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[转载]转王育民:信息学科发展简史——纪念香农和维纳大师
热度 1 lcguang 2020-9-9 01:53
西安电子科技大学 王育民 (2020-08-28至31) 二次大战期间,战争的需求大大促进了科技的发展,特别是美国参战后更凸现了这一趋势。 20世纪四十年代出现了老三论:系统论、控制论和信息论, 信息走上了人类社会发展的历史舞台,成为了构建宇宙中一切系统(含天、地、生以及人类所创建的社会中的方方面面事物)的三要素之一 。 诺伯特 ·维纳 神童 诺伯特 ·维纳 ( Norbert Wiener ) 1948 年发表了著名的 《控制论 ——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》 , 控制论 是一门研究一切系统在信息的调控下如何保持动态平衡和稳定的科学,他特意创造 “Cybernetics”这个英语新词来命名这门科学,他在此书中还 明确指出 “ 信息就是信息,不是物质也不是能量”, 这是第一次将 “ 信息 ” 的重要性提到了空前未有的高度,与物质和能量并列的重要地位,这对于我们认识世界具有划时代意义。 在一切系统中,信息的地位和作用已定,但信息 概念很泛,有形形色色不同类别、性质不同的信息,很多信息可以感知,但并不是所有的信息都可以定量计数的。信息概念的广义性、主观性和定量研究的困难性(如情感信息、美学信息),如何将信息提升为科学定量地描述? 维纳和香农对此做出了突出的贡献。 通信的目的就是要获取所关注事件的信息。事件的发生是随机的,具有不确定性,观测和通信的目的就是要获取信息,以解除其中不确定性。这是信息的最基本的属性。 Shannon和Wiener利用概率论给出了这唯一一类可以定量描述和用逻辑思维研究,并形成一门科学理论 —— 不确定性信息论 。 他们将概率论和随机过程引入到人类如何接收信息解惑认知过程。提出了 不确定性信息的概念 ,给出了它的数学模型,用 熵差 (信源先验、或无条件熵减去观察或接收到信号后的条件不确定性的熵)定义了它的 量纲。 已知不确定性信息 是惟一 可定量描述的信息。 掷一枚硬币,其正面或反面出现的概率都是 1/2,是等可能的,其熵H(X)为1-比特( 采用对数函数 ),称之为 先验(无条件)不确定性 。当我们观察掷硬币的结果后,就知道是正(或)反面,完全解除了不确定性,即 条件不确定性 H(X/Y)=0。所得到的信息量为1-比特。熵不是信息量度, 熵差( H(X)- H(X/Y))才是得到的信息量 。 克劳德·艾尔伍德·香农 ( Claude Elwood Shannon ) 1948年C. E. Shannon发表了他的划时代文章,即《通信的数学理论》,宣告了一门崭新的学科──信息论的诞生。文章中明确地指出,实现有效而可靠通信的必由之路是 数字化和编码 ( 采样定理 )。这是通信技术领域革命的数学或理论基础,而半导体技术则是这一革命的物理或物质基础。值得指出的是,信息论和晶体管都同时诞生在贝尔(Bell)电话实验室,贝尔堪称 是 信息科学和技术的摇篮 。 青年时代的 香农 香农 1940同时获 MIT的工程硕士和数学博士学位,早在学生时代 香农就参与了 贝尔的研究项目。他的 硕士论文中论述了如何用布尔代数分析和综合数字开关电路, 获奖硕士论文发表后大获赞赏,获 Alfred Nobel 奖,他自豪地称:这 是他一生中从做这件事所获得的乐趣超过了其他任何事 。 应当指出, 香农 1948和1949年发表的两篇重要文章正是20世纪40年代在 贝尔参与数学、信息传输和保密电话研究时的产物,《通信的数学理论》历经 8年思索定稿发表, 这使他成为 信息论之父 ,时年仅 32 岁; 1949 年公开发表的《保密系统的通信理论》开辟了用信息论研究密码学的新方向,使他成为近代密码理论的 奠基人 和 先驱 。这篇文章是他在 1945 年为贝尔实验室所完成的一篇机密报告《 A Mathematical Theory of Cryptograph 》, 本文发表后促使他被聘为美国政府密码事务顾问。 香农在 贝尔连续工作了 15年期间创建了信息论、现代密码理论、人工智能等。1956年当选为美国科学院院士,时年40岁。 1966年 获 美国国家科学奖章 , 1985年获有日本诺奖之称的 京都( KyotoPrize)奖 ,奖金 50万美元 。他获得的奖和各种荣誉称号难以计数。 香农给出 的通信系统的数学模型,由信源(发信者)、编码器、信道、译码器、信宿(接收者),信道总是有扰的,由噪声源表征,每个框都是随机的,用概率分布或概率过程描述。 “ 通信的基本问题是在彼地(或彼时,贮存器)精确地或近似地重现此地(或此时,贮存器)揭示了所选的消息 ”, 这句话将通信的本质表述得多么清晰!从这个模型出发 香农 揭示出信息论核心思想 ,即编码定理。 对于给定的信源,最有效的传信就是选用的源编码尽力实现率失真函数的下确界;对于给定的信道,最有效的传信就是选用的信道编码尽力实现信道转移函数的上确界,即信道容量。这两类界统称为 香农限。这是求泛函极值问题。 信息的传输、存储和处理的通信体统数学模型中的编码器涵盖了丰富的内容,编码可达成各种不同的需求,概括地说主要有如下几点: 可靠性,抗干扰性; 通过增加冗余度的信道编码实现 ; 有效性, 通过 去冗余度的信 源编码实现 ; 时齐性、同步能力, 用数据反馈、频率和相位跟踪技术实现 ; 认证性, 通过增加冗余度的认证编码实现 ; 保密性, 通过 利用密码、信使或公钥算法递送或协商秘密钥实现; 防伪装, 通过认证编码,增加冗余度实现 ; 完整性,防信息伪造、防重复使用, 通过增加冗余度的检错码或数据压缩编码,如 Hush函数 ; 隐私性,尚无有效方法。现代所有信息技术都在尽力剥夺人们的隐私,迫使 人们在虚拟的“赛伯空间”中无奈地 “裸奔”,不仅如此,新的技术还将要直接窥测人的所想、追溯人们的久远的深层记忆、甚至人的内心世界,这更是令人胆寒的!。 除了前面提过的 1948和1949的两篇文章外, 香农还有几篇很重的 文章值得提出。 1. 1959年发表的《Coding theorems for a discrete source with fidelity criterion》文章,创建了 率失真理论 ,在连续消息和离散消息之间架上了一座桥梁,从而给数字化提供了一个基础和有效的工具。 2. 1960年发表的《Two-way communication channel》文章,创建了 多用户信息论 。 3. 香农 曾提出将信息论用在生物系统,在他看来,机器的和生命的事物是有共同性的,当你问他机器是否能思考时,他会回答说;我是一个机器,你是一个机器,我们都能思考,对吗?今天, 生命信息论 ( Living information theory)已有不少研究了。 4. 香农 还做过将信息论用于 最佳投资策略 问题的研究,他认为股票市场是一种“受扰信号”,与时间序 列 相关联,问题是要通过适当选择和调整证劵投资组合,使效用函数达到极大值。 香农照片 香农于 2001年2月26日去世,享年84岁。 香农是一位可与牛顿、爱因斯坦比肩的学术大师,他对人类信息化社会的发展的影响将是深远。正如他的“信息论”巨著刚一面世时,美国《财富》( Fortune)杂志立即称此理论为: 一个人的最杰出和最令人为之骄傲的创造,一个伟大的、能够迅速而深刻地改变人们对于世界看法的科学理论。 Shannon为通信工程师们点亮了灯塔,为他们的探索指明了工作的方向。 2016年是香农诞辰百周年,世界多地都举办了纪念活动,我校举办了系列学术报告,并在当年陈治亚书记支持下在南校区图书馆东侧设了香农小广场,立了香农的塑像。这在国内高校校园可算是“唯一”吧! 摄于西电南校区图书馆东侧 Shannon塑像(2017年9月14日) 香农是使我们从事信息科技事业热的楷模,他的光辉一生可用下图概括。
个人分类: 信息的数学和哲学|4323 次阅读|1 个评论
[转载]博士论文:《信息論與控制論之融合:從信息論測度到系統性能局限》
josh 2019-3-15 18:47
Towards Integrating Information and Control Theories: From Information-Theoretic Measures to System Performance Limitations 信息論與控制論之融合:從信息論測度到系統性能局限 链接: https://scholars.cityu.edu.hk/en/theses/towards-integrating-information-and-control-theories-from-informationtheoretic-measures-to-system-performance-limitations(8f21be24-127e-495d-a0cc-4a6e728450ee).html --- 其中引用了不少有意思的 quotes(也可参考: http://blog.sciencenet.cn/blog-286797-1022865.html 以及 http://blog.sciencenet.cn/blog-286797-1021452.html ): Frontispiece When one submerges the gourd bowl in water, there floats the gourd ladle. — Chinese proverb Chapter 1 There is an obvious analogy between the problem of smoothing the data to eliminate or reduce the effect of tracking errors and the problem of separating a signal from interfering noise in communications systems. — R. B. Blackman, H. W. Bode, and C. E. Shannon, “Data Smoothing and Prediction in Fire-Control Systems,” 1946 (We) become aware of the essential unity of the set of problems centring about communication, control, and statistical mechanics, whether in the machine or living tissue... We have decided to call the entire field of control and communication theory, whether in the machine or the animal, by the same Cybernetics. — N. Wiener, “Cybernetics,” 1948, Fundamental limits are actually at the core of many fields of engineering, science and mathematics... Firstly, they evolve from basic axioms about the nature of the universe. Secondly, they describe inescapable performance bounds that act as benchmarks for practical systems. And thirdly, they are recognized as being central to the design of real systems. — M. M. Seron, J. H. Braslavsky, and G. C. Goodwin, “Fundamental Limitations in Filtering and Control,” 1997 Chapter 2 The sciences do not try to explain, they hardly even try to interpret, they mainly make models. By a model is meant a mathematical construct which, with the addition of certain verbal interpretations, describes observed phenomena. The justification of such a mathematical construct is solely and precisely that it is expected to work. — John von Neumann The only way of discovering the limits of the possible is to venture a little way past them into the impossible. — Arthur C. Clarke A theory is the more impressive the greater the simplicity of its premises, the more different kinds of things it relates, and the more generalized its area of applicability. Therefore the deep impression that classical thermodynamics made upon me. It is the only physical theory of universal content which I am convinced will never be overthrown, within the framework of applicability of its basic concepts. — Albert Einstein Chapter 3 The idea of a statistical message source is central to Shannon’s work. The study of random processes had entered into communication before his communication theory. There was a growing understanding of and ability to deal with problems of random noise... Wiener had dealt extensively with the extrapolation, interpolation, and smoothing of time series. Although Wiener’s book was published in 1949, it had been available earlier in a wartime version known as the Yellow Peril (the cover was yellow). Shannon and Bode took considerable pains to put Wiener’s work in a form more directly useful to them (and to many others). — J. R. Pierce, “The Early Days of Information Theory,” 1973 We said before: “It feeds upon negative entropy,” attracting, as it were, a stream of negative entropy upon itself, to compensate the entropy increase it produces by