Wstęp do kognitywistyki Układy dynamiczne i rozwój poznawczy

1. Marcin Miłkowski Wstęp do kognitywistykiUkłady dynamiczne i rozwój poznawczy

2. O czym będzie mowa • Piaget: klasyczna wizja rozwoju poznawczego • Smith & Thelen: motoryka! • Układy dynamiczne a wyjaśnianie procesów poznawczych

3. Piaget: klasyczne badania nad rozwojem poznawczym • Jean Piaget (1896-1980), psycholog i epistemolog szwajcarski • Doktor honoris causa UW (1958) • Twórca epistemologii genetycznej: • badania nad genezą (rozwojem) poznania

4. Piaget: fazy rozwoju poznawczego • Poznanie przechodzi przez różne fazy rozwojowe. • Każdej fazie odpowiada odpowiednia logika myśli u dziecka. • Istota rozwoju: uczenie uniwersalnychniezmienników i przekształceń.

5. Piaget: okresy rozwojowe • Okresy: • sensomotoryczny (do 2 roku życia) • przedoperacyjny (2-7 rok życia) • operacji konkretnych (7-12 rok życia) • operacji formalnych (12 rok życia-…) • Od konkretu do abstrakcji, dzięki rozwojowi pojęciowemu, rozpoznawaniu abstrakcyjnego charakteru przekształceń i niezmienników.

6. Piaget (1954): Błąd AB (a nie-b) • Zabawka chowana jest w miejscu A i po krótkiej przerwie dziecko może ją stamtąd wyciągnąć. Po kilku powtórzeniach w A zabawka chowana jest w miejscu B; dzieci szukają nadal w A, chociaż patrzą na B!

7. Piaget: Błąd AB • 8-10 miesięczne dzieci. I zwierzęta. • Roczne i starsze dzieci nie szukają w miejscu B. Dlaczego? • Piaget: dopiero wtedy dzieci mają pojęcie przedmiotu istniejącego niezależnie od ich działań.

8. Błąd AB: jak to inaczej wyjaśnić? • Inne propozycje: • zmiana reprezentacji przestrzeni, • zmiana funkcji kory przedczołowej, • uczenie hamowania reakcji, • zmiana interpretacji zadania, • zwiększenie siły reprezentacji…

9. Wyjaśnienie dynamiczne • Linda Smith, Ester Thelen, Gregor Schöner i in. (2001): to nie jest kwestia braku reprezentacji przedmiotu, bo zjawisko występuje w bardzo różnych sytuacjach • Wiele przyczyn na kilku skalach czasowych daje złożone (emergentne) zjawisko

10. Emergencja: trudne pojęcie • Własność emergentna złożonego systemu to taka, która: • zmienia się przy zamianie równoważnych części, • zmienia się przy zmianie skali, • zmienia się po rozłożeniu i ponownym złożeniu, • zależy od nieliniowych oddziaływań między częściami systemu (William Wimsatt).

11. Emergencja: przykład • Znaczenie wyrażenia „mieć kogoś w nosie” nie zależy tylko od znaczenia wyrażeń „mieć”, „ktoś”, „w” i „nos”: połączenie tych słów daje własność nieagregowalną, bo powstaje idiom. • Mieć kogoś w odwodzie. • Mieć nos w książkach. • Mieć nos w okularach. • Niepełna kompozycyjność!

12. Wyjaśnienie dynamiczne: analiza zadania • Czas istotny: • Plan rozwija sięw czasie • Dziecko sięga tam,gdzie zaplanowało,widząc przedmioti zapamiętując go

13. Wyjaśnienie dynamiczne • Plan sięgnięcia do A • rośnie przy ukrywaniuprzedmiotu i utrzymujesię w trakcie przerwy • Plan sięgnięcia do B • zwiększona aktywacja Az powodu pamięci, alepo upływie pewnego czasurośnie aktywacja B

14. Wyjaśnienie dynamiczne • Pamięć sięgania zmienia zachowanie dziecka. • Zmiana opóźnienia: zmiana zachowania! • Większa różnica prób A i B: zanik „błędu” • stojące dzieckoradzi sobiedobrze!

15. Wyjaśnienie dynamiczne • Nie ma jednej przyczyny: wiele czynników • różnica między próbą A i B, • opóźnienie, • kierunek uwagi... • Samoorganizacja czynników • Błąd perseweracji może pojawić się nawet u dorosłych! • Dwulatki popełniają błąd w piaskownicy po 10 s.

16. Wyjaśnienie dynamiczne • To dlaczego jest różnica między 10-miesięcznym a 12-miesięcznym dzieckiem? • Hipoteza Smith i Thelen: pełzanie i lepsza motoryka polepsza pamięć przestrzenną

17. Układy dynamiczne • Dynamicyzm: procesy poznawcze rozgrywają się • w czasie rzeczywistym • w układach złożonych. • Wyjaśnienie poznania to wyjaśnienie dynamiki, czyli zmian w czasie.

18. Układy dynamiczne • Każdy układ fizyczny zmieniający się w czasie można opisać w kategoriach układów dynamicznych. • Układ dynamiczny to obiekt matematyczny jednoznacznie opisujący ewolucję stanu systemu w czasie. • Zbiór stanów systemu uporządkowany w czasie to jego trajektoria.

19. Układy dynamiczne • <T, S, φt> • T – czas, dyskretny lub ciągły • S – przestrzeń stanów • φt – operator ewolucji • (przekształca stan x0 ∈ S w czasie t0 ∈ T w xt w czasie t ∈ T). • Najczęściej opisuje się je równaniami różniczkowymi, ale maszyny Turinga czy inne komputery to też układy dynamiczne!

