PREDAVANJE VII OSNOVNI TEORIJSKI SISTEMI KOGNITIVNE PSIHOLOGIJE Simbolicizam i konekcionizam

KOGNITIVNA PSIHOLOGIJA Jesenji semestar 2012. Predavač: Goran S. Milovanović

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 1-2

DEO I

STANDARDNA PARADIGMA

Kompjutaciona teorija uma, folk-psihologija i simbolicistički pristup objašnjenju kognitivnih procesa

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 1-3

Taksi parkira pored trotoara jedne od dve ulice. Iz taksija, sa suvozačkog mesta, izlazi na trotoar devojka koja brzim koracima prilazi prvoj zgradi do ulice. U zidu zgrade vidimo bankomat; devojka mu prilazi, iz kaputa vadi novčanik, otvara ga, iz novčanika vadi karticu, stavlja je u bankomat, i podiže novac. Zatim vraća karticu u novčanik, ali novac drži u rukama; okreće se i vraća prema taksiju, pruža novac taksisti kroz prozor, uzima natrag nešto novca od njega, stavlja taj novac u novčanik i novčanik vraća u kaput. Taksista pali motor i odlazi, a devojka prelazi na drugu stranu ulice, gde se mi nalazimo, i stoji malo dalje od nas.

Protumačite ponašanje osobe iz prethodnog primera. Šta se dogodilo? Koji je razvoj događaja najverovatniji? Šta otkriva njeno ponašanje?

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 1-4

Ogroman broj svakodnevnih situacija i ponašanja ćete uspešno

objasniti na ovaj način.

Da li to znači da naši umovi „rade ovako“?

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 1-5

Folk-psihologija (intencionalna psihologija, zdravorazumska psihologija... pominje se pod još imena) • Motivaciona stanja: ciljevi, namere,

želje, motivi • Kognitivna stanja: verovanja o stanjima

sveta („Ispred mene je crveni kvadrat“, „2 i 2 su pet“, „Francuska revolucija je izbila 1879.“).

• Verovanje (engl. Belief) je osnovni teorijski pojam. • Verovanja o motivacionim stanjima („Mislim da sam žedan“) • Verovanja o stanjima sveta („Nebo je plavo“)

• Elementi koji grade mentalna stanja u folk-psihologiji:

• Propozicije („Nebo je plavo“) • Stavovi („Verujem da... “, „Mislim da...“, „Nameravam da...“, „Voleo bih

da...“) • Propozicioni stavovi: „Verujem da je mačka na krovu“, „Voleo bih da je

mačka u kuhinji“

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 1-6

Folk-psihologija: ne postoji to što ne može da se reši kombinovanjem odgovarajućih propozicija i propozicionih stavova. Makar i u principu, svi kognitivni činovi i sva ponašanja mogu da dobiju svoje objašnjenje, da budu kontrolisana i predviđana na osnovu zakonitosti – pravila – o tome kako se kombinuju propozicije, stavovi i propozicioni stavovi (tj. verovanja, uopšte) u složenije celine. Cilj psihologije: otkriti pravila kompozicije ovih osnovnih konstituenata mentalnog života.

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 1-7

Cilj psihologije: otkriti pravila kompozicije ovih osnovnih konstituenata mentalnog života.

Kako učiniti takav opis naučnim?

Formalni sistemi: osnov za simboličke mehanizme

Formalni sistem čini: (i ) Skup simbola (alfabet) koji se koriste u izgradnji rečenica u jeziku tog formalnog sistema (ii ) Skup sintaksičkih pravila (gramatika) prema kojima se formiraju rečenice u jeziku tog formalnog sistema (iii ) Skup aksioma - polaznih, elementarnih tvrdnji tog formalnog sistema čija se istinitost smatra očiglednom (iv ) Pravila inferencije kojima se iz određenih tvrdnji (u početku, isključivo aksioma) grade druge tvrdnje, odn. teoreme tog formalnog sistema.