living and thus to maintain itself on a stationary and fairly low entropy level. — Erwin Schrodinger, “What is Life,” 1944 If one has really technically penetrated a subject, things that previously seemed in complete contrast, might be purely mathematical transformations of each other. — John von Neumann Chapter 4 However, by building an amplifier whose gain is deliberately made, say 40 decibels higher than necessary (10000 fold excess on energy basis), and then feeding the output back on the input in such a way as to throw away that excess gain, it has been found possible to effect extraordinary improvement in constancy of amplification and freedom from nonlinearity. — H. S. Black, “Stabilized Feedback Amplifiers,” 1934 In control and communication we are always fighting nature’s tendency to degrade the organized and to destroy the meaningful; the tendency, as Gibbs has shown us, for entropy to increase. — N. Wiener, “The Human Use of Human Beings,” 1950 All stable processes we shall predict. All unstable processes we shall control. — John von Neumann Chapter 5 What’s in a name? In the case of Shannon’s measure the naming was not accidental. In 1961 one of us (Tribus) asked Shannon what he had thought about when he had finally confirmed his famous measure. Shannon replied: “My greatest concern was what to call it. I thought of calling it ‘information’, but the word was overly used, so I decided to call it ‘uncertainty’. When I discussed it with John von Neumann, he had a better idea. Von Neumann told me, ‘You should call it entropy, for two reasons. In the first place you uncertainty function has been used in statistical mechanics under that name. In the second place, and more importantly, no one knows what entropy really is, so in a debate you will always have the advantage.’” — M. Tribus, E. C. McIrvine, “Energy and information,” 1971 The bottom line for mathematicians is that the architecture has to be right. In all the mathematics that I did, the essential point was to find the right architecture. It’s like building a bridge. Once the main lines of the structure are right, then the details miraculously fit. The problem is the overall design. — Freeman Dyson Far waters fail to quench near fires. — Chinese Proverb Chapter 6 I like to think of Bode’s integrals as conservation laws. They state precisely that a certain quantity—the integrated value of the log of the magnitude of the sensitivity function—is conserved under the action of feedback. The total amount of this quantity is always the same. It is equal to zero for stable plant/compensator pairs, and it is equal to some fixed positive amount for unstable ones... This applies to every controller, no matter how it was designed. Sensitivity improvements in one frequency range must be paid for with sensitivity deteriorations in another frequency range, and the price is higher if the plant is open-loop unstable. — G. Stein, “Respect the Unstable,” 2003 The average performance of any pair of algorithms across all possible problems is identical. This means in particular that if some algorithm’s performance is superior to that of another algorithm over some set of optimization problems, then the reverse must be true over the set of all other optimization problems. — D. H. Wolpert, W. G. Macready, “No Free Lunch Theorems for Optimization,” 1997 We know the past but cannot control it. We control the future but cannot know it. — Claude Shannon Chapter 7 Consider the case where you are the controller and you observe samples of the process output whose average has been satisfactorily close to set point and that suffers only from white noise disturbances. Should you make an adjustment to the control output upon observing a sample of the process output that is not on set point? If the average of the process output is indeed nearly at the set point then any deviation, if it is really white or unautocorrelated, will be completely independent of the previous value of the control output and it will have no impact on subsequent disturbances. Therefore, if you should react to such a deviation, you would be wasting your time because the next observation will contain another deviation that has nothing to do with the previous deviation on which you acted. You, in fact, may make things worse... A feedback controller cannot decrease the standard deviation of the white noise riding on the process output. At best it can keep the average on set point. — D. M. Koenig, “Practical Control Engineering,” 2009 In respect of military method, we have, firstly, Measurement; secondly, Estimation of quantity; thirdly, Calculation; fourthly, Balancing of chances; fifthly, Victory. — Sun Tzu, “The Art of War” All the evidence shows that God was actually quite a gambler, and the universe is a great casino, where dice are thrown, and roulette wheels spin on every occasion. Over a large number of bets, the odds even out and we can make predictions... But over a very small number of rolls of the dice, the uncertainty principle is very important. — Stephen Hawking Chapter 8 The world is continuous, but the mind is discrete. — David Mumford Time is defined so that motion looks simple. — John Wheeler If everything seems under control, you’re just not going fast enough. — Mario Andretti Chapter 9 Essentially, all models are wrong, but some are useful. — George. E. P. Box In theory, theory and practice are the same. In practice, they are not. — Albert Einstein Any one who considers arithmetical methods of producing random digits is, of course, in a state of sin. — John von Neumann Chapter 10 An understanding of fundamental limitations is an essential element in all engineering. Shannon’s early results on channel capacity have always had center court in signal processing. Strangely, the early results of Bode were not accorded the same attention in control. — K. J. Astrom, in G. Stein, “Respect the Unstable,” 2003 If I turn toward a science not for external reasons such as earning an income, or for ambition, and also not — at least not exclusively — for the mere sportive joy and the fun of brain-acrobatics, then I must ask myself the question: what is the final goal that the science I am devoted to will and can reach? To what extent are its general results “true”? What is essential and what is based only on accident in its development? — Albert Einstein As a mathematical discipline travels far from its empirical source, or still more, if it is a second and third generation only indirectly inspired by ideas coming from “reality” it is beset with very grave dangers. It becomes more and more purely aestheticizing, more and more purely I’art pour I’art. This need not be bad, if the field is surrounded by correlated subjects, which still have closer empirical connections, or if the discipline is under the influence of men with an exceptionally well-developed taste. But there is a grave danger that the subject will develop along the line of least resistance, that the stream, so far from its source, will separate into a multitude of insignificant branches, and that the discipline will become a disorganized mass of details and complexities. In other words, at a great distance from its empirical source, or after much “abstract” inbreeding, a mathematical subject is in danger of degeneration. At the inception the style is usually classical; when it shows signs of becoming baroque, then the danger signal is up... In any event, whenever this stage is reached, the only remedy seems to me to be the rejuvenating return to the source: the re-injection of more or less directly empirical ideas. I am convinced that this was a necessary condition to conserve the freshness and the vitality of the subject and that this will remain equally true in the future. — John von Neumann
