированная область математики, появившаяся вместе с информатикой, начала зарождаться еще в сознании философов и математиков.
Истина слишком сложна, нам дано лишь немного приблизиться к ней.
Джон фон Нейман
Вычислительная машина, спроектированная Лейбницем, была сложнее машины Паскаля, так как могла не только складывать и вычитать, но и умножать, делить и извлекать квадратные корни. Между началом ее создания и днем, когда Лейбниц увидел ее в собранном виде, прошло почти 23 года. Ученый дал ей говорящее название — Getrocknetsrechenmaschine (ступенчатая вычислительная машина). Действительно, она производила умножение путем последовательного сложения, но ее механизмы были слишком сложны технически для того времени, и она никогда не работала нормально. Несмотря на свою неудачу, Лейбниц посвятил себя размышлению над революционной идеей: если числа можно было бы представить на основании 2, это не только упростило бы механизмы машины, но и позволило бы применить к процессу вычисления бинарную логику.
ИГРА «ЖИЗНЬ
Два специалиста по клеточным автоматам могли бы вести диалог такого рода.
— Я уже несколько недель работаю над «Жизнью 4555»».
— Очень интересно. А я — над «Жизнью 5766»». Ищу модель того, как распространяются пожары в лесах.
Чтобы этот разговор был понятен, надо знать значения этих четырех цифр. Первая обозначает минимальное количество клеток, которое должно окружать живую клетку для того, чтобы она не умерла. Вторая — то же самое, но наоборот: это максимальное число. Третья — это минимальное число живых клеток в окружении для того, чтобы у клетки была возможность вновь ожить. Четвертая и последняя — максимальное число соседних клеток для того, чтобы ожить. То, что сегодня называется игрой «Жизнь»», является математической теорией, простой и очень любопытной. Ее возможное применение может быть теоретическим или практическим, например при изучении репродукции раковых клеток, зараженных деревьев в лесу, распространения пожаров или роста кристаллов.
Интерактивное табло, на котором идет игра «Жизнь». Музей искусства Сан-Хосе, Калифорния.
По Лейбницу, мир делится на два разных уровня. Физический уровень погружен в пространство и время, события в нем развиваются по своим законам (у всего есть следствие и причина), и его явления объясняются с помощью механики. Второй уровень — метафизический, в нем нет ни времени, ни пространства, ни причин, ни следствий, только числа. Сущность этого уровня Лейбниц ясно описал в следующем отрывке:
«Рассуждая с метафизической точки зрения, мы не более правы, когда говорим, что корабль движет воду и создает воронки, чем когда утверждаем, что вода сама создает их и вследствие этого корабль движется в соответствии с ними».
Исходя из этого Лейбниц пытался найти универсальный язык, который включал бы все термины метафизического мира и способы их взаимодействия, чтобы породить новые истины и иметь возможность контролировать этот механизм взаимодействия. Благодаря работе над такой задачей Лейбниц стал считаться отцом символической логики. Он предложил присвоить простые числа простым терминам и их произведения — всем остальным. Для воплощения этой идеи на практике Лейбниц создал алгебру всего с двумя связками — отрицанием и соединением, — заложив основы бинарной логики.
Воплотилась ли мечта Лейбница в жизнь? Некоторые ее аспекты — да, а некоторые, возможно, не воплотятся никогда. Британский математик Ада Лавлейс (1815-1852) — первый программист в истории — возможно, знала об амбициозном замысле Лейбница, так как однажды, говоря о компьютерах, заметила:
«Аналитическая машина не имеет претензий на создание чего- либо. Она может выполнить все что угодно — при условии, что знает верный способ. Она может провести анализ, но не в состоянии вскрыть аналитические связи или открыть истины. Ее потенциал заключается в том, чтобы помочь нам сделать возможным то, о чем у нас уже есть первоначальные знания».
Лейбниц мечтал о машине, которая сможет соперничать хотя бы с частью человеческого разума. Фон Нейман же мечтал о создании универсального языка, с помощью которого это было бы возможным.
ИСКУССТВЕННЫЕ НЕЙРОННЫЕ СЕТИ
В 1943 году двое американских ученых — нейролог и кибернетик Уоррен Маккалок (1898-1969) и логик Уолтер Питтс (1923-1969) — создали вычислительную модель, симулирующую работу нервной системы. В ней существовали узлы, связанные друг с другом, как аксоны связывают дендриты в биологических системах. Так появились искусственные нейронные сети (ANN, от Artificial Neural Networks). Фон Нейман работал над расширением и развитием сетей, предложенных Маккалоком и Питтсом.
ANN в основном делятся на два типа: биологические, которые пытаются воспроизвести такие свойства, как слух или зрение, и ориентированные на практическое применение, но мало напоминающие биологические системы. Джон фон Нейман подсчитал, какое примерно количество информации сохраняется в нашей памяти за среднюю по продолжительности жизнь. В результате он получил число, равное 2, 8 · 1020 (280000000000000000000 бит), что очень сложно себе представить, как бы мы ни старались.
Фон Нейман рассматривал нервные клетки как электронные устройства, способные порождать биты: 1 — когда они порождают электрический импульс и 0 — когда находятся в состоянии покоя. Эта система чрезвычайно сложна и сочетает в себе электрохимические и механические процессы, но ее основа должна включать логическую и арифметическую части, обе из которых одинаково важны. Из этого ученый сделал вывод, что мозг можно рассматривать так же, как и современные вычислительные машины, и возвращался к логической структуре как к инструменту для создания модели. Он мог бы применить такую модель и к языку, в неформальном его понимании. По этому поводу фон Нейман сделал заявление, в котором проявился его онтологический подход к математике. Дословно он сказал, что «такие языки, как греческий или санскрит, представляют собой факты истории, а не абсолютную логическую необходимость». В первом случае речь идет о процессе обучения, выполняемом центральной нервной системой, в то время как во втором — о процессе, являющемся частью самой структуры, а он должен иметь тесную связь с математикой. Это все равно что заявить, что математика не «придумана» людьми, а является частью самой их природы.