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 1-8

Cilj psihologije: otkriti pravila kompozicije ovih osnovnih konstituenata mentalnog života.

(i ) Skup simbola (alfabet): npr. grčka slova (α, β, γ, ...) za motivaciona stanja, latinična slova (a, b, c...) za verovanja o stanjima sveta. (ii ) Skup sintaksičkih pravila npr. pravilo koje kaže ako je motivaciono stanje u skupu {α, β}, onda je motivaciono stanje u skupu U(rgentno): {α, β} U. (iii ) Skup aksioma – npr. aksiom koji tvrdi da ako je trenutno motivaciono stanje U, ono mora odmah da se zadovolji. Možemo ga nazvati aksiomom prioriteta. Na primer, ako ste radili 14h bez prestanka, prioritet je da se naspavate, i to će – zbog važenja aksioma prioriteta – mentalni sistem da vam singalizira. (iv ) Pravila inferencije kojima se iz određenih tvrdnji (u početku, isključivo aksioma) grade druge tvrdnje, odn. teoreme tog formalnog sistema. (S(Osoba) = U) Pomozi[Zadovolji(Osoba, U)]. “Аko naiđeš na neku osobu za koju opažaš da je njeno motivaciono stanje S(Osoba) u skupu urgentnih motivacija, pomozi osobi koju si sreo da zadovolji taj urgentni motiv“.

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 1-9

Folk-psihologiju realizuje jedan specigičan formalni sistem: račun verovanja

(i ) Skup simbola (ii ) Skup sintaksičkih pravila (iii ) Skup aksioma (iv ) Pravila inferencije - Sve se svodi na simbolička izračunavanja, tj. egzaktno baratanje simbolima.

- Ta aktivnost nije ništa drugo do prepisivanje jednog niza simbola u neki drugi niz

simbola poštujući stroga pravila igre.

- Pruži opis formalnog sistema koji je dovoljno fleksibilan da obuhvati sve neophodne relacije i pravila na osnovu kojih će kombinovati jednostavnije simbole i simboličke izraze u složene, i pružio si opis formalnog sistema koji inteligentno rešava ma koji problem koji rešava ljudski um.

- Da li ćemo to zvati ljudskom ili veštačkom inteligencijom, poptuno je svejedno.

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 1-10

Da li je moguće fizički realizovati ovakve formalne sisteme i tako pružiti perspektivu za razvoj naturalističke teorije uma?

Matematička logika. Radovi Tjuringa, Čerča, Posta i drugih: ideja univerzalnog izračunavanja.

Alan Metison Tjuring (1912 –1954)

• U suštini, sva matematička logika i sva matematika se svode na izračunavanje. Svo rešavanje problema je, dakle, izračunavanje.

• Izračunavanje = apsolutno precizan, nikad dvosmislen, potpuno jednoznačan, konačan opis koraka koje treba izvesti da bi se početno stanje problema dovelo do stanja koje zadovoljava njegovo rešenje.

• Algoritam = efektivna procedura poput one koju zahteva definicija izračunavanja.

• Tjuringov doprinos: dokaz da postoji apstraktan, matematički sistem – skup simbola i pravila rukovanja simbolima – unutar kojeg je moguće izvesti ma koje izračunavanje koje je uopšte zamislivo (ovo poslednje je samo teza, tzv. Čerč-Tjuringova teza...): UNIVERZALNO IZRAČUNAVANJE.

• Tjuringova mašina – i više simboličkih sistema koji su njoj ekvivalentni (doprinosi Čerča, Posta, i dan danas se proučava...)

• Suština: moguće je sve manipulacije simbolima čije je značenje iscrpno definisano izvesti potpuno mehanički automatizacija.

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 1-11

Matematička logika. Radovi Tjuringa, Čerča, Posta i drugih: ideja univerzalnog izračunavanja.