个人分类: Engineering Cybernetics|1745 次阅读|0 个评论
多学科名家探索脑电波
dsm9393 2019-3-7 18:38
多学科名家 探索脑电波 Multidisciplinary experts explore brain waves ---多学科研讨脑电波(3) 都世民( Du Shimin) 摘要:本文讨论生物 振 子的 同步,不同学科的名家从不同的视角探索脑电波。他们之间有相互联系,从同步分析中揭示生物体的自组织机制,但这是从数学上给出的,在物理实验方面仍然不能进行脑电波就是生物 振 子 同步 的实验 验证。 关键词: 同步 , 耦合振 子 , 维纳 , 脑电波, 温弗里 , 藏本由纪 , 斯托加茨 同步与耦合振子 前文讨论了同步科学概念,到底大小宇宙诸多现象是怎样同步的?同步与脑电波有什么关系? 几年前,关于同步的研究还是一个单独分离出来的 边缘学科 ,生物学家、物理学家、数学家、天文学家、工程师和社会学家分别在各自的领域耕耘,通过看似独立的方法进行探索。 后来同步科学开始 整合各学科 中得到的见解,这一新学科的核心是对 “耦合振子”进行研究。 萤火虫、行星或细胞群体,都是振子 群 的集合 。所谓振子,是指自动循环的实体 , 以规律性时间间隔 , 重复自己的行为,例如萤火虫的闪光、行星的公转以及细胞的生物电。对于两个或两个以上的振子,如果某些物理或化学过程使得它们相互影响,那么则称之为 “耦合振子”。 萤火虫 用光交流,行星通过万有引力相互作用,脑细胞来回传递生物电,正如这些例子所暗示的,大自然在利用各种可能的渠道,使得它的振子相互交流信息。交流的结果经常是同步运行,所有振子开始整齐划一地运动。 “ 耦合振子 ” 究竟如何自发同步 ? 在什么条件下同步 ? 什么时候同步不可能出现,什么时候又不可避免?当失去同步时,会出现什么样的组织形式?为了搞清这些问题,多 学科的名 家对这些问题进行了探讨。 维纳 探索 脑电波 1948 年, 诺伯特 · 维纳 ( Norbert Wiener ) 发表了著名的《控制论 —— 关于在动物和机器中控制和通讯的科学》一书。 “ 控制论 ” ( cybernetics ) 的思想和方法 , 现在已经渗透到自然科学和社会科学诸多领域。 维纳 发表 “ 控制论 ” 后 ,一些专家学者称他为控制论之父。 维纳是同步科学的核心人物,他注意到上述同步现象,也注意到它们之间的差异,因此寻找这之间的法则,是问题的关键 。 维纳认为自己在思考脑电波的时候,找到了这个同步法则 。 维纳在思考阿尔法脑电波时,认为它就像是大脑的主时钟一样 ,是这个主时钟同步脑细胞的放电,同步这些脑细胞的信息传递,因此他推测单个神经元是不可能起到这种作用,成千上亿的脑细胞中,会有一些专门的振子组成的簇群,他们的放电频率每秒十次,大多数细胞的固有频率也接近每秒十次 。这些 振子 到底是怎样 同步 的? 维纳认为,是 “ 频率牵引 ” 所致 。怎样证明这种 “频率牵引”的机制? 维纳以定性的思维,用政治学中的概念,将个体的政治倾向比作为振子,假想振子固有 频率方式, 将定性的思维 转变为定量的分析,给出二维平面的频率分布图,并且假想频率牵引,使原来的频率分布的正态分布图,变成定向天线的方向性图,有主波束,也有副波束。这种频率分布图,是同步产生的。 如何证明这一构想? 维纳 想 通过测量 频率分布图来证实 这一构想,并且给出他的理论,他没有实现这一愿望就去世了 。 温弗里分析 脑电波 生物学家阿瑟 ·温弗里 (Arthur Winfree) 思考 振子组成的簇群产生的同步效应时,比维纳的思维增加了一些因素,不单纯考虑频率的因素 ,將生物 振子 看成为既能发送又能接收信息。引入两个参量: 影响度和灵敏度 ,他们 都是相位的函数 。这种分析思维方法,既考虑了生物 振子 本身,也考虑了生物 振子 之间的相互影响,更重要的是,引入相位概念,将生物 振子 “矢量化”,不再是标量关系。这么一来,生物 振子 之间的关系,可以形象比喻为操场上跑步的一群人的关系,在数学上,相当于矢量加减关系。在直角坐标系的四个象限内,合成信号会有多种情况,而且是周期性的。这就突破了生物学中,只有标量关系没有矢量关系。 H-H 方程就只有标量关系,没有矢量关系,这就是生物学中,有诸多难以解决问题的关键。如同 温弗里 所指出的,大多数生物学家不接触电子学、计算机学、量子力学、微分方程等领域,也就想不到这种矢量关系 ,有相位的变化。 温弗里建模需要作一些简化,假定所有 生物 振子的 影响度和灵敏度函数都相同, 所有 生物 振子的固有频率按正态分布 。 所有 生物 振子的连接方式和信息传递, 生物 振子的数量很多时 ,彼此的关系非常复杂。 温弗里建模时 ,考虑 生物 振子有三个因素: 生物 振子的固有频率; 生物 振子对外界影响的敏感度; 生物 振子的空间分布,以及其他所有 生物 振子对他的总体影响 。 温弗里建模需要列出 生物 振子簇群 的微分方程组,方程的参变量包括 生物 振子 固有频率 ; 生物 振子的空间位置 ;生物 振子与其他振子的相互影响 。求解生物 振子的运行 速度,了解正在运行的生物 振子 相位变化、影响度和灵敏度函数的变化。 应当指出的是:为 脑电波 建模应该先有物理概念 ,然后利用数学给出一些参量和需要求的变量之间的关系,建立 方程组。再用计算机求解方程组。可是 ” 同步 ” 一书没有给出方程组,这是因为科普书不适合数学公式吗?然而数学也有科普,书的作者可能不会数学科普。这给读者理解这本书带来困难。这也可能是多学科科普著作编写的难点。 温弗里通过分析建模和计算机的运算,发现同步与反同步现象。在 影响度和灵敏度函数不同组合的情况下,生物 振子群体会自发同步,一旦出现正反馈的情况,这种同步就会失控。 在同步的情况下,任何一个 生物 振子 都可以被去掉,也就是说,产生 自发同步是 没有核心 振子 的存在。 温弗里 的这一发现,比 “频率牵引”的 的想法又前进一步,因为它引入了两个参量 影响度和灵敏度 ,建立了他们之间的关系。 温弗里通过分析建模和计算机的运算还发现自发同步有一个临界阈值 。 前文已经说过水的三态,有沸点和冰点,这就是自发同步的临界点。不难看出,生物学与物理学之间,有一种内在联系,同步现象的发生类似于相变,从无序到有序的变化过程,自发同步是突然发生的,不是逐渐发生的。 生物 振子群体在 时间上取得一致。不是空间上的一致。 温弗里这一发现非常重要,他将两个学科之间建立了联系,一个是非线性动力学,主要研究系统随时间变化的复杂方式;另一个是统计力学,他是物理学的分支,主要研究原子和分子与其他粒子构成的巨大系统的集体行为,这两个学科互相弥补,这已成为自然科学范围,寻求解决世界四大难题的重要理论基础。 藏夲由纪的新模式 日本物理学家藏本由纪(蔵本 由纪 Kuramoto Yoshiki )见到 温弗里的著作,对生物这种组织现象很感兴趣, 藏本由纪建立的数学模型,有些假设条件与 温弗里 相同,对振子间的相互影响,其数学表示是不同的。这个模型假设所有振子都是完全相同的,相互之间的耦合很弱、并且任意两个振子之间的相互作用强度取决于它们相位差的正弦函数。 在藏本模型中,每个振子都有一个固有 频率 ,所有振子间耦合强度相同。在 的极限下,通过巧妙的变换并使用平均场方法,这个完全非线性的模型是可以精确求解的。 这个模型最常见的形式由以下方程组给出: i=1,2,…N 。系统 由 N 个振子组成, θi 是第 个振子的相位, K 是耦合强度。 藏本由纪引入一个序参量 R ,表示振子群体同步量化程度,序参量 R 的数值在零与一之间,数值的大小取决于它们的相对位置。 R 表征振子群体的相位相关性, ψ 是平均相位。上述方程可以改写为 藏本由纪模型的建立来自于他的直觉感官,他认为振子群体最终会进入一个稳定的状态,序参量是恒定的,他相信振子群体最终是同步的。 应当指出的是,藏本由纪的数学模型解决了 维纳和 温弗里的 问题,藏本由纪的 ‘’ 部分同步 ‘’ 状态,是 维纳 构建的阿尔法脑电波时所思考 的 问题, 维纳 构想的 “‘ 频率牵引 ‘’ 后的频谱图 。 中间的峰值波术是同步状态振子群的频谱图,两侧的副波术是对应非同步状态振子群的频谱图 。 藏本由纪的数学模型也解决了 温弗里 思考 的 问题, 温弗里发现的相变与 藏本由纪 发现的阈值是相同的。 藏本由纪引入的耦合强度替代了灵敏度函数和影响度函数,他们都假设生物振子相同,这是 维纳 没有考虑的因素。 斯托加茨 的新思考 哈佛大学博士,应用数学教授 斯蒂芬 · 斯托加茨 对脑电波的上述探索提出了新问题的 思考 : 1) 生物振子群体同步发生的前提条件,为什么生物振子必须极其相似? 2) 有序状态是怎样从无序状态转变的? 3) 不相干 生物振子 群是怎样 同步 的? 4) 杯子里边的水与笔尖朝下的平衡与稳定不是一回事,不相干的 生物振子 群的平衡是与杯子里边的水的平衡一样,还是与笔尖朝下的不稳定一样? 5) 生物振子群体就像跑步者,还是像流体分子?这种假想比喻是建立在什么基础上?如果说人体内有 70% 的水,釆用虚构的振子流体比跑步者更为恰当 。 6) 釆用虚构的振子流体是否考虑数学表述的可能性?因为流体力学可以作为理论分析的基础 。对 振子流体 平衡状态建立扰动方程,当 振子 相同时,并且同相聚集,并利用计算机求解方程,寻找自发同步的临界点。此临界点与 藏本由纪的阈值是吻合的。 7) 斯托加茨 思考弹球在碗底的平衡,如果改变碗底曲面的曲率 由凹变凸,就会发现平衡时的稳定是不同的, 曲面变为 平面时, 弹球平衡时 稳定变差。当 曲面变为 凸面时, 弹球平衡时变得不 稳定。这一变化过程,会有一个状态,既稳定又不稳定,可以看成 “中性稳定”, 这一曲面,看成是临界面,也就是平面。 8) 用另一种方法检测上述稳定,通过计算机模拟处理,其结果与上面的 “中性稳定” 完全不同,这是科研中常遇到的问题,这一差异该如何解决?启发来自于学术讲座, “朗道阻尼”的概念。“朗道阻尼”的概念是来自于等离子体的研究,属于理论物理范畴,用量子理论解释了超流态氦,在温度接近绝对零度时的奇异状态,这是等离子体的反常状态。这两个问题是怎样联系在一起?等离子体中的电子相当于 生物振子 ,电子在电场的作用下产生的波的大小,与 藏本由纪的数学模型中的序参量是类似的, 与 藏本由纪的数学模型中的相干状态衰减到非相干状态,其机理是相同的 。 9) 生物振子同步性研究 ,给出了 数学模拟。但这一结果如何用实验验证?仍然很困难。动物的测量数据是在宏观层面,细胞测量是在微观层面,这之间没有链接,怎么测量?它们的固有频率,给予一次刺激的强度和时长,如何在网络内进行测量?来量化生物振子的相互作用 。可是 测量时,又无法回避生物振子之间的相互影响,生物振子组成的网络链接是不知道的!他们并不一定是映射的神经网络 。也就是说,数学模型的建立无法用定量实验验证。 10) 生物学家和脑电波专家保罗 ·拉普 ( Pau1 Rapp )进行的一系列的试验工作,仍然一无所获。 11) 1995 年,生物学家戴维 ·韦尔什 ( David Welsh )和史蒂夫 ·里珀特 ( Steve Reppert )发现了大脑中确实包含着 生物振子 按固有频率分布的群体,他们是通过频率牵引实现同步,与维拉预言相同的,但不同的是这些细胞的运动频率不是 10Hz ,而是慢,大约 100 万倍。 综上所述,多学科名家对脑电波研究的思维模式,建立的数学模型,以及试验验证,说明生物振子群体的同步是存在的,而且这种同步现象,与其他的同步现象有关联 。 斯托加茨 写这本书,对 脑电波 的描述很详细,说明了多学科研究必要性和可行性,这是解决自然科学中的复杂问题的可靠方式,是多学科交叉融合的实例和普及教材 。 然而这本书,并没有完全说明百度百科的词条 “脑电波”定义的全部内容,也没有结合生物学的结构和机理进行讨论。笔者将在后边的博文中继续讨论。 斯托加茨 的这本书没有给出相关的参考文献,因此查询一些问题比较困难 。 斯托加茨 的这本书译成中文很有必要,因为它是多学科,不同学科的人外文水平,不一定看得懂。因为这本书,对生物学的横向研究有很大帮助,有助于宏观与微观的层面的统一,有助于东西方文化的互补 。 参考文献 [ 1 ] 维纳控制论对传播学的影响 , http://ishare.iask.sina.com.cn/f/30zAnYTTcPS.html 。 [ 2 ] Norbert Wiener , 控制论之父 诺伯特·维纳 : 关于自动化带来的一些道德与技术后果 , 翻译:王晓 , 来源: Science , 2016-9-28 。 [ 3 ]维纳与控制论,北京工业大学,人工智能与机器人研究所, http://www.doc88.com/p-9734963567897.html 。 [ 4 ] 斯蒂芬 · 斯托加茨 , “ 同步 ”, 翻译 :张 羿, 四川人民出版社 , 2018 年 4 月 。 [ 5 ]诺伯特 ·维纳的控制论 , https://baike.baidu.com/item/ 诺伯特 · 维纳的控制论 / 4139216 。 [ 6 ]维纳:历史上的控制论 , 陈步译 , 2018-11-25 。选自《人有人的用处:控制论和社会》,商务印书馆, 1978 年。 http://ptext.nju.edu.cn/9f/f7/c12209a303095/page.htm 。 [ 7 ] 诺伯特 · 维纳 https://baike.baidu.com/item/ 诺伯特 · 维纳 /9472405 [ 8 ] 藏本模型 ,来源:百度百科词条。 https://baike.baidu.com/item/ 藏本模型 /23224129?fr=aladdin
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[转载]“你遇见过香农吗?” by 香港城市大学陈关荣教授
josh 2019-2-24 22:12
陈关荣老师最近写的一篇非常好玩的文章(其中搜集的参考文献尤其有意思): “你遇见过香农吗?” http://www.ee.cityu.edu.hk/~gchen/pdf/Shannon.pdf 另外,陈老师网站上还有很多其他好玩的文章,请参考: http://www.ee.cityu.edu.hk/~gchen/proses.htm http://www.ee.cityu.edu.hk/~gchen/Anecdotes.htm http://www.ee.cityu.edu.hk/~gchen/ 其中,与香农相关的: “维纳,昔日神童和数学家” http://www.ee.cityu.edu.hk/~gchen/pdf/WienerStories.pdf “卡尔曼和他的故事” http://www.ee.cityu.edu.hk/~gchen/pdf/Kalman.pdf
