HS Philosophische Grundlagen Kognitiver Systeme

Physical Symbol Systems Hypothesis(Newell, Simon)

Thomas Hecker3. Sem. WI/Master

SoSe 2006

Einleitung● Physical Symbol Systems Hypothese● Mitte der 50er Jahre von Newell/Simon

entwickelt● gesamte KogWiss geprägt durch Annahmen

dieser Hypothese

Grundlagen/Definitionen● Symbole

– physikalische Muster

● Ausdrücke (Symbolstrukturen)– bestehen aus Symbolinstanzen– stehen physikalisch in Beziehung

S1,S2...Sn (z.B. nebeneinander)

– Anzahl unbeschränkt

Grundlagen/Definitionen● Typen, Rollen

– jeder Ausdruck besitzt einen Typ– weist jeder Symbolposition eine Rolle zu

S1, S2 ... Sn

T R1, R2 ... Rn

Grundlagen/Definitionen● Prozesse

– arbeiten auf Ausdrücken– verändern dabei Ausdrücke an anderer Stelle

● create● modify● copy● delete

– ansonsten sind Ausdrücke invariant!

– einige grundlegende Prozesse fest im System implementiert (Operatoren)

Grundlagen/Definitionen● Bezeichnung (Designation)

– Ausdruck kann ein anderes Objekt bezeichnen gdw. System mit diesem Ausdruck

● das Objekt verändern ● sein Verhalten vom Objekt abhängig wird

– Symbole können bel. Audrücke bezeichnen(analog zu Variablen vs. Objekte)

– Ausdrücke können Prozesse bezeichnen(analog zu Funktionen vs. Fkt.Symbole)

Grundlagen/Definitionen● Interpretation

– ein Ausdruck der einen Prozess bezeichnet, wird bei seiner Ausführung interpretiert

– d.h. Ausdrücke bilden selbst Prozesse– können selbst über Symbole in anderen Prozessen

interpretiert werden

– (Analogie zu Programmiersprachen)

Beispiel● Newell (1980):

Beispiel einesPSS

Beispiel● Newell zeigte, dass mit diesem PSS beliebige

Turingmaschinen simuliert werden können

● Turingmaschine lediglich symbolisch im Speicher des PSS repräsentiert

PSS & Universalität ● Church-Turing-These:

– alle algorithmisch berechenbaren Funktionen sind Turing-berechenbar

PSS können bel. I/O Funktionen lernen (I/O in Abhängigkeit interner Zustände)

PSS = universelle Maschine

PSS Hypothese

„Ein PSS hat die notwendigen und hinreichenden Mittel für

allgemeine intelligente Handlungen“ ● „allgemeine Intelligenz“:

– charakterisiert durch menschl. Handlungsweisen– zielorientiertes Verhalten– Anpassungsfähigkeit an Umwelt

(erzeugen/modifizieren v. Ausdrücken)– „allgemein“ schließt domänen-spezifische Systeme aus (rein

reaktive Systeme können in kleinen Domains auch als intelligent angesehen werden)

Menschliche Intelligenz● Newell (1980):

– Universalität– Verhalten in Echtzeit– Rationalität– Verwendung v. Wissen über die Umwelt– Robustheit gegenüber Fehler/Irrtümer– Verwendung v. Symbolen– Verwendung v. natürlicher Sprache– (Selbst-)Bewußtsein– Lernfähigkeit– Weiterentwickeln von Fähigkeiten– Weiterentwicklung durch Evolution– Implementierbarkeit mit dem Gehirn als phys. System– Implementierbarkeit als phys. System

PSS Hypothese (PSSH)

„Ein PSS hat die notwendigen und hinreichenden Mittel für

allgemeine intelligente Handlungen“

● „notwendig“:– jedes intell. System ein PSS

PSS Hypothese (PSSH)● Newell (1980)

Notwendigkeit der symbolischen Informationsverarbeitung für Intell. Verhalten:– vor Bearbeiten einer Aufgabe muss Ziel bezeichnet

werden (nur symb. möglich)– Kandidaten müssen generiert werden (auch nur

symb. möglich)– zur Lösung neuer Probleme ist Universalität nötig symb. Verarbeitung

PSS Hypothese (PSSH)

„Ein PSS hat die notwendigen und hinreichenden Mittel für

allgemeine intelligente Handlungen“

● „hinreichend“– nicht jedes PSS per se „intelligent“– sondern PSS hinreichender Größe weiter

organisierbar sodass intell. Verhalten möglich

PSS Hypothese (PSSH)● „hinreichend“ (Forts.)

