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交互式发展计算:从经典到现代的理论与实践
理论计算机科学电子笔记141(2005)5-31www.elsevier.com/locate/entcs交互式计算:从经典计算到发展计算的垫脚石AntEscheronioCarlosdaRochaCostaa,b,2 GracalizPereiraDimuroa,3aEscoladeInform'atica,UniversidadeCatoo'licadePelanmar,Pelanmar,BrazilbPPGC,巴西摘要本文回顾和扩展了以前的工作领域理论的概念,机器开发。它总结了发展计算的概念,并展示了如何交互计算可以理解为从经典到发展计算的途径的一块垫脚石。一个关键的评价经典计算,显示在哪些方面,它的缺点往往会限制可能的演变,真正的计算机,以及如何互动和发展计算克服这些缺点。强调了发展计算比交互计算更具包容性的观点。概述了发展计算的形式化框架,并简要介绍了发展计算的前沿工作。关键词:交互计算,发展计算,领域理论,经典理论 计算1介绍在[5]中,第一作者介绍了一种域理论方法来对交互式和发展性计算进行概念分析该论文包括对人工智能和计算理论的认识论分析,旨在:1由CNPq和FAPERGS部分支持的工作。2电子邮件地址:rocha@atlas.ucpel.tche.br3电子邮件地址:liz@atlas.ucpel.tche.br1571-0661 © 2005 Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放访问。doi:10.1016/j.entcs.2005.05.0146AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)5(i) 为机器智能的概念建立一个健全的,建构主义的基础,作为计算机器及其环境之间功能交互的调节结构;(ii) 概述人工智能的自然主义方法,使人工智能的中心目的成为研究机器智能作为自然发生在计算机器中的基于物理符号系统的结构,而不是试图模拟人类思维。(iii) 表明这种结构只能根据建构主义的方法来理解,其中机器的智能是在适当的领域中发生的发展过程中的限制结构(iv) 为了明确这种开发过程只能发生在交互式计算的环境中,而且为了这种目的,交互虽然是必要的,但是是不够的,内部开发操作是这种过程不可或缺的补充组件关于上述第三和第四个目标,[5]中的工作旨在:(i) 通过对计算机科学的历史回顾,明确交互和发展的概念从一开始就存在于该领域(甚至更早,在控制论等领域);但是,由于各种原因(主要是经典计算中采用的计算有效性的限制性概念),它们总是保持潜伏,从未充分探索;(ii) 表明交互式和开发式机器可以超越经典计算(CC)的模型,在某种意义上引入计算概念范围的转变,将其从严格的算法计算过程带到非算法计算过程;(iii) 尝试性地介绍一些能够支持机器开发过程的基本开发考虑到[5]是在20世纪80年代末和90年代初详细阐述的4.我们在A. Newell [17].AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)57特别值得注意的是,这两项工作在确定经典计算的三个主要缺点方面是一致的,即:(i) 在计算过程中,机器作为一个封闭的系统运行,因此禁止交互;(ii) 在计算过程中只使用有限的资源,从而消除了有限的计算;(iii) 机器的结构在计算过程中保持固定,因此禁止了机器的进化和发展。另一方面,[5]基于不同的认识论原则,即皮亚杰韦格纳此外,已经沉睡了十年,这并不奇怪,在[5]开始的工作没有达到戈尔丁和合作者在他们后来的作品中达到的形式化程度[11]。本文讨论[5]的计算理论问题它的目标是,首先,定义发展计算,并将其与交互式计算联系起来。它还旨在强调[5]采用的域理论基础最后,它的目的是表明,发展性计算比交互式计算更具包容性。本文的结构如下。第二节对领域理论进行了总结。第3节表明,互动已经嵌入在著名的冯诺依曼第四节介绍发展计算。第五部分提出了发展性计算的领域理论框架。第6节给出了一个机器开发的示例模型。第7节涉及结论、相关工作以及发展计算当前前沿的简要概述。2基于领域的CC经典计算(CC)由图灵,丘奇,克莱因,波斯特,库里和其他人的基础工作解决,并在广泛使用的教科书中得到巩固,如克莱因[15]和罗杰斯[22]。域[1,14]是由Dana Scott作为数学结构引入的,它允许λ演算的模型,并支持编程语言的指称斯科特自己也做了各种各样的演讲,8AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)5±±联系我们--结构域的结构,例如,[23,25,26],特别是[24],其中域理论的一般思想以一种非正式的方式提出,与这里使用的方式非常兼容领域理论在计算机科学中引入了局部对象的概念,即部分(未完成)计算的结果。使用部分对象,域理论能够在有限计算中给出一阶公民的状态。每个无限计算都可以被赋予一个非平凡的意义,从而允许无限计算彼此区分,这样它们就不会被简单地视为发散的。2.1域域是一个有序的结构,其元素称为对象。域的对象被认为是计算的结果计算被看作是构造领域对象的过程域的对象根据每个对象参与其他对象的构造的方式进行排序 也就是说,如果x和y是定义域D的对象,并且x是y的一部分,则用xy表示。这种关系称为近似关系,x被称为是y.对象被称为部分对象,因为不可能构建其他对象的对象因为没有东西可以添加到它们上面,所以它们被称为全部(完全)对象。全对象是序±的最大元素。域的概念涉及到链的概念:给定一个域 D按关系±排序,D中的链是D的元素的任意有限或无限序列X={xii∈N,使得xixjwhenever iJ. 