Применение первого закона кибернетики к анализу адаптационной динамики сложных систем

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013

УДК 519.71:007.51 А. Н. ФЛОРЕНСОВ

Омский государственный технический университет

ПРИМЕНЕНИЕ

ПЕРВОГО ЗАКОНА КИБЕРНЕТИКИ К АНАЛИЗУ АДАПТАЦИОННОЙ ДИНАМИКИ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ_________________________

Показывается, что первый закон кибернетики, преобразованный в дифференциальную форму, дает основу для решения ряда общих системных задач реального мира. Предложено его применение для исследования проблем формирования разума в процессах обучения и динамики цивилизаций. Рассматривается решение парадокса Ферми.

Ключевые слова: кибернетика, управление, энтропия, динамика, разнообразие, обучение, адаптация.

Первый закон кибернетики был сформулирован У. Р. Эшби на основе понятия энтропии в применении к информации. Формальное его доказательство [1, с. 294 — 296] базируется на математических выводах, исходя из определения информации по Шеннону применительно к системе, на вход которой поступает информации, в ответ на которую система должна принимать регулирующие воздействия, обеспечивающие ее гомеостазис, адаптацию или поддержание существования, соответствующее некоторой цели.

Сформулированный в математических положениях, в словесной форме этот закон обычно описывается, как «управление может быть обеспечено только в том случае, если разнообразие средств управляющего (в данном случае всей системы управления), по крайней мере, не меньше, чем разнообразие управляемой им ситуации». Данная словесная формулировка принадлежит С. Биру [2, гл. 3]. Кроме частного отдельного доказательства У. Эшби обращает внимание, что указанный закон является иной формулировкой более узкой формализации теоремы 10 из основополагающей работы К. Шеннона [3].

Общность рассмотренного закона не вызывает сомнения, но для большинства научных задач он оказывается слишком общим, чтобы на его основе делать практические и содержательные выводы. Очевидно, что из-за этой общности его и следует применять не к частным конструктивным или управленческим задачам, а к наиболее общим человеческим и познавательным проблемам.

Среди таких проблем можно указать изучение возможностей и перспектив наиболее общих методов в обучении и образовании, а также пробелы адаптации и существования цивилизаций и видов живых организмов.

Для использования кибернетического подхода будем рассматривать человека как элемент системы управления во взаимодействии со средой обитания. Рассмотрение человека на более детальном уровне переводит исследование в область, смежную с физиологией и психологией, что не является темой текущего изучения. Указанное выделение темы исследования сразу же влечет необходимость рассмотрения средств и способов формирования человека

именно как элемента управления в указанной системе. Такое формирование не происходит «автоматически» на основе природных биологических или каких-то иным механизмов, что, кроме некоторой очевидности утверждения, строго обосновывается из следующих соображений.

Исследование отдельных особых случаев воспитания человеческих детей животными показало, что во всех таких случаях воспитания разум у людей не формируется. В социологической литературе такие дети называются «феральные люди» от лат. fera — дикое животное [4]. Согласно определению, это человеческие дети, которые жили вне контакта с людьми с раннего возраста и практически не испытывали заботы и любви со стороны другого человека, не имели опыта социального поведения и общения. В научной литературе описано более ста подобных случаев. Воспитанные животными дети проявляют поведение, свойственное своим приемным родителям, например, страх перед человеком. Те, кто жил в обществе животных первые 5 — 6 лет жизни, практически не могут освоить человеческий язык, ходить прямо, осмысленно общаться с другими людьми, несмотря даже на годы, проведенные в последующем в обществе людей, где они получали достаточно заботы.

Указанные явления, чаще всего рассматриваемые исключительно как любопытные «курьезы», если вдуматься в их смысл, отчетливо показывают, не только необходимость «общества», но и абсолютную необходимость обучения формируемого человеческого разума другим человеком. Действительно, если воспитателем ребенка оказывается один единственный человек (не абстрактное общество и не множество межчеловеческих взаимоотношений), то, как показывает практика человечества, никаких заметных исключительных проявлений «не-доформирования» человека не наблюдается (хотя может иметь обычное не очень высокое развитие интеллекта).