– jede universelle Maschine hat das Potential jede andere Maschine zu simulieren

– aber: Potential für Intell. System != Intell. System● Bsp: Computer

– ein System muss sich selbst zu einem intelligenten System machen können

– Voraussetzung: (autonome) Lernfähigkeit

PSS Hypothese (PSSH)● Begründung für Formulierung der Hypothese

eher vage:– Historisch aufbauend auf

● Formale Logik● Turingmaschinen + v. Neumann Rechner● Listenverarbeitung + symb. Sprachen (LISP)

– Verbindung der Konzepte● Berechenbarkeit● phys. Realisierbarkeit● Universalität● symb. Interpretation v. Prozessen (Interpretierbarkeit)● symb. Struktur und Bezeichnung (Designation)

PSS Hypothese (PSSH)● PSSH ist eine Hypothese, kein Theorem● nicht bewiesen (nicht beweisbar?)

● muss empirisch belegt werden 2 Teile:

– hinreichende Bedingung (KI):● Systeme mit künstlicher Intelligenz entwickeln

– notwendige Bedingung (KogWiss)● menschliche Kognition anhand von PSS erklären

( Kognitive Architekturen)

Heuristische Suche● Erkenntnisse aus KI und KogWiss in die jeweils

andere Disziplin übertragbar● Bsp:

– Grundmechanismen von KI-Systemen (GPS) stammen Experimenten mit Versuchspersonen

– Suche nach Gemeinsamkeiten in KI-Systemen (zwecks Wiederverwendbarkeit)

Erkenntnis: die meisten verwenden heuristische Suche zum Problemlösen

Hypothese d. heuristischen Suche

Heuristische Suche● Hypthese der Heur. Suche:

„Die Lösungen von Problemen werden als Symbolstrukturen repräsentiert.Ein PSS zeigt seine Intelligenz beim Problemlösen durch die Anwendung eines Suchprozesses, d.h. durch die Erzeugung und schrittweise Veränderung von Symbolstrukturen, bis eine Lösungsstruktur erreicht ist“

Heuristische Suche● Problembeschreibung

– Funktion zum Test ob Zustand eine Lösung ist(implizite Definition der Klasse aller Lösungsstrukturen)

– Funktion zur Generierung von Lösungsvorschlägen (Nachfolgezuständen) ausgehend vom aktuellen Zustand

● Problemlösen– Suchbaum

Heuristische Suche● die meisten Suchprobleme zu komplex um

kompletten Suchbaum zu durchlaufen● z.B. Schach:

– durchschnittl. Verzweigungsfaktor: 35-40● intelligente Systeme beschränken den

Verzweigungsfaktor● Intelligenz nicht Umfang der realisierten Suche● sondern Differenz zur uninformierten Suche

Heuristische Suche● Beschränkung des Verzweigungsfaktors durch:

– αβ-pruning– Best-First-Search– (Means-End-Analysis)

● „schwache Methoden“● beschränken Suchraum zwar, vermeiden aber

Suche nicht● vgl. hochstrukturierte Probleme:

z.B. Lineare Programmierung

Heuristische Suche● Intelligenz auch durch Fähigkeit,

Problemlösungskapazität zu erhöhen:– Gewinnen von neuem Wissen über Problemraum– nichtlokale Informationsnutzung

● Identifizieren von Aktionen die später zu schlechten Ergebnissen führen

– semantische Erkennungssysteme● Muster erkennen daraus Handlungen ableiten● Erkennen ersetzt Suche

(Bsp: 50.000 Muster bei Schachmeistern)– Auswahl geeigneter Problemrepräsentationen

● Vermeidung v. Suche durch richtige Repräsentation

Kritik an der PSSH● Philosophie: z.B. Searle (1980):

„ ... simply based on the assumption that if the robot looks and behaves sufficiently like us, ... it must have mental states like ours that cause and are expressed by its behavior and it must have an inner mechanism capable of producing such mental states.“

– emp. Belege für PSSH nicht ausreichend ?

● Psychologie: Behavorismus bis Gestalttheorie– Newell/Simon: keine Konkurrenz zur PSSH, da– zu vage, können immer im Sinne der PSSH interpretiert werden– können nicht beweisen/zeigen, dass Erklärungsmechanismen

hinreichend für intell. Systeme

Kritik an der PSSH● Neurologie: Kritik durch Nichtbeachtung

– Newell (1980): Es muss eine neuronale Struktur geben, die als Architektur Symbolstrukturen unterstützt

– cf. Geschwind (1980), Newell (1962)– neuronale Strukturen nur phys. Implementierung der PSSH