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一个人工智能新领域:人机协同的混合增强智能
热度 7 dwchen 2017-7-31 23:38
一个人工智能新领域: 人机协同的混合增强智能 陈德旺 人工智能在去年,也就是成立 60 周年之际,重新焕发了勃勃生机。以 AlphaGo 击败人类围棋世界冠军为标志, 人工智能获得了万众瞩目,路人皆知 。现在见面聊天,不谈点人工智能,都不好意思开口。人工智能技术及其相关产业,成为了各个国家角逐高科技的新战场,纷纷发布人工智能发展规划或者战略。 我国在人工智能领域的研究总体处于世界前列,研究人数位居全球第一,但是距离世界领先水平还略有差距。我国相关科学家们集思广益、审时度势,高瞻远瞩地 率先提出了人工智能 2.0 。这个建议很快获得了国务院的批准和印发,成为 《新一代人工智能发展规划》 。这是在自然科学领域,我国科学家践行习近平主席提出的 “理论自信” 的又一重要案例。人机协同的混合增强智能作为人工智能 2.0 的一个重要方向,旨在通过人机交互和协同,提升人工智能系统的性能,使 人工智能成为人类智能的自然延伸和拓展,通过人机协同更加高效地解决复杂问题, 具有深刻的科学意义和巨大的产业化前景。 近年的美国科幻大片描绘的终结者、金刚狼都是人机混合体, 比人类的智能更高、战斗力更强、生命力更长 。以 “人机协同”开始,最终实现“人机合一”的发展前景,控制论之父维纳先生在其 1948 年发表的大作《控制论》中早已进行了描绘和展望。 7 月 31 日 -8 月 1 日,中国自动化学会在西安召开混合智能专委会成立大会,不仅要继承发展维纳的科学思想,也要顺应国家智能产业的发展战略。发展新一代智能技术,我们恰逢其时,应当仁不让,更要撸起袖子加油干,力争实现弯道超车。 中国自动化学会理事长郑南宁院士也亲自到场表示祝贺,并应邀做了 “ 混合增强智能 - 协作与认知 ”的主题报告,指出了混合智能的发展方向和面临的关键问题。我个人认为 混合智能将通过人机互补、人机协同和人机融合,实现 更高级、更鲁棒、更增强的智能 。 与会代表 200 余人,我也有幸在现场学习了这个报告,真是受益匪浅。 听完报告后,我忽然想起苏东坡先生在《赤壁赋》中写的名句 “哀吾生之须臾,羡长江之无穷”“挟飞仙以遨游,抱明月而长终” 。有了先进的混合智能技术,终会做到“人机合一”,也许就是我们人类实现无穷之时。到时候,不需要坐飞机,人类就能展翅遨游天下,与明月相拥而永存世间,从而实现东坡先生900多年前的“赤壁梦”。八一建军节之际,我国也需要建立一支人工智能的新军, 希望这支新军能不辱使命、逐渐成长为一支铁军,不断开疆扩土,所向披靡。
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《控制论与信息论融合之初探》一书 Introduction 节选
josh 2016-12-25 12:31
Towards Integrating Control and Information Theories: From Information-T heoretic Measures to Control Performance Limitations 控制论与信息论融合之初探:从信息论测度到控制性能极限 Song Fang, Jie Chen, Hideaki Ishii http://www.springer.com/cn/book/9783319492889 Introduction 节选 : 1.1 A Word on Control versus Communication The attempt to merge control and communication theories dates back to the early works of Hendrik Bode, Claude Shannon, and Norbert Wiener. In , observations on similarities and relations between control and communication were made in many places, proclaiming that “the theory of control in engineering, whether human or animal or mechanical, is a chapter in the theory of messages,” and that “it is my book that the physical functioning of the living individual and the operation of some of the newer communication machines are precisely parallel in their analogous attempts to control entropy through feedback.” Indeed, the book is themed on the merging of “control and communication in the animal and the machine.” As Norbert Wiener put it, “(we) become aware of the essential unity of the set of problems centring about communication, control, and statistical mechanics, whether in the machine or living tissue... We have decided to call the entire field of control and communication theory, whether in the machine or the animal, by the same Cybernetics.” On the other hand, as early as in , it was observed that “there is an obvious analogy between the problem of smoothing the data to eliminate or reduce the effect of tracking errors and the problem of separating a signal from interfering noise in communications systems,” (see, e.g., ) while noting that “this analogy... must of course not be carried too far.” It was not carried too far. Since then, control and communication have grown into two almost independent fields (see, e.g., , respectively), with different focuses and even different mathematical tools (control/estimation theories and information/coding theories, respectively) for modeling, analysis, and design. In a way, control mainly concerns utilization of information, while communication is more about information transmission. In control, properties of systems are almost always of first priority and should be soundly modeled where possible, based on which stability and performance analysis can then be carried out. On the other hand, in communication, properties of signals are most emphasized, whereas models of communication systems are often not easily obtained, and certainly not describable in ways typical for dynamic processes. For instance, what is the input-output “dynamic model” of the source coding layer/process using Hamming code ? In addition, in control, the element of “time” is always explicit in the analysis of system dynamics, while in communication, at least in classical information theory, “time” is not directly involved. Time delays are tolerable in communication and information theory. Indeed, to achieve a tight bound of channel capacity usually requires coding with arbitrarily long block lengths . On the other hand, time delays severely deteriorate stability and performance as well as robustness of the closed-loop systems in control theory , and must be taken good care of in the analysis and design. In spite of these differences, and just as an old Chinese saying goes, “that which is long divided must unify; that which is long unified must divide,” the interplay of control and communication (information theory) is once again a heated topic in recent years. 参考文献详见 http://link.springer.com/book/10.1007%2F978-3-319-49289-6 的 Back Matter。
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《控制论与信息论融合之初探》一书中所引的 quotes (续)
josh 2016-12-23 18:14
Towards Integrating Control and Information Theories: From Information-T heoretic Measures to Control Performance Limitations 控制论与信息论融合之初探:从信息论测度到控制性能极限 Song Fang, Jie Chen, Hideaki Ishii http://www.springer.com/cn/book/9783319492889 每一章的备选 quotes : Frontispiece When one submerges the gourd bowl in water, there floats the gourd ladle. — Chinese proverb Chapter 1 There is an obvious analogy between the problem of smoothing the data to eliminate or reduce the effect of tracking errors and the problem of separating a signal from interfering noise in communications systems. — R. B. Blackman, H. W. Bode, and C. E. Shannon, “Data Smoothing and Prediction in Fire-Control Systems,” 1946 (We) become aware of the essential unity of the set of problems centring about communication, control, and statistical mechanics, whether in the machine or living tissue... We have decided to call the entire field of control and communication theory, whether in the machine or the animal, by the same Cybernetics. — N. Wiener, “Cybernetics,” 1948, Fundamental limits are actually at the core of many fields of engineering, science and mathematics... Firstly, they evolve from basic axioms about the nature of the universe. Secondly, they describe inescapable performance bounds that act as benchmarks for practical systems. And thirdly, they are recognized as being central to the design of real systems. — M. M. Seron, J. H. Braslavsky, and G. C. Goodwin, “Fundamental Limitations in Filtering and Control,” 1997 Chapter 2 The sciences do not try to explain, they hardly even try to interpret, they mainly make models. By a model is meant a mathematical construct which, with the addition of certain verbal interpretations, describes observed phenomena. The justification of such a mathematical construct is solely and precisely that it is expected to work. — John von Neumann The only way of discovering the limits of the possible