Фактически указанное наблюдение и вывод являются дальним следствием закона Эшби. Формирование разума как системы моделирования окружающего мира и системы принятия решений для адаптационного человеческого поведения может строиться только в результате процесса взаимодей-

ствия с не менее сложной системой человеческого воспитателя или воспитателей.

Заметим, что разум человека обычно считают самим собой разумеющимся и проявляющимся как данность человеку. Только что проведенные рассуждения показывают, что это совершенно не так, формирование разума — это деятельность человека или людей, взаимодействующих с развиваемым разумом.

Поскольку все достижения человечества, в конечном счете, обусловлены разумом, то приобретает особое значение изучение управляющих (в терминах кибернетики) условий формирования этого разума и, если ни его усиления, то хотя бы формирование большего по информационным и управляющим возможностям разума.

Рассмотрим в этой связи близкую по смыслу к закону Эшби постановочную задачу: какие ограничения могут иметь место в динамике взаимодействия обучаемой системы и окружающей среды, в расширенное понимание которой должны быть теоретически включены и воздействия обучающих действий воспитателя. (С позиции теории систем, все, что находится вне отдельной системы, следует рассматривать как окружающая среда этой системы.) Попытаемся построить расширение этого закона от статического утверждения до его формулировки, относящейся к динамике управления и адаптации.

Переходя к приращениям для дифференциальной формы, получаем: «Управление может быть обеспечено только в том случае, если разнообразие управляемой ситуации за интервал времени, в котором различимы изменения окружающей среды, меньше или равно разнообразию, обеспечиваемому за то же время средствами управляющей системы».

Применяя закон разнообразия для динамического управления к обучению управляющей системы, получаем, что «если объективные свойства окружающей среды таковы, что она существенно изменяется за время, необходимое для проведения обучения, то это обучение в принципе не может дать никаких преимуществ для существования и выживания». Проще всего уяснить существо такого вывода на примере обучения и адаптации лабораторных животных. Действительно, широко используются различные методы исследования поведения и нейрофизиологии животных, базирующиеся на выработке у них условных рефлексов с помощью различных методов поощрений и наказаний. Для выработки условных рефлексов требуется определенная последовательность повторений, которая связывает для обучаемых организмов последствия воздействия с самими этими внешними воздействиями. Если за время обучения условия связи будут меняться, то либо условные рефлексы не будут выработаны, либо, в теоретическом случае, реакция обучаемого животного будет отвечать старой схеме связей, но для новых — измененных условий — будет уже не адаптивной.

При высокой изменчивости окружающей организмы среды, когда обучающая ситуация в новых измененных условиях должна вести к противоположным действиям, обучение оказывается эволю-ционно не выгодно. Если объективные свойства окружающей среды таковы, что она существенно изменяется за время, необходимое для проведения обучения, то это обучение не может дать никаких поведенческих, а в более далекой перспективе — эволюционных преимуществ.

Заметим, что «управляющая система с обучением» теоретически составляет частный случай общих систем управления, куда в частности входят и системы жесткого управления, но для живых организмов и систем, устойчивое существование которых обеспечивают механизмы адаптации, имеет место именно то, что названо в общем случае обучением.

Можно уточнить приведенную выше формулировку для более общей категории системы, чем биологический организм. Если материально-структурное строение сложной системы относительно постоянно (или, хотя бы не усложняется с точки зрения запоминания и числа элементов элементарного преобразования информации), то существуют граница скорости изменчивости окружающей среды, при превышении которой информационное моделирование ее системой делается неэффективным с точки зрения выживания и адаптации к изменяющимся условиям. В еще более общей формулировке нужно учесть и соотнести скорость изменения внутренней информационно-вычислительной структуры со скоростью изменения окружающей среды, отражая принципиальное ограничение на эффективность использования моделирования и практическое отображение внешней среды в этой информационной структуре.