Alan Metison Tjuring (1912 –1954)

Tjuringova ideja univerzalnog izračunavanja (pojednostavljeno)

Tjuringova mašina

„glava“: nosi instrukciju šta uraditi sa simbolom na traci

beskonačna traka (idealizacija)

Simbol na traci

Trenutno stanje A Trenutno stanje B Trenutno stanje C

Upiši simbol

Pomeri traku

Pređi u stanje

Upiši simbol

Pomeri traku

Pređi u stanje

Upiši simbol

Pomeri traku

Pređi u stanje

0 1 Desno B 1 Levo A 1 Levo B

1 1 Levo C 1 Desno B 1 Desno STOP

Tabela instrukcija

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 1-12

Argument kompjutacione kognitivne psihologije

Ako je moguće sva izračunavanja svesti na manipulacije egzaktno definisanim simbolima... ... ako je moguće sve manipulacije egzaktno definisanim simbolima obavljati mehanički... moguća je mašina koja sve izračunava (evo je na stolu) ... ako je moguće da se sve mehaničke manipulacije simbolima obavljaju automatski ... moguć je autonoman sistem za rešavanje problema veštačka inteligencija je moguća : ) ... moguće je da je ljudski um upravo automatski sistem takve vrste. Za razliku od silikonske, poluprovodničke implementacije u digitalnim kompjuterima, on je implemetiran u „mesu“: neuralni supstrat mentalnih procesa koji je proizvod procesa prirodne, biološke evolucije!

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 1-13

Allen Newell Herbert Simon

Hipoteza o fizičkim sistemima simbola (engl. Physical Symbol Systems): Fizički sistem simbola ima nužna i dovoljna sredstva za opšte inteligentno ponašanje.

Fizički sistemi simbola: • Počivaju na zakonima fizike: u kompjuterskim naukama, oni su proizvod nekog inženjerskog

procesa. U psihologiji, rekli bismo da je taj inženjerski proces prirodna, biološka evolucija. • Simboli su fizičke strukture koje mogu da uđu u složene odnose, tvoreći izraze, odn. Složene

strukture simbola. • Sistem, pored toga što uvek sadrži određene strukture simbola, sadrži i procese koji operišu

nad tim strukturama. • Fizički sistem simbola je mašina koja vremenom razvija jedne strukture simbola iz drugih

struktura simbola primenjujući operacije (procese) nad njima. • Označavanje je jedna suštinska osobina fizičkih sistema simbola: neki izraz označava neki

objekat ukoliko sistem koji sadrži taj izraz može ili da utiče na objekat za koji izraz stoji ili da proizvede ponašanje koje zavisi od tog objekta.

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 1-14

Allen Newell

Jerry A. Fodor

„... jer ako zdravorazumska intencionalna psihologija zaista propadne, to bi bila, bez poređenja, najveća intelektualna katastrofa u istoriji naše vrste: ako smo toliko grešili o umu, to je onda naše najveće pogrešno uverenje o ma čemu. Propast natprirodnog, na primer, ne može da se poredi; teizam nikada nije postigao da bude tako intimno povezan sa našom mišlju i našom praksom - posebno našom praksom - kao što je to objašnjenje putem verovanja i želje. Ništa [...] nije blisko jezgru naših kognitivnih sposobnosti kao intencionalno objašnjenje. Bićemo u velikoj, velikoj nevolji ako budemo morali da ga se odreknemo (Fodor, 1985).

Intencionalna (folk) psihologija je od ekstremnog značaja za nas. Kroz nju, jednostavno, objašnjavamo svet oko sebe, i bez nje, mi ne znamo kako bismo ga objasnili. Kompjutacionizam možda nije „način na koji naš um radi“, ali je kompjutaciona teorija uma jedini nama za sada poznat kandidat za naturalističku teoriju mentalnih procesa uopšte. Kritike? Šta je na kocki:

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 2-1

DEO II

KONEKCIONIZAM

Teorija paralelne distribuirane obrade informacija

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 2-2

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 2-3

Prosečan ljudski mozak sadrži oko 85-100 milijardi nervnih ćelija. Jedan neuron se povezuje sa do 10,000 (deset hiljada) drugih, ostvarujući kontakte kroz nervni sistem putem triliona sinaptičkih veza (jedna procena je: 0.15 kvadriliona sinapsi). Trilion ima dvanest nula iza jedinice; kvadrilion ima petnest.