is to venture a little way past them into the impossible. — Arthur C. Clarke A theory is the more impressive the greater the simplicity of its premises, the more different kinds of things it relates, and the more generalized its area of applicability. Therefore the deep impression that classical thermodynamics made upon me. It is the only physical theory of universal content which I am convinced will never be overthrown, within the framework of applicability of its basic concepts. — Albert Einstein Chapter 3 The idea of a statistical message source is central to Shannon’s work. The study of random processes had entered into communication before his communication theory. There was a growing understanding of and ability to deal with problems of random noise... Wiener had dealt extensively with the extrapolation, interpolation, and smoothing of time series. Although Wiener’s book was published in 1949, it had been available earlier in a wartime version known as the Yellow Peril (the cover was yellow). Shannon and Bode took considerable pains to put Wiener’s work in a form more directly useful to them (and to many others). — J. R. Pierce, “The Early Days of Information Theory,” 1973 We said before: “It feeds upon negative entropy,” attracting, as it were, a stream of negative entropy upon itself, to compensate the entropy increase it produces by living and thus to maintain itself on a stationary and fairly low entropy level. — Erwin Schrodinger, “What is Life,” 1944 If one has really technically penetrated a subject, things that previously seemed in complete contrast, might be purely mathematical transformations of each other. — John von Neumann Chapter 4 However, by building an amplifier whose gain is deliberately made, say 40 decibels higher than necessary (10000 fold excess on energy basis), and then feeding the output back on the input in such a way as to throw away that excess gain, it has been found possible to effect extraordinary improvement in constancy of amplification and freedom from nonlinearity. — H. S. Black, “Stabilized Feedback Amplifiers,” 1934 In control and communication we are always fighting nature’s tendency to degrade the organized and to destroy the meaningful; the tendency, as Gibbs has shown us, for entropy to increase. — N. Wiener, “The Human Use of Human Beings,” 1950 All stable processes we shall predict. All unstable processes we shall control. — John von Neumann Chapter 5 What’s in a name? In the case of Shannon’s measure the naming was not accidental. In 1961 one of us (Tribus) asked Shannon what he had thought about when he had finally confirmed his famous measure. Shannon replied: “My greatest concern was what to call it. I thought of calling it ‘information’, but the word was overly used, so I decided to call it ‘uncertainty’. When I discussed it with John von Neumann, he had a better idea. Von Neumann told me, ‘You should call it entropy, for two reasons. In the first place you uncertainty function has been used in statistical mechanics under that name. In the second place, and more importantly, no one knows what entropy really is, so in a debate you will always have the advantage.’” — M. Tribus, E. C. McIrvine, “Energy and information,” 1971 The bottom line for mathematicians is that the architecture has to be right. In all the mathematics that I did, the essential point was to find the right architecture. It’s like building a bridge. Once the main lines of the structure are right, then the details miraculously fit. The problem is the overall design. — Freeman Dyson Far waters fail to quench near fires. — Chinese Proverb Chapter 6 I like to think of Bode’s integrals as conservation laws. They state precisely that a certain quantity—the integrated value of the log of the magnitude of the sensitivity function—is conserved under the action of feedback. The total amount of this quantity is always the same. It is equal to zero for stable plant/compensator pairs, and it is equal to some fixed positive amount for unstable ones... This applies to every controller, no matter how it was designed. Sensitivity improvements in one frequency range must be paid for with sensitivity deteriorations in another frequency range, and the price is higher if the plant is open-loop unstable. — G. Stein, “Respect the Unstable,” 2003 The average performance of any pair of algorithms across all possible problems is identical. This means in particular that if some algorithm’s performance is superior to that of another algorithm over some set of optimization problems, then the reverse must be true over the set of all other optimization problems. — D. H. Wolpert, W. G. Macready, “No Free Lunch Theorems for Optimization,” 1997 We know the past but cannot control it. We control the future but cannot know it. — Claude Shannon Chapter 7 Consider the case where you are the controller and you observe samples of the process output whose average has been satisfactorily close to set point and that suffers only from white noise disturbances. Should you make an adjustment to the control output upon observing a sample of the process output that is not on set point? If the average of the process output is indeed nearly at the set point then any deviation, if it is really white or unautocorrelated, will be completely independent of the previous value of the control output and it will have no impact on subsequent disturbances. Therefore, if you should react to such a deviation, you would be wasting your time because the next observation will contain another deviation that has nothing to do with the previous deviation on which you acted. You, in fact, may make things worse... A feedback controller cannot decrease the standard deviation of the white noise riding on the process output. At best it can keep the average on set point. — D. M. Koenig, “Practical Control Engineering,” 2009 In respect of military method, we have, firstly, Measurement; secondly, Estimation of quantity; thirdly, Calculation; fourthly, Balancing of chances; fifthly, Victory. — Sun Tzu, “The Art of War” All the evidence shows that God was actually quite a gambler, and the universe is a great casino, where dice are thrown, and roulette wheels spin on every occasion. Over a large number of bets, the odds even out and we can make predictions... But over a very small number of rolls of the dice, the uncertainty principle is very important. — Stephen Hawking Chapter 8 The world is continuous, but the mind is discrete. — David Mumford Time is defined so that motion looks simple. — John Wheeler If everything seems under control, you’re just not going fast enough. — Mario Andretti Chapter 9 Essentially, all models are wrong, but some are useful. — George. E. P. Box In theory, theory and practice are the same. In practice, they are not. — Albert Einstein Any one who considers arithmetical methods of producing random digits is, of course, in a state of sin. — John von Neumann Chapter 10 An understanding of fundamental