Более внимательный анализ проблемы показывает, что область значений изменяемости, определяющая эффективность системы с относительно постоянной внутренней системой «обработки информации», ограничена не только сверху, но и снизу. Действительно, в гипотетической модели неизменяемой среды однократно выработанную или полученную в последовательности приближений модель поведения оказывается практически не нужно видоизменять. В биологии живых земных организмов подобные условия существовали в первичном океане, физико-химические свойства которого могли быть неизменными сотни миллионов лет. Даже в более короткие периоды времени — просто миллионы лет — неизменность окружающей среды естественным образом соотносилась наследуемым свойствам поведения биологических организмов. Более сложные модели поведения, заложенные или вырабатываемые для отдельных организмов, не могли дать принципиально заметного эффекта, либо требуя непропорционально сложного или длительного механизма функционирования конкретной модели, либо просто не обеспечивая заметного для эволюции прироста эффективности.

В практически не наблюдаемом для биосферы Земли быстром и постоянном изменении окружающей среды (хаотических движениях газовой и водной сфер, резких скачках температур и т.п.) даже накопленный человечеством интеллектуальный опыт может не дать заметного эффекта для выживаемости. Для биологического сохранения вида может оказаться наиболее эффективным просто случайный поиск и, возможно, более быстрое воспроизводство поколений, что замечательно демонстрируют простейшие организмы.

Проведенные рассуждения показали, что применимость разума для выживания гомеостазисных систем не умозрительный всеобщий закон, а эта применимость имеет место в относительно узком диапазоне изменяемости окружающей среды, — для относительно узких условий изменяемости физического мира.

Отсюда становится очевидной важность решения проблемы для любых конкретных физических

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013

*

и социальных условий. В частности, рассмотрение того или иного исторического или социально-экономического устройства общества на предмет соотнесения эффективности для выживания индивидуума активного проявления его разума.

Можно вспомнить аргументы еще Альфреда Рассела Уоллеса, который, опираясь на свою очень обширную практику в области антропологии, объемно аргументированно утверждал, что в примитивных социумах нетрадиционные проявления разума практически немедленно ведут к физическому или социальному устранению их носителей из племени. Заметим, что и в более развитых обществах, в том числе и достаточно недавних, проявления отдельными людьми не традиционных разумных решений нередко ведет к острой социальной реакции ближайшего их окружения.

Понимание, что разум, как явление и свойство индивидуума, не является непременным и обязательным свойством организма, позволяет яснее и четче вглядеться как в само это понятие, так и объективные основания его проявления. На настоящий момент видится, что разум, как свойство высокоорганизованной системы, является явной функцией от текущей динамики окружающего мира, а вовсе не «вещью в себе», случайно сложившейся неожиданно и «самой по себе». Иначе говоря, высокоорганизованная система может не обладать разумом в том понимании, которое прикладывает к нему современный человек или которое дано выше в данном изложении. Но это свойство системы может появиться хотя бы как флуктуация этой системы при ее динамическом существовании (жизни), если для окружающей среды этой системы имеется определенное значение изменчивости этой среды, находящееся в достаточно узком интервале. Узость указанного интервала обусловлена потенциальной способностью элементов этой системы или всей системы моделировать будущее поведение окружающей среды или существенных для существования его частей. При малой изменчивости среды отсутствуют дополнительные адаптационные возможности выживания рассматриваемой системы за счет расширения функциональности разума, при большой изменчивости среды функциональность разума, оказывается, даже снижает адаптационные возможности их динамического носителя.