Ljudski mozak izvesno koristi to ogromno bogatstvo u broju konekcija između nervnih ćelija da bi kodirao, zadržavao i obrađivao informacije, te određivao optimalno ponašanje organizma u odnosu na sve raspoložive podatke. Da li modeli i teorije kognitivne psihologije mogu da nađu neku inspiraciju ovoj strukturi koja je visoko povezana, radi paralelno, bazirana na elemenatarnim jedinicima za obradu informacije (neuronima) koji sami po sebi nisu nikakvi „simboli“ – tj. nemaju fiksno, egzaktno značenje u visoko organizovanom sistemu obrade informacija? (Ok; neki neuroni imaju „fiksno značenje“). Naravno, kognitivna psihologija pronalazi inspiraciju u strukturi ovog sistema. Odavno.

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 2-4

1 0 Input

Ulazne jedinice

w = +1 w = +1

0.5 Izlazna jedinica

Ulazne jedinice

Izlazne jedinice

PERCEPTRON Rozenblat, 1962.

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 2-5

1 0 Input

Ulazne jedinice

w = +1 w = +1

0.5 Izlazna jedinica

1.5

w = +1 w = +1

w = -2

Skrivena jedinica

Kako rešiti XOR problem? – Izlazna jedinica treba da je aktivna ako je aktivna samo jedna od njenih ulaznih jedinica, ali ne i ako su aktivne obe. Perceptron ne rešava ovakav problem.

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 2-6

Višeslojne neuronske mreže sa propagacijom signala unapred (Feedforward Multilayer Perceptron w. Backpropagation Learning Algorithm)

krila

krzno

perje

trči

roni

leti

doji

leže jaja

reži

SISAR

PTICA

RIBA

GMIZAVAC

PROCES UČENJA:

(Predikcija

mreže – Greška)

Povratna propagacija signala greške kroz mrežu preračunavanje težine veza.

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 2-7

Ovakav sistem ne mora eksplicitno da kodira nikakva pravila klasifikacije i sl. Dakle, ne mora: SISAR {ima krzno + doji} Šišmiš Sisar+{može da leti } Struktura aktivacije jedinica i veza u sistemu određuje strukturu odgovora sistema u celini. Sistem se onda ponaša „kao da“ se ponaša po pravilima, tj. Realizuje iste kognitivne funkcije kao i klasičan, simbolicistički sistem; ali u suštini, „pravila ponašanja“ su u slučaju neuronske mreže samo nus-proizvodi, posledice globalne strukture aktivacije u celoj mreži.

Kog.Psi, Jesen 2012: PREDAVANJE VII 2-8

J. McClleland D. Rummelhart Rumelhart, D. E., McClelland, J. L., & the PDP research group. (1986). Parallel distributed processing: Explorations in the microstructure of cognition.

• Konekcionizam: razvoj kroz rad Grosberga i drugih još tokom 70-ih godina XX veka; • 1986: PDP grupa, „manifest“ paralelne distribuirane obrade informacija; • 1980/90: ogromna popularnost konekcionističkih modela, primena u modeliranju i

simulaciji najrazličitijih kognitivnih procesa i funkcija, teorijske diskusije sa simbolicistima (Fodor i Pajlišin); integracija sa teorijom nelinearnih dinamičkih sistema;

• 1990/2000: kognitivna psihologija se više interesuje za tzv. racionalne bejzijanske modele, „kriza konekcionizma“: postaju jasna ograničenja primene neuronskih mreža (pre svega backprop. algoritam) koje su razvijene do sada.