limitations is an essential element in all engineering. Shannon’s early results on channel capacity have always had center court in signal processing. Strangely, the early results of Bode were not accorded the same attention in control. — K. J. Astrom, in G. Stein, “Respect the Unstable,” 2003 If I turn toward a science not for external reasons such as earning an income, or for ambition, and also not — at least not exclusively — for the mere sportive joy and the fun of brain-acrobatics, then I must ask myself the question: what is the final goal that the science I am devoted to will and can reach? To what extent are its general results “true”? What is essential and what is based only on accident in its development? — Albert Einstein As a mathematical discipline travels far from its empirical source, or still more, if it is a second and third generation only indirectly inspired by ideas coming from “reality” it is beset with very grave dangers. It becomes more and more purely aestheticizing, more and more purely I’art pour I’art. This need not be bad, if the field is surrounded by correlated subjects, which still have closer empirical connections, or if the discipline is under the influence of men with an exceptionally well-developed taste. But there is a grave danger that the subject will develop along the line of least resistance, that the stream, so far from its source, will separate into a multitude of insignificant branches, and that the discipline will become a disorganized mass of details and complexities. In other words, at a great distance from its empirical source, or after much “abstract” inbreeding, a mathematical subject is in danger of degeneration. At the inception the style is usually classical; when it shows signs of becoming baroque, then the danger signal is up... In any event, whenever this stage is reached, the only remedy seems to me to be the rejuvenating return to the source: the re-injection of more or less directly empirical ideas. I am convinced that this was a necessary condition to conserve the freshness and the vitality of the subject and that this will remain equally true in the future. — John von Neumann
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《控制论与信息论融合之初探》一书中所引的 quotes
热度 1 josh 2016-12-18 09:09
Towards Integrating Control and Information Theories: From Information-T heoretic Measures to Control Performance Limitations 控制论与信息论融合之初探:从信息论测度到控制性能极限 Song Fang, Jie Chen, Hideaki Ishii http://www.springer.com/cn/book/9783319492889 Chapter 1 There is an obvious analogy between the problem of smoothing the data to eliminate or reduce the effect of tracking errors and the problem of separating a signal from interfering noise in communications systems. — R. B. Blackman, H. W. Bode, and C. E. Shannon, “Data Smoothing and Prediction in Fire-Control Systems,” 1946 Chapter 2 The idea of a statistical message source is central to Shannon’s work. The study of random processes had entered into communication before his communication theory. There was a growing understanding of and ability to deal with problems of random noise. — J. R. Pierce, “The Early Days of Information Theory,” 1973 Chapter 3 All stable processes we shall predict. All unstable processes we shall control. — John von Neumann Chapter 4 As the signal power is increased from zero, we allot the power to the channels with the lowest noise. When the available power is increased still further, some of the power is put into noisier channels. The process by which the power is distributed among the various bins is identical to the way in which water distributes itself in a vessel, hence this process is sometimes referred to as “water-filling”. — T. M. Cover, J. A. Thomas, “Elements of Information Theory,” 1991 Chapter 5 I like to think of Bode’s integrals as conservation laws. They state precisely that a certain quantity—the integrated value of the log of the magnitude of the sensitivity function—is conserved under the action of feedback. The total amount of this quantity is always the same. It is equal to zero for stable plant/compensator pairs, and it is equal to some fixed positive amount for unstable ones... This applies to every controller, no matter how it was designed. Sensitivity improvements in one frequency range must be paid for with sensitivity deteriorations in another frequency range, and the price is higher if the plant is open-loop unstable. — G. Stein, “Respect the Unstable,” 2003 Chapter 6 In control and communication we are always fighting nature’s tendency to degrade the organized and to destroy the meaningful; the tendency, as Gibbs has shown us, for entropy to increase. — N. Wiener, “The Human Use of Human Beings,” 1950 Chapter 7 We know the past but cannot control it. We control the future but cannot know it. — Claude Shannon Chapter 8 It can also be shown that the Kalman filter extracts the maximum possible information about output data. If we form the residual between the measured output and the estimated output, we can show that for the Kalman filter the error (residual) is a white noise process, so there is no remaining dynamic information content in the error. — K. J. Astrom, R. M. Murray, “Feedback Systems: An Introduction for Scientists and Engineers,” 2010 Chapter 9 If everything seems under control, you’re just not going fast enough. — Mario Andretti
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"控制论之父"诺伯特·维纳: 关于自动化带来的一些道德与技术后果
热度 5 Kara0807 2016-9-28 07:45
关于自动化带来的一些道德与技术后果 作者:Norbert Wiener 文章来源:Science 翻译:王晓 中科院自动化所 高琳 青岛智能产业技术研究院 当 机器 会 学习, 它们 将 以其程序设计员也自愧不如的速度发展出无法 预 料 的策略。 大约在 13年前,我 出版 了一本名为《控制论》的书。 书中讨论了 生物有机体和 机器中 的 控制 与 通信 相关 的问题。 当时, 我对控制机器的发展 及其相关的 自动化技术进行了大量 的 预测, 我 预 测这些技术将 对未来社会产生重要 的影响后 果。现在, 13年过去了, 似乎应该来盘点一 下控制 论 技术 及其 产生的社会后果 在 当前的情况了 。 在开始讨论这些 事情 的细节之前,我 要说一下街上 一个普通人对 于 控制论和自动化的 一种 态度。这种态度需 对其进行 批判性讨论,在我看来,它应被全盘否定。这 种态度,就是 假设机器 不能 拥有任何程度的 创造力 。 它 经常 表现为这样 一种声明 : 机器 只能根据事先被编入的内容产生其输出 。这往往 被理解 为 是在宣称, “ 人类制造的机器必 然会 持续 地 受制于人 ” ,因此, 机器 的操作在任何时 刻都能接收到 人类 的 干扰和政策的变化。在这种态度的基础上,很多人都对机器技术的危险性嗤之以鼻,他们断然反驳了塞缪尔 ·巴特勒早期 对于 机器 将 会取代人类 进行 控制 的 预言。 当然, 塞缪尔 ·巴特勒 那个时代的机器远不如今天的机器危险,因为那是的机器只涉及了动力,没有任何程度的思维和通信。然而,今天的机器技术已侵入思维和通信领域,所以 巴特勒 所持有的印象与今日之机器大不相同,我们不能把一代人之前视为公理的假设转移到这些新装置上。我发现自己面对一群这样的大众,其对机器所形成的态度是基于对现代机器之运作方式和结构的不全面理解。 我的 观点 是 , 机器 能够 并 肯定会 超越 它 们的设计者的 某些 局限性,并且 当 机器 实现 时,他们可能 即是 高效 的又是 危险 的 。很可能 出现这种情况, 原则上,我们 并不能 制造出 我们永远都不了解其行为因素 的机器。 但 这 绝 不意味着,我们 能用比操作 机器所需 要 的 更少时间去理解机器的行为因素 , 甚至 用数年或几代的时间也 不行 。 人们一般都认可 ,在一个限定的操作范围内,机器 要 比人类的反应迅速 很多 , 在操作细节上的把控也 更精确 许多 。这种情况下,即使机器无法以任何方式超越人类智 能 ,它们 很可能 比人类更出色的完成任务 , 并 且可能会 经常 这么做 。 一种 对于自身任务完成模式的智能理解可能会发生延迟, 一直到机器完成任务许久之后 (才能收到反馈) 。 这意味着, 尽管 在理论上人类 可对 机器 进行批评 , 但实际上这些批评在很长时间之内或之后,都可能是无效的 。 若 要有效地抵御灾难性的后果, 我们对于我们所制造的机器的认知发展应该与机器的性能表现发展相匹配起来 。 由 于 人类行动节奏缓慢,因此我们 对于机器的 有效控制 很可能是作废的 。等到我们 能 对感知 器官 传达 过来 的信息作出反应并刹住我们 正在 驾驶的汽车 时 ,它可能已经一头扎进墙里了。 博弈 在本文后面, 我将 回过头来讨论 这一点。现在,我想 针对 一 个非常 具体 的 目的 讨论 机器技术: 博弈 。在这个问题上 , 我将特别讲述一种西洋跳棋游戏, 美国 国际商业机器 (IBM) 公司已 针对这一游戏 开发出 了 非常有效的 博弈 机 器 。 让 我 声明 一 下 ,我们 此处 并不关心 那些运行一种完美且封闭的博弈 理论的机器。