Эту важную мысль можно сформулировать более точно следующим образом. Разум, как система моделирования окружающего мира и адаптации к его воздействиям, объективно формируется при определенном интервале изменчивости этого мира для того материального объекта, который является носителем разума. Если текущая изменчивость этого мира меньше некоторой пороговой величины, то разум как благоприобретенный признак объекта не дает никаких эволю-ционных преимуществ, бесполезен для его существования и гомеостазиса, потребляя ресурсы этого объекта, снижая его способности продолжения существования в окружающем мире. Если текущая изменчивость окружающего мира больше некоторой пороговой для рассматриваемого объекта величины, то разум как формируемая информационная подсистема не может обеспечить эффективного поведения для адаптации к быстро изменяющимся условиям существования и должен подавляется и отбрасывается эволюцией сообщества объектов. Действие такого сообщества в указанных обстоятельствах может быть либо примитивизация и ускоренное воспроизводство, чтобы

эволюционной изменчивостью адаптироваться к новым условиям среды, либо вымирание такого сообщества.

Практически изученная палеонтологией эволюция живого мира на Земле дает много примеров аналогичного поведения, хотя до сих пор и не относящегося непосредственно к разуму живых организмов. Другие свойства организмов, обеспечивавшие на каком-то предыдущем этапе эволюции их адаптацию и выживание, на очередном проявлении резкого изменения физических условий для организмов нередко приводили к массовому вымиранию видов и продолжению общей эволюции с некоторой иной ветки организмов. Заметим, что в определенных климатических условиях система организмов пресмыкающихся оказывалась энергетически более экономной, чем у млекопитающих, за счет сокращения расходов на поддержание высокой температуры тела. Но только в узком диапазоне внешних температур, за пределами которого резко падала двигательная активность животных и их потенциальная способность быстро переходить в движения, нередко нужная или необходимая для нападения или спасения жизни.

Выведенную выше зависимость можно продемонстрировать на хорошо известном, но не связываемом с кибернетикой, научном факте формирования разума у доисторических предков людей. Палеонтологические данные свидетельствуют об однозначной связи ухудшившихся условий существования предков людей и появлением у них человеческих технологий адаптации к окружающему миру, которые напрямую были связаны со сформировавшимся человеческим разумом, без которого не могли появиться и поддерживаться. Об этом же свидетельствуют изображения, оставленные людьми палеолита, которые отражают рассудочную деятельность в виде графического моделирования образов реального мира.

Интервал изменчивости окружающего мира, в котором эффективно формирование, развитие и дальнейшее совершенствование разума, зависит от внутренней сложности тех объектов (для биологии — организмов), которые являются носителями разума и их сложившихся на «доразумном» пути эволюции механизмах встроенных информационных систем. У человека эта внутренняя сложность и потенциал ее развития, не выходящий за пределы собственно организма, определяющие рассматриваемый интервал изменчивости среды, обуславливаются строением и функционированием коры головного мозга. При известной изменяемости и развитии нейронных систем мозга эта сложность и потенциал явно ограничены числом нейронов и их способностями к биологическому установлению связей между собой.

Изложенную теорию можно легко применить для простого решения старой проблемы, называемой «парадоксом Ферми»[5]. Парадоксом Ферми называют парадокс, сформулированный физиком Э. Ферми, который подверг сомнению возможность обнаружения внеземных цивилизаций. Парадокс связан с попыткой ответить на один из важнейших вопросов: «Является ли человечество единственной технологически развитой цивилизацией во Вселенной?». В современной формулировке он имеет следующий вид.

Имеется два наблюдательных или, если угодно, экспериментальных факта: 1) возраст Вселенной (Т) примерно равен 10 миллиардам лет, 2) характерное

время экспоненциального развития нашей технологической цивилизации (^ исчисляется десятками лет. Величина числа, характеризующего рост технологической цивилизации за время существования Вселенной, описывается экспонентой ехр(ТЛ) и дает значение, оцениваемое как 1043. Поэтому вероятность необнаружения технологической внеземной цивилизации, даваемая обратной величиной, оказывается настолько малой, что ее величинами в науке и технике вынуждены «пренебрегать», вынужденно полагая их нулевыми [6]. Иначе говоря, указанный парадокс отражает противоречие между утверждением о естественно-обусловленном развитии сложных систем во Вселенной, достигающих состояния технологического прогресса, и отсутствием их техногенных следов в наблюдаемой Вселенной.