20. Wiele formalizmów • Wiele narzędzi do badania układów dynamicznych • Teoria systemów • Teoria złożoności • Teoria chaosu deterministycznego • Analiza funkcjonalna • Teoria ergodyczna • Teoria sterowania • Dynamika topologiczna...

21. Przestrzeń stanów • Zwykła przestrzeń geometryczna ma 2 lub 3 wymiary. • Przestrzeń abstrakcyjna: • każdy atrybut danego przedmiotu, jeśli jest opisany liczbowo, może być wymiarem przestrzeni. Punkt w 10-wymiarowej przestrzeni jednoznacznie wskazuje wartość w 10 wymiarach.

22. Dynamicyzm kontra Turing • Tim Van Gelder: układy dynamiczne lepiej opisują procesy poznawcze niż maszyna Turinga • Przykład paradygmatyczny: regulator Watta steruje prędkością silnika parowego

23. Cybernetyka i sprzężenie zwrotne • Regulator Watta: zasada sprzężenia zwrotnego w sterowaniu • Siła odśrodkowa podnosi kule (B), które regulują zawór (wejście do A)

24. Samoregulacja • Układ może się sam regulować, aby utrzymywać stan docelowy, modyfikując swoje działanie w zależności od swojego wyjścia (sprzężenie zwrotne ujemne). • Typowe w termostatach, robotyce...

25. Cybernetyka • Norbert Wiener, Cybernetyka, czyli teoria sterowania i kompunikacji w zwierzęciu i maszynie (1948) • Oparta na doświadczeniachwojennych • Prekursorzy w neurofizjologii w ZSRR (P. Anochin, uczeń Pawłowa) • W biosemiotyce podobneidee miał J. Uexkull

26. W. Grey Walter i jego żółwie • Machina Speculatrix (1953) • 1 fotokomórka, 1 sensor odbicia, 1 motor, 3 kółka, 1 akumulator, 2-komórkowy układ nerwowy • Zachowania: • szukanie światła • kierowanie się w stronę umiarkowanego światła • odwracanie się od światła jasnego • skręcanie i popychanie • ładowanie akumulatora

27. Cybernetyka a kognitywistyka... • Środowisko brytyjskich cybernetyków (W. Ashby) współtworzyło idee informatyki (klub Ratio – A. Turing) • W USA badano sieci neuronowe (McCulloch & Pitts) • Simon i Newell też wyrastali w tym duchu • Ale potem drogi się nieco rozeszły...

28. Cybernetyka a kognitywistyka… • Cybernetyka nie zawsze postulowała stany wewnętrzne (wczesna teoria sterowania). • Często podkreślano procesy analogowe. • Sprzężenie zwrotne jako istota procesów poznawczych (i umysłowych w ogóle).

29. Cybernetyka a polityka • W krajach satelickich ZSRR do lat 60. cybernetyka była zwalczana, mimo radzieckich prekursorów. • W latach 70. została zaakceptowana, by stać się językiem wojskowo-biurokratycznej nowomowy i pseudonauki. • Podręcznik szkoleniowy ORMO Józefa Kosseckiego w PRL • Mariaż z gnozą Jana Trąbki

30. Dynamicyzm • Dynamicyzm – narzędzia teorii sterowania, lecz nie wyłącznie sprzężenie zwrotne. • Często stosuje się terminy z teorii chaosu deterministycznego. • Złożone układy dynamicznesą nieobliczalne.

31. Problem trzech ciał • Problem wyznaczenia ruchu spowodowanego przez oddziaływania grawitacyjne trzech ciał (dane: położenie, masa i prędkość) nie ma ogólnego rozwiązania analitycznego. (E. Bruns i H. Poincare) • Ten ruch zasadniczo jest niepowtarzalny... • Istnieją tylko aproksymacje różnego rodzaju.

32. Atraktory i przestrzenie fazowe • Przestrzeń fazowa = przestrzeń stanów układu • Atraktor = zbiór, w którego stronę układ ewoluuje w czasie • Tzw. dziwne atraktory mają strukturę fraktali

33. Dynamicyzm • Zasada metodologiczna dynamicyzmu: tak uprościć, aby rozwiązania jeszcze istniały. Im mniej parametrów, tym lepiej. • Układy liniowe łatwiejsze; nieliniowe – trudniejsze. • Tymczasem programy Newella i Simona mają tysiące parametrów i nie poddają się skutecznej analizie w kategoriach dynamicznych

34. Dynamicyzm • Podobnie jak cybernetyka podkreśla istotność zmian w czasie i sterowania. • Zwykle sceptycznie traktuje reprezentacje. • Podkreśla niepowtarzalność i częściową niestabilność procesów poznawczych.

35. Bifurkacja • Bifurkacja = zmiana jakościowa punktów równowagi w wyniku niewielkiej ilościowej zmiany parametrów w układzie nieliniowym (zwielokrotnienie okresu)

36. Dynamicyzm • Proste składniki prowadzą do złożonych zachowań, często nieliniowych! • Liczne nieliniowe układy są stochastyczne, a inne deterministyczne, lecz chaotyczne. • Efekt motyla

37. Zasady dynamicyzmu • Układ poznawczy to złożony układ dynamiczny zmieniający się w czasie. • Do jego opisu używa się różnych narzędzi, często abstrahując od jego struktury wewnętrznej. • Nie reprezentacja, tylko sterowanie, sprzężenie i oddziaływanie!

38. Do zobaczenia za tydzień!