冯诺依曼和摩根斯坦的博弈论 也许能够暗示真实博弈机器的运行 ,但 博弈论 实际上 并 无法描述 机器 (的运行) 。 在一场复杂的 西洋 跳棋游戏中,假设每个 棋手都试图根据他的对手的最佳着法来 选择 自己 的落子, 他的对手则是根据 他能给 出的 最 佳 反击, 而他的反击又依据于 对手 能 给出的最 佳 回应, 那么不久之后, 他 就 会 使自己陷入 一项不可能完成的任务。这不仅是从人 力上 来说 是 不可能的,而事实上 根本 没有理由 假设这是对抗他所 面 对的 对手 的 最 佳 策略, 而他的对手与 他自己 有着同样的局限性 。 冯诺依曼的博弈论理论与这 一博弈 机 器所运行 的 理论并 没有很密切的关系。后者更接近于 受限的人类棋手专家与其他棋手对抗时 所使用的方法。这些 棋手 依赖于 特定的、本质上并不完整的 战略评 估 。而冯诺依曼类型的 博弈 理论 适用于 井字游戏这类有着 完整 理论 的 系统,而事实上我们 之所以对 国际象棋和跳棋 感 兴趣 就 在于它们 并 不具备一 套 完整的理论。战争 如此 ,商业竞争 如此 , 我们感兴趣的 任何其他形式的竞争活动 也都是如此 。 在 一 款井字游戏中 只有少量 的移动方法,其中每个玩家都 能够算出 所有的可能性,并 要针对其他玩家的最佳可能动作, 建立防御, 在这儿 冯诺依曼 类型博弈 的 一整套理论是有效的 。在这样的情况下,游戏 不可避免的 会出现 以下 三种 情况之一 :第一个玩家取胜,第二个玩家取胜,或者平局。 我强烈怀疑这 一 完美游戏 的 观点 能否 在真实 非平凡的 游戏中 完完全全真的发生 。伟大的 军事统帅 拿破仑和 优秀的舰队司令 尼尔森 会采取 不同的 策略 方式。他们不仅 会 意识到他们的敌人在 军事 物资和人 才 等方面的局限性, 同时也会评估自己 在经验和军事 技术方面 的 局限性 。这是 通过对 现实 的 评估 (实现 的 ) :法国地面军队 相对缺少经验的 海上作业能力与英国皇家海军高度发达的战术与战略能力的对比,最终尼尔森 得以 彰显 其 魄力指挥舰队将拿破仑的地面军队赶离了大海。若非 尼尔森直接 参与了这一漫长 又曲折 的过程,他不可能做到这点,并有可能错失 这 次 他针对敌人的战略布局采取了最佳策略的命中注定之 冲突。 在评 估 (局限性) 时,不仅要考虑敌方的军事物资和人才,还 要考虑 敌 方 的判断 能力 以及可 能会采取 的战术及战略技巧,尼尔森 参 照他们在以往战争中的 统计 记录行事。同样, 拿破仑 在 指挥 他 与奥地利 人在意大利 的作战 时,其中的 一个重要因素 便 是他对 于 维尔姆泽的 刻板 和 智力 限制的 了解 。 在任何现实的 博弈 理论中,经验 因 素 都 应得到充分的认可。这对 一个 棋手来说 完全 是合情合理的,他不是在 对抗 一位理想 的 、 不存在的 、完美的 敌手 ,而是在 对抗 一位 他可以 从(过往)记录中 判断出对方 习惯的 棋手 。因此,在 博弈 理论 中 ,至少 必须进行 两种不同 类型 的智力尝试。一种是针对单人 博弈中的特定策略展开 的短期 智力尝试 。另一种是 基于 对大量 博弈的 过往记录的 检 查。这 一 记录 已被博弈者 、他的对手 、 甚至是他本人 从未与之 对抗过的玩家所 创造 。根据这项记录,他 可以对已在过去被证明的 不同策略的相对优势 进行判断 。 在一个 象 棋游戏中,甚至还 需进行 第三 阶段的 判断。 这些经验记录至少是过去一段时间长度之内的 。 国际象棋理论的发展降低了 选择不同阶段最新博弈 (策略) 的重要性。另一方面,一个 狡猾 的象棋理论家可能 会 预先估计 , 当下流行的某一策略已 经 几乎没有价值, 可能 最好 的选择是采取 早 先 的 一种博弈 模式来 对抗 他 的 对手在策略上的变化。 因此,在确定国际象棋的策略 时 有几个不同层次的考量, 它在 某种 意义上 对应着伯特兰 ·罗素 所提出的 不同逻辑类型。其中有战术层次、战略层次,在决定 某一 策略时所 需权衡 的一般 性 考量层次, 所需重视的 “相关过去”—在这段过去的时间内 (策略) 是有效的 —的时间长度 层次,等等。每一 个 新层次 都 要求 对 一个比 之前的层次所需的 更大的 过去进行 研究。 我 将 这些层次与罗素 的逻辑类型 — 类,类的类,类的类的类等 概念 —进行了比较 。 你 可 能会 注意到,罗素 并 不认为 那些包含了 所有类型的 声明 是重要的。他提出,讨论类似于 理发师只给 那些 不给自己刮胡子的人刮胡子这样的问题是无用的。他给自己刮胡子吗 ?在一种 人员 类型下他可以,在 另一 种类型 下则 不可以, 颠倒往复 ,这是一种不确定的 情况 。所有 这种包含了 无限类型的问题 ,都 可能导致无法解决的悖论。 类似 的,在 多种 复杂层次下 研究 最佳策略是徒劳的,而且必然 会导致 混乱。 这些考量 不但发生于 机器的策略决定 过程也发生在 人类的策略决定 中 。这些都是在 可 编程的编程中 会 出现的问题。最低类型的 博弈 机 器 根据 某一严格 的评 估方法进行博弈 。 许多测度 , 例 如 赢得或失去的 棋子 的 价值 、 棋子的命令 、棋子 的移动性,等等, 都 可以 在一定 的 经验基础上进行权重 赋值,并在此基础上 ,针对每一种下一步可能的走法都给出一种 符合 博弈 规则 的加权方法 。 最终可能会选择具 有最大权重的 博弈策略 。在这种情况下,机器的下法 在它的敌手 — 这个人除了 评 估 机器的下棋特点 外没有其他选择 — 看来似乎是非常 严 格 的。 会 学习 的 机器 机器下一步 要考虑的 不只是 其在 单一游戏中的 动作 , 还有其 过往 博弈的 记录。在此基础上,机器可能会不时停止,不 是 在 下 而是在考虑 ,怎样对它所给定的考虑因素进行加权 (线性或非线性), 才能最好地 赢得比赛,而不是输掉 比赛 (或 投降 ),在此基础上,它 不断变换 加权 方式 进行 比赛 。这样的机器 在 它的人类 敌 手 看来, 有 着非常 灵活多变的 博弈 个性,早 先可用于 打败它的技巧现在可能无法欺骗它 了 。 这些学习机器 的 目前水平 只 相当于 能参加 象棋的业余 水准的比赛 ,但 在跳棋中, 经过 10-20小时的训练和 教化 之后,它们将比 程序化 它们的玩家展示出更显著的优势。因此, 它 们肯定是 摆脱 了它们的制造 者 的完全有效控制。 “严格” 作为 所有 因素 的 指令表 可能是机器处于任一位置时都需考虑的因素 , 它们 无疑 是有创造力的,即便 和它们下棋的人 也是这样说,不仅展现在它们往往不可预见的战术上 , 同时也展现 在它们战 略评估 的详细 加 权 上 。 正如我 已经 说 过 的,跳棋比赛机器的自我学习已经发展到可以打败 其 程序 设计 员的程度。然而,它们, 似乎 仍 有 一个弱点。 这表现 在游戏结束时。目前机器在决定给予对手致命一击 的最佳方式时仍略 显笨拙。 这是由于现有的机器大 多都是运行这样一种 程序 : 在 游戏 中 的每个阶段都采取 完全 相同的策略。鉴于跳棋 中每个棋子的价值 相似 性 , 对这一游戏的大部分过程来说很自然的情况是, 当棋 盘 相对来说较空 且主要问题是将棋子移动到一个位置而不是直接进行攻击 时, 但这与 (游戏结束) 的情况却非常不同 。在我所描述的方法的框架内, 很 可能 产生再 次的探索 以 确定 当 对手 的棋子 数 大幅减少时应该 采取什么策 略 , 以使这些 新考虑成为重 中之重 。 目前为止,国际象棋 比赛 机器 还未 达到跳棋机器的完善程度,尽管,正如我说 过 的,它们 肯定 能 够进行 一场 相当不错的 业余比赛。这样的原因 与机器在跳棋游戏结束时表现出的 相对高效 非常类似 。在国际象棋中,不仅 是游戏结束时采取的适当策略与 游戏中场 非常 不同, 与 游戏 开局也非常不同 。在这方面,跳棋和国际象棋的区别是,跳棋一开始布局的 玩法与进行到 中 场 的布局 没什么不同 ,而在 国际象棋中,开局 时棋 子保持 着异常缓慢 的移动, 此时对于 棋子 的部署是 相当困难的。这就是 开放式玩法和研发会成为 国际象棋理论 的 一个特殊分支的原因。 机器可 通过多种 不同的方 式认识到那些 知众所周知的事实,并为 开 局探 索 一 个 独立的等待策略。这并不意味着我在这里 已经 讨论 过 的 博弈 理论类型 是 不适用于国际象棋 的 ,但只是说,在我们 能 制造 出 一台可 以玩 国际象棋大师 赛 的机器之前,还需要 有 更多的考量。我的一些从事这方面研究的朋友相信,这一目标将在 10至25年内实现。 我并不是象棋方面的专家 , 所以 我 自己 不会 主动地 冒险作出任何 此类 的预测。 很有可能 会 学习 的 机器将 被用于编码 新 型 按钮战争中 的 按 下按 钮 动作 。 此处 我们考虑 这样一个领域,该领域已对不是通过 学习而获得的符号 —括弧—进行了自动控制并 投入使用 。 要基于 真正战争 中 的实践经验 对 这些机器 进行编码 是完全不可能。 首先 , 一个 拥有足够的经验 可进行适当编程的机器,可能 视人类早已经被消灭了。 此外,按钮战争技术必然会带来 巨 大的变化, 以致 当机器积累了足够的经验 时 ,战争的初衷 可能已 发生 了 根本性的改变。因此,对这类学习机 器 的编程必须基于某种战争游戏, 正如指挥官和职责人 员 以 类似的方式学习战略艺术 中 的 一些 重要 内容 。然而,如果在一场战争游戏中 , 胜利的规则不符合我们对 于 自己国家的实际愿景,很 有 可能这 类 机器会产生一 种 策略,以牺牲我们每个人 都在乎 的利益甚至是以国家存 亡 为代价 , 赢得名义上 的 胜利。 人与奴隶 这 儿要讨论的 问题,是一个道德问题, 我们 所面临的 境地与 奴隶制度 中的一个非常伟大的 问题 很类似 。 让 我们承认 , 奴隶制度 之所以很 糟糕 是 因为它 很 残忍。然而, 由于一个完全不同的原因,它 又是自相矛盾的。我们希望 一个 奴隶 很 聪明,能够协助我们 执行 任务。然而,我们也希望他 是 顺从 的 。 完全 的顺从和 完全 的聪明是不会同时出现的。在古代,有多少次 会发生 更聪明的希腊哲学家受到一个不太聪明的罗马奴隶主的奴役 而这些哲学家们 必须受 其 主人的行 动主导 而 非 服从 自己 的意愿 的情况 ! 类似 的,如果机器运行效率越来越高,且心智水平越来越高,那么,巴特勒所预见的 机器主导所带来的 灾难就 离人类 越来越近了。 当我们 触及 逻辑的更高 领域 时,人类的大脑是一个 远 比智能机 器 更 加 有效的控制设备。这是一个自组织系统, 它依赖的是将自身调整为一台新机器的能力而非是 解决问题的精度和速度 能力 。我们已经成功制造出了具有 “严格” 策略的 最 低逻辑类型的机器。我们 现在 开始制造第二种逻辑类型的机器, 它可通过学习提升自己 的策略。在构建 可运行 的机器的过程中, 并没有关于 逻辑类型的具体 并且 可 以 预见 的 限制,发表 一个关于 大脑在 哪些 确切水平上比机器更智能的声明也不安全。然而至少长期 看来 , 至少 在 某些 水平上大脑 总是会 比构建的机器更具有优势,尽管这一水平 线可能会逐渐上移 。 可以看出,自动化 的 编程技术的 结 果 就 是 把 机器 可在什么阶段达成其特定 结论, 以及机器的众 多操作 所包含的 可能的真实战术意图 ,等等的 有效理解 ,从 设计师和操作者头脑中 转移出来 。这对于我们能够预见游戏策略框架之外的不受欢迎的后果大有关系, 机器仍在运转而我们的干涉能够阻止这些后果的发生 。 在这里有必要认识到,人类的行动是一个反馈 的 行动。为了避免灾难性的后果, 仅有我们的一些行动是不足以 改变机器 的进程的 ,因为 很有可能 我们缺乏采取行动 所依据 的相关信息。 在神经生理学的语言中, 运动 失调 可被视为与 瘫痪 一样是 一种 (对运动能力的) 剥夺。一个有 自发性 运动失调的患者可能不 必再忍受 来自于 他的 肌肉或运动神经的 任何缺陷 ,但如果他的肌肉、肌腱和器官无法 确切地 传达他在什么位置, 以及 他的器官 所 遭受到 的张力 是否会导致他的摔倒,他 将 无法站立。 类似地 ,当 一个由 我们制造的机器能够以我们无法 跟进 的速度 处理它的 输入数据 时 , 在为时已晚之前, 我们可能 并 不知道 何时应该 将它关闭。我们都知道《魔法师的学徒》 那则 寓言,当他的 老师 不在时, 学徒 用咒语命令扫把提水,以致于差点 在他的老师再次出现之前 将自己淹死。如果 学徒 必须 从他老师的 图书馆 里 寻找 那本包含能 停止这场恶作剧的咒语 的魔法书 ,那他 很 可能在找到相关咒语之前 就 已经 被 淹死了。同样的,如果一个瓶厂被编程 为在 最大生产力的基础上运行 ,那么在厂主知道他应该在 6 个月 前就 停止生产 时 , 很可能已经被制造出的滞销瓶子的巨大库存弄破产了 。 《魔法师的学徒》 仅 是众多 假设魔法机构是平淡无奇的 寓言故事 中 的一个。在《一千零一夜》中有一篇关 于魔鬼和渔夫的故事 ,渔夫解除了所罗门对 魔鬼 的囚禁和封印,却发现 魔鬼 发誓要将渔夫杀死; 还有 雅各布斯的《猴爪》的故事,有一个 军士长 从印度带回来一个 法宝 ,它可以实现三个人的三个愿望。 我们被告知, 第一个使用这个 法宝 的人的第三个愿望是死亡。这位 军士长 , 也就是 第二个可以 许下 愿望的人,他的经历 太过 可怕 以致 无法 讲述 。 军士长 的朋友,抢 下了这 个 法宝 , 许 愿得到 200英镑。之后不久, 这个许愿人的 儿子 所在 工厂的 一名负责人来到他家告诉 他,他的儿子 在 机器 事故中遇难 , 工厂不承担任何责任但 愿意为他 的 家人提供 正好 200英镑的慰问金。他 许 下的 第二 个愿望是让他的儿子回来, 结果是一 个幽灵敲响了他的家门。 而 他的第三个愿望是 让 幽灵离开。 灾难性后果 不仅是在童话世界中 是可预料的 ,而且在 会发生在 现实世界 中 , 特别是当 本质上 毫无关联 的两个机构为了实现 一个 共同的目 标 而 耦合在一起时 。如果 对于这一目标性质而言,两个机构间的通信是不完备的,那么肯定可以预料到的是,合作的结果会不尽人意。如果为了实现我们的目标,我们使用一种这样的 机械机构 :一旦启动就无法对机器操作进行有效干预而且由于机器 的运转是如此之快且不可 撤销, 以致于在机器完成 其动作 之前 , 我们没有数据来 介入它的 运行 。 那么 最好 确定, 我们输入 机器的目的 就是我们 真正 渴望 的目的,而不 只 是 对这一目的的 一个 多彩 的模仿。 时间尺度 到目前为止 ,我一直都在考虑 一家联合企业中 机器 与 人类 协同进行 工作 时 所造成的准道德问题。我们已经看到,在使用 会 学习 的 机器 时,引发 灾难性后果的危险的主要原因之一, 就是 人和机器在两个不同的时间尺度上运行,机器比人快 速 得多, 而 两者 没有历经严重的困难就啮合在一起了 。 同样的问题也会出现在 当两个不同时间尺度的控制操作 符合作时的情况 , 而 无论哪一个系统更快, 或 哪个系统 更 慢。这 就 给我们 带来 了更 为 直接的道德问题:当 人类作为 个体 与一个有着更为缓慢的时间尺度的 控制过程 ( 如政治史的一部分 , 或者 是 我们主要的探究对象 — 科学的发展 ) 进行操作时,这其中的道德问题是什么 ? 值得注意的是 , 从长期的理解和控制的角度来看, 科学的发展是一 个与 控制和通信 相关 的过程。 在这 一 过程中, 50年 就像是 个体生 命 中的一天。为此,个体科学家 必 需要作为 这个 过程的一部分, 这一过程的时间尺度如此之长以至于 他自己 只能关注其中一个非常 有限的 领域 。在这里,一个双机的两个部分之间的通信是困难 且 有限的。即 便 当 一个 个体认为科学 将 有助于 实现其内心 的 人类 目的 时 ,他的信 念也 需要一个持续扫描和 再次 评估, 而 这 只 是 部分 可能的。对于个体科学家 而言 , 即便是 人类 与科学 进程之间的 联络的局部评估,也 要求对历史充满想象力的往前看 ,尽管 这是困难的、苛求的并且 只能 有限的实现。如果我们 简单地 坚持科学家 们 的信条 ,即 对 于 世界和 我们 自身 的 不完 备的知识总好过 无知,我们 就不会总是 天真的假设,我们越 是急于运用对我们开放的 新力量, 情况 就 会愈加 美好。我们必须 一直 发挥我们 全部 的想象力,以审视我们 对于 新 形式的完全利用将引领我们要到达的地方 。