Установленная кибернетическая зависимость между интервалом изменчивости мира, который является средой существования системы, и адаптационными и гомеостатическими возможностями самой системы, позволяет сделать на ее основе следующий вывод. Технологическая цивилизация, как показывает опыт человечества во многих его сферах деятельности и принимает современная наука [6], развивается «по экспоненте», по крайней мере, в близкой к ней качественно зависимости, безусловно увеличиваясь в своих количественных характеристиках сложности нелинейно и монотонно. Проводя сравнение экспоненциальной зависимости для оценки сложности формируемого мира технологической цивилизацией с фиксированным интервалом, в котором определяющие цивилизацию активные и адаптивные объекты разума могут применять, совершенствовать и развивать свой разум, приходим к следующему неизбежному выводу. Только для небольшого исторически интервала времени цивилизация может существовать в процессе развития и поддержания определяющего ее разума своих составных субъектов (людей, гуманоидов, субъектов внеземного разума и т.п.). Подчеркнем, что этот вывод есть простое логическое следствие первого закона кибернетики. Причем небольшим этот интервал времени должен оказаться не только с сравнении с продолжительностью существования нашей физической Вселенной, но, с учетом экспоненциального характера роста, очень небольшим даже по меркам человеческой цивилизации.

Заключение. Проведенный анализ показал, что интеллектуальные системы знаний человека формируются только в относительно узком диапазоне изменчивости непосредственно окружающей их среды. Для формирования разума как системы эффективной адаптации к окружающему миру необходимы обучающие системы не меньшего разнообразия и структурной сложности интеллектуального вывода, чем системы с разумом. При отсутствии какого-либо внешнего для человечества, преобладающего над ним разума, формирование и поддержание разума в человеческих субъектах оказываются кратковременно действующей функцией изменчивости окружающей среды, в понятие которой в этом контексте входят структуры и установки общечеловеческой социальной системы.

Библиографический список

1. Эшби, У. Р. Введение в кибернетику / У. Росс Эшби. — М. : Изд-во иностранной литературы, 1959. — 432 с.

2. Бир, С. Мозг фирмы / Стаффорд Бир. — М. : Либроком, 2009. - 416 с.

3. Шеннон, К. Математическая теория связи / К. Шеннон // Работы по теории информации и кибернетике. — М. : Изд-во ИЛ, 1963. — С. 243 — 322.

4. Bettelheim, B. Feral Children and Autistic Children / Bruno Bettelheim // The American Joural of Sociology, Vol. 64, No. 5. (Mar., 1959), pp. 455 — 467.

5. Landis, G. A. The Fermi Paradox: An Approach Based on Percolation Theory / Geoffrey A. Landis // Journal of the British Interplanetary Society, London, Vol. 51, page 163— 166 (1998).

6. Липунов, В. М. О вероятности контакта с внеземной технологической цивилизацией / В. М. Липунов // Астрономический журнал. — 1988. — Т. 65. — С. 433 — 435.

ФЛОРЕНСОВ Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры информатики и вычислительной техники.

Адрес для переписки: florensov@yandex.ru

Статья поступила в редакцию 22.06.2012 г.

© А. Н. Флоренсов

Книжная полка

004.4/А16

Абрамов, В. Г. Введение в язык Паскаль : учеб. пособие для вузов по специальности 010501 «Прикладная математика и информатика», по направлению 010400 «Информационные технологии» / В. Г. Абрамов, Н. П. Трифонов, Г. Н. Трифонова. - М. : КНОРУС, 2012. - 1 о=эл. опт. диск ^^ОМ). - ISBN 978-5-406-00757-0.

Дано доходчивое изложение сути языка программирования паскаль и на его примере доведены до читателя основные концептуальные понятия, входящие практически в любой процедурный язык программирования. Использование возможностей языка, в том числе и для работы со сложными структурами данных, иллюстрируется большим числом законченных примеров. Затрагиваются и некоторые общие методологические аспекты современного программирования — методика разработки программ, их документирование, структурное программирование.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