个人分类: 德先生|13801 次阅读|8 个评论
对“维纳”的新认识
热度 8 SUNSHINEDGR 2013-3-28 08:20
2013 年 3 月 14-15 日, JoseC.Principe 教授 受邀在中国科学技术大学做学术报告,博主有幸与 Principe 教授进行了面对面交流。博主对其报告中提到的“信息滤波( InformationFiltering )”很感兴趣,博主当时提出这是沟通香农( ClaudeElwoodShannon )的 InformationTheory 和维纳( NorbertWiener )的 ControlTheory(考证后博主知道此处用Cybernetics更合适) 的跨理论研究的一个桥梁。 Principe 教授谦虚地说他本人做研究时还没有想到这个层面,但是他认为构建跨理论研究的桥梁是一个很有意义的课题,他鼓励我们年轻人可以尝试在这方面深入下去,发现新的知识。 出于好奇,下来后我开始研读维纳教授 1950 年的著作《人有人的用处——控制论与社会》( TheHumanUseofHumanBeings-CyberneticsandSociety )(陈步译)。 相比于 1947 年维纳的划时代著作《控制论 - 关于动物和机器中的控制与通信的科学》( CyberneticsorControlandCommunicationintheAnimalandtheMachine ),《人有人的用处》更像是《控制论》的科普版,里面没有密密麻麻的公式,但却并没有因此而显得通俗易懂, 这与维纳特有的行文风格有关,他的写作似乎结构散漫,缺乏条理,读者很难一眼就看出他究竟想要说什么,仔细阅读之后,也许才能够悟出其中许多道理 (此处引用中科院数学与系统科学研究院胡作玄教授在该书导读部分的评价,博主非常赞同胡教授的观点)。除了维纳教授的“写作似乎结构散漫,缺乏条理”之外,书中导读和插图部分给出了关于维纳教授的 许多 “爆料”,让博主很长见识,摘录一二供博友们品享: 1 、博主之前的认识是—— 20 世纪中叶最具影响力的三大理论分别是:系统论、控制论、信息论。维纳是控制论之父,香农是信息论之父,他们两位学者在各自的领域内做出了开创性的工作。 然而,《人有人的用处》导读中提到: 2005 年康威( FloConway )和西格尔曼( JimSiegelman )合著了一本名为《信息时代的隐秘英雄》 (Darkherooftheinformationage) ,书中开篇第一句话就是“他是信息时代之父”( Heisthefatheroftheinformationage )。注意,此处“他 (He) ”不是指香农,而是维纳。事实上,香农自己也说“光荣应归于维纳教授,他对于平稳序列的滤波和预测问题的漂亮解决,在这个领域里,对我的思想有重大影响。”一般认为,信息论的创始人是香农,主要因为他给出了以熵为核心信息的定量量度。事实上,维纳也做了相似的工作,区别在于香农的求和变成了维纳的积分。 2 、那么博主就思考,提到信息时代的英雄,人们会提到冯 . 诺依曼,香农甚至于比尔 . 盖茨,为什么漏掉了维纳呢? 书中提到: 1947 年维纳的《控制论》发表后,在哲学界引起了轩然大波。注意到此书的副标题为“关于动物和机器中的控制与通信的科学”。人也是动物,把人和机器并列,以至于等同起来,有亵渎人类尊严之嫌,惹怒了不少哲学家,就像哥白尼把地球从宇宙的中心搬到太阳系的一个角落触怒了教皇一样。苏联的哲学界首先发起攻击,称控制论是一种反动的伪科学,是现代机械论的一种新形式。甚至有人批评说控制论是为帝国主义服务的战争工具。值得提到的是, 1954 年钱学森教授的《工程控制论》的出版与广泛传播对于哲学家们“放下武器”,肯定控制论是一门“研究信息和控制一般规律的新兴科学”起到了很大的推动作用。 3 、书中还提到: 1894 年维纳出生自书香门第,父亲是俄裔犹太人,哈佛大学教授,维纳从小智力超常, 3 岁可以读写, 3 年读完中学, 14 岁大学毕业, 18 岁获得哈佛大学博士学位。 这些我们即使之前不知道,也不会太奇怪,因为年轻时的维纳这样优秀人们完全可以想象。 但书中也提到:维纳 25 岁任麻省理工学院讲师(注意到这时的维纳已博士毕业 7 年,在这期间他做过博士后、当过士兵、杂志撰稿人等), 35 岁被提升为副教授, 38 岁晋升为教授, 54 岁发表划时代著作《控制论》。 博主看到,这个昔日神童的成大器之前的学术积累是多么的漫长啊!青椒们能不能 Hold 住啊??? 4 、特别让博主大跌眼镜的是: 1928 年, 34 岁(博士毕业已有 16 年)的维纳还是麻省理工学院( MIT )助理教授,期待升职及改善经济状况的他申请澳大利亚墨尔本大学教授职位被拒,尽管有当时世界第一流的数学家希尔伯特、哈代等人的推荐信。 MIT 为什么著名?因为牛人太多了!听说,我们无线通信领域第一个提出超宽带通信( UWB )的一位 MIT 学者前两年还为教授转正费尽了心思,这要是放在国内,早就不是问题了。博主又想,墨尔本大学当时为什么没给维纳 Offer 呢?真是没有慧眼啊! 5 、博主读的时候还特别关注了维纳教授与中国 / 华人的关系: 民国时期,维纳曾在清华大学任教,曾对华罗庚等作了具体深入的学术指导,并在《我是一个数学家》中自述,他宁愿选择在清华大学任教的 1935 年作为创立控制论的起点。 从 1935 年创立到 1947 年发表《控制论》,这是一个学者 10 余年一个方向的坚持,更是维纳几十年的学术积淀!!! 注:本博文发表后得到了控制领域许多专家学者的精彩点评指导,博主受益匪浅,在此深表感谢。特别是: (1)控制理论与方法领域著名学者 何毓琦 教授专门撰文对本博文的部分内容进行点评更正,详情见 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=1565do=blogid=674902 ( YouMayAdmireTheVisionary,ButSocietyPaysForTheUseful )。 (2)科学网游客、控制论专家‘ beyondcontrol’ 给何老的博文提供了一个很漂亮的中文翻译“ 你可以欣赏远见卓识,但社会只为实用性买单 ”。
个人分类: 读书笔记|12024 次阅读|21 个评论
维纳的猴掌
热度 3 outcrop 2012-4-6 17:37
维纳(Norbert Wiener )的猴掌 ——《人天逍遥:从科学出发》读书笔记2.3 《人天逍遥:从科学出发》第二篇《黄禹锡、“无纸办公”与猴掌》一文的最后,提到了维纳提到的故事,关于猴掌的;不懂,就搜索了一番,找到了答案。 这是维纳在《控制论》中的一个故事: 一个退休的英国工人与他的朋友,一位从印度来的少校军官闲聊时,少校给他看了一个样子象枯干的猴掌的护身符。少校说这是一个印度圣徒送给他的,这猴掌可以满足三个所有者中每一个人的三个愿望。寓言的本意是说向命运挑战是愚蠢的。 少校说他不知道第一个人的头两个愿望,只知道最后一个愿望是死。他告诉他的朋友,他自己是第二个所有者,但是不愿说出他自己的恐怖经验。少校不希望有人再受其所害,将猴掌投入火中,但退休工人将它从火中取出,打算试试它的威力。 退休工人说出的第一个愿望是要两百英磅。话音刚落,便有人敲门。敲门的是他儿子公司里的一个雇员。来人通知退休工人他的儿子刚被机器轧死,公司虽然不愿承 担任何责任,但是支付了两百英磅的抚恤金。悲痛欲绝的父亲喊出了他的第二个愿望:“让我的儿子回来吧!”第二次敲门声响,破门而入的是他儿子的鬼魂。他的 最后一个愿望就是让儿子的鬼魂走开。 维纳用这个寓言说明智能机器可能会在未来给人类带来意想不到的灾难。当你赋予智能机器某种功能时(例如让机器像人一样通过学习变得更加聪明),这机器可能会同猴掌一样曲解人类的意图,人类将会发现最终是鬼魂在敲门 。 作为工科人,我很不乐意承认自己属于玩猴掌的人,因为我经常觉得新技术是推动人类走向幸福生活。 但不得不直面并思考这个问题:科技在什么时候是维纳的猴掌? 延伸阅读: 蒋叔的博客 《 人 天 逍遥:从科学出发》在线购买(当当) 猴掌和政治 =============================关于博主============================= 博主的主要兴趣是:知识管理;相关兴趣有:语义网、机电及DIY、哲学与心理、信息安全、科幻等。 我的常用博客在科学网 (访问可点链接,下同); 新浪微博是@outcrop ,欢迎互粉;建了一个超级QQ群:17662971,希望能闲聊无白丁,欢迎加入;自己打理着一个 机电工程师 小网站,欢迎来玩。无宗教信仰,提倡动物保护。最近在科学网关注“ 科学网大学 ”,欢迎加入 科学网大学群组 讨论、尝试。
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身后的世纪(之十三)信息论,控制论与系统论的建立
自我源于思考 2008-5-5 00:03
真理,哪怕只见到一线,我们也不能让它的光辉变得暗淡。 李四光 二极管在十九世纪即被应用,即矿石检波器,在1904年弗莱明发明了电子二极管作为替代品。它的重要作用是二进制的物理基础,并构成与门与或门( AND 与 OR )。在1908年李德弗斯特申请了三极管的专利,其重要作用是运算,放大电路进行运算。 电子管不断地发展,应用到实践中去,比如二次世界大战末出现的 B29 轰炸机上装有 1 千个电子管,而第一台计算机 ENIAC 则安装 了 13000 个电子管 。 一般的使用电阻电路实现比例运算与和差运算,使用二极管或三极管实现对数或者指数运算,利用对数和指数运算以及比例,和差运算电路,可组成乘法或除法运算电路和其它非线性运算电路,电容的充放电实现积分与微分运算。这些电路组合起来完成各种各样的计算功能。另外根据电子管的特性实现各种逻辑功能,即我们所说的组合逻辑电路和具有记忆功能的时序逻辑电路。数据的输入输出则用磁鼓和阴极射线管的电子束完成,于是在计算、逻辑、存储的基础上,具备了机器自动控制的理论条件。 在第二次世界大战期间,计算机的要求变得迫切,曼哈顿计划中要计算核反应的条件需要上百人用来计算,美国宾夕法尼亚大学摩尔电工学院为陆军计算炮火火力表,于 1943 年开始研制第一台电子计算机,设计师是美国计算机界的先驱 Mauchly 和 Eckter 。在他们的共同努力下,世界上第一台电子计算机 EN1 - AC 于 1946 年 2 月投入运行。虽然每秒钟仅能完成 5000 次加减运算,做一次乘法需要 3 毫秒,仅相当于现在的计算器,然而在当时却是划时代的创举,成为计算机的始祖。但是电子管有不稳定、寿命短等许多缺点,人们从半导体的特性得到启发研究晶体管。 1934 后德国科学家奥斯卡黑尔申请了一项场效应(晶体)管的专利, Purdue 大学得到了较好的锗晶体,应用到贝尔试验室的工作中去,从而使贝尔试验室在 1947 年发明了较成熟的晶体管,而晶体管的广泛应用把人类带入信息时代。 由于通讯的发达,人们对于信息的研究不断增加。 1922 年,卡特莱把信息与其内容本身分开,奠定了信息论研究的基础。 1948 年,香农发表《通讯的数学原理》标志信息论的产生。 信息论 是研究信息的产生、获取、变换、传输、存贮、处理识别及利用的学科。信息论还研究信道的容量、消息的编码与调制的问题以及噪声与滤波的理论等方面的内容,如维纳创立了维纳滤波理论和信号检测理论,所以他也被认为是信息论的创始人之一。随着时代发展,信息论不断地发展,从单纯的通讯渐演化为人类世界观的一个方面。如图灵提出图灵机的构想, 冯诺意曼提出了现代计算机体系结构和自组织、自修复、自繁殖系统的初步想法。这些设想随着计算机的发展已经深深地影响到社会的每一个角落。 由于在国内外在技术上的差距,我国学者而对于信息论不敏感,蔡长年在1956年率先在国内开出《信息论》课程,在间接参加编制我国十二年(1956 1967)科学规划时,他建议将信息论的研究列入规划,并提出选题以应用为主;其后,经蔡长年建议,在北京邮电学院建立了研究信息论的科研室,招收了研究生,为国家培养了一批这方面的人才。 维纳在 1919 年研究勒贝格积分时,就从统计物理方面萌发了控制论思想。第二次世界大战期间,他参加了美国研制防空火力自动控制系统的工作,提出了负反馈概念,应用了功能模拟法,对控制论的诞生起了决定性的作用。 1943 年维纳与别格罗和罗森勃吕特合写了《行为、目的和目的论》的论文,从反馈角度研究了目的性行为,找出了神经系统和自动机之间的一致性。这是第一篇关于控制论的论文。这时,神经生理学家匹茨和数理逻辑学家合作应用反馈机制制造了一种神经网络模型。艾肯和冯 . 诺依曼认为这些思想对电子计算机设计十分重要,就建议维纳召开一次关于信息、反馈问题的讨论会。 1943 年底在纽约召开了这样的会议,参加者中有生物学家、数学家、社会学家、经济学家,他们从各自角度对信息反馈问题发表意见。以后又连接举行这样的讨论会,对控制论的产生起了推动作用。 1948 年维纳的《控制论》出版,宣告了这门科学的诞生。维纳把控制论看作是一门研究机器、生命社会中控制和通讯的一般规律的科学,更具体他说,是研究动态系统在变的环境条件下如何保持平衡状态或稳定状态的科学。他特意创造 Cybernetics 这个英语新词来命名这门科学。 阿什贝的控制论则比较强调从生物医学的角度提出新的思想,例如体温的自行镇定 (Homeostat) 和适应环境 (Ultrastable) 的系统。 维纳的《控制论》给钱学森以重要启发。钱学森凭借自己研制从弹道火箭到可控和制导火箭技术的丰富经验,很快用控制论的原理,解决了一批喷气技术中稳定和制导系统的问题。 控制论的研究表明,无论自动机器,还是神经系统、生命系统,以至经济系统、社会系统,撇开各自的质态特点,都可以看作是一个自动控制系统。在这类系统中有专门的调节装置来控制系统的运转,维持自身的稳定和系统的目的功能。控制机构发出指令,作为控制信息传递到系统的各个部分(即控制对象)中去,由它们按指令执行之后再把执行的情况作为反馈信息输送回来,并作为决定下一步调整控制的依据。这样我们就看到,整个控制过程就是一个信息流通的过程,控制就是通过信息的传输、变换、加工、处理来实现的。反馈对系统的控制和稳定起着决定性的作用,无论是生物体保持自身的动态平稳(如温度、血压的稳定),或是机器自动保持自身功能的稳定,都是通过反馈机制实现的。反馈是控制论的核心问题。控制论就是研究如何利用控制器,通过信息的变换和反馈作用,使系统能自动按照人们预定的程序运行,最终达到最优目标的学问。 在研究通讯和控制时,都离不开系统;研究系统或控制时,又离不开信息。一般系统论把其研究对象作为一个整体加以考虑,提出适合于一切系统的模式、原则和规律,强调系统大于个体,这有助于说明有组织的系统。而控制论的研究对象是系统,它对于进一步考察系统内部的组织、控制和调节的功能是不可缺少的。信息是组织系统的一个重要特征,它使系统得以实现自我调节,是系统之间,系统与环境联系的主要方式。 1925 年英国数理逻辑学家和哲学家 N. 怀特海在《科学与近代世界》一文中提出用机体论代替机械决定论,认为只有把生命体看成是一个有机整体 , 才能解释复杂的生命现象。 1925 年美国学者 A.J. 洛特卡发表的《物理生物学原理》和 1927 年德国学者 W. 克勒发表的《论调节问题》中先后提出了一般系统论的思想。 1924 ~ 1928 年奥地利理论生物学家多次发表文章表达一般系统论的思想 , 提出生物学中有机体的概念,强调必须把有机体当作一个整体或系统来研究,才能发现不同层次上的组织原理。他在 1932 年发表的《理论生物学》和 1934 年发表的《现代发展理论》中提出用数学模型来研究生物学的方法和机体系统论的概念,把协调、有序、目的性等概念用于研究有机体,形成研究生命体的三个基本观点,即系统观点、动态观点和层次观点。 1937 年贝塔朗菲在芝加哥大学的一次哲学讨论会上第一次提出一般系统论的概念。但由于当时生物学界的压力,没有正式发表。 1947 ~ 1948 年贝塔朗菲在美国讲学和参加专题讨论会时进一步阐明了一般系统论的思想,指出不论系统的具体种类、组成部分的性质和它们之间的关系如何,存在着适用于综合系统或子系统的一般模式、原则和规律,这标志着系统论的初步建立。 信息论,控制论与系统论的建立表明人类对于客观世界的理解方式发生了巨大的变化,这些理论是人类在二十世纪伟大成就的一部分。
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