链在域中建模结构的最简单方法。2.2域示例对于下面的示例,我们选择使用最简单的域形式CPO是一个偏序集合,它有一个最小元素,并且每个链都有一个最小上界。例2.1设n =a,b是一个字母表,ω是N的基数。 上的弦的定义域,按前缀序排序,是结构D∞=(∞;∞,±),其中:(i) ∞=其中,n ={w:{0,1,...,n} → n |n∈N}<${n}是n上有限弦的集合,且<$ω={w |w:N → N}是无限字符串的集合AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)59∈±∈ ≤ ≤≤联系我们在…之上(ii) 对于所有s,t ∞,s ti ∞:(a) s,t ≠0且length(s)length(t),且对于所有0i lenght(s),碰巧s(i)=t(i);或(b) 对于所有的0≤i≤lenght(s),s∈π ω,t∈πω且s(i)=t(i);否则(c) s,t∈ω且s=t(iii) 是空串,并且对于所有s∈<$∞,D∞是一个CPO,因为每个有限或无限链X<$D∞都有一个最小上界HX∈D∞:要么X是有限的,HX是它的最后一个元素xn∈N,要么X是无限的,HX∈Nω(参见,例如,[1])。例2.2设N ={0,1,...,n,.. . }是自然数的集合。部分自然数的域是域P=(P;0,±),其中(i) P= N0,1,.,n,.. . ω,其中每个n称为部分自然数,每个n称为全自然数(ii) 0±p对所有p∈P,是整环的最小元素(iii) n±n,对所有n∈N(iv) n/±m对所有n,m∈N(v) n±ω,对所有n∈N(vi) n/±ω,对所有n∈N在P中,最有趣的链是以下形式之一(i) 以部分自然数结尾的有限链:0,1,...,n(ii) 一个以全自然数结尾的有限链:0,1,...,在叱(iii) 部分数的唯一无限链,不包括总数:0,1,...,n,.我们应该注意到w是部分数的无限链的极限(lub)。2.3计算作为域中的构造。域D中的计算可以被视为元素x0,x1,.,xn(分别为,x0,x0,...,xk,.. . ).在给定时刻t的计算状态由到该时刻为止已经构造的(部分)对象给出。如果,在时间t,计算已经构造了部分对象x0±x1±.的序列。±xt,然后xt是计算在时间t的状态(假设x0是10AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)5⊥± ±±± ±±H{}{}在时间0计算构造的第一个部分对象由一个完成的计算构造的对象被称为它的产品或结果。如果一个计算在时间t结束,到那时为止,它已经构造了一个部分对象序列xX1...xt,则xt是计算的最终结果如果一个无限计算构造了一个链x0x1...XK... 的对象,该计算的结果是该链的极限,由该链在域中的最小上界给出:x0,x1,x2,. . .因此,无限计算的结果是理想对象,是构造它们的计算的极限通常,计算中的初始元素是x0=,这意味着在计算开始之前没有任何可用的结果例2.3假设一个程序P在纸带上打印一个字符串,字符串为a,b。序列,s1,s2,...,它在时间t之前已经打印的部分串的st可以被读取为它在时间t之前已经产生的部分结果st的构造。每当P停止打印时,它产生的字符串序列中的最后一个字符串就是P的最终计算结果。如果P从不停止在纸带上打印字符,那么它产生的字符串序列是无限的,它的计算是无限的,这种无限计算的结果是属于D的无限字符串。注意,当vew有ve乘以t,tJ满足t≤tJwe有vest±stJ。例2.4设P是计算列表大小的程序。给我一份名单对于P作用于L的可能结果,我们有以下情况:(i) 在P开始之前,它没有计算L中的元素,但是P可以告诉我们L中至少有0个元素。所以P打印0。(ii) 在计数一段时间后,但在到达L的末尾之前,P可以告诉我们L中至少有k个元素。所以P打印k。(iii) 如果L是有限的,P最终会到达列表的末尾,并且能够告诉我们列表中正好有n=length(L)个元素。所以,P打印n。(iv) 如果P永远不会结束对L中元素的计数,我们从P中得到的最好结果是无限序列0,1,.,k,. 其中P每次都告诉我们它能保证L中存在的元素的最少数量。我们得出结论,在L中有ω(无限多)个元素我们注意到,严格地说,计数是一个不能仅使用总自然数的集合N来充分建模的过程,因为因此AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)511→不能表示计数尚未完成的中间情况,但是某些信息已经可用,即,在被计数的集合中存在至少一定数量的元素计数只能被忠实地建模为包含2.4域中计算的约束域和域上的操作需要满足一组约束,这些约束使它们保持在直观上“可计算操作”的可接受限度内主要的制约因素如下:1) 从给定对象计算结果对象不应减少产生的对象的结构,如果额外的部分被添加到初始对象。也就是说:更好的投入不能成为更差的产出的借口。2) 有限结果的计算不应该依赖于作用于无限对象的操作也就是说,有限输出只能依赖于输入对象的有限部分。这种要求对于计算机来说是很自然分别被称为单调性和连续性。形式上:可计算函数f:D1→D2应该是单调的(x±y)且连续的。ous(f(HX)=Hf(X),其中X是D中的任何对象链)。程序在域上的计算步骤可以看作函数f:D D.因此,任何程序的计算步骤都需要满足上述两个约束,并且程序应该被开发为仅生成具有这些特征的计算步骤。例2.5可以看出,任何输出字符串的过程都这同样适用于生成任何其他类型对象的字符串的过程,例如计数过程的部分结果2.5领域及其在计算概念中引起的转变Domain在概念上的重要性在于它们为计算理论提供了无限计算结果的概念。如前所述,这一概念本身就背离了CC的框架为了掌握无限(非终止)计算结果概念的可用性在计算理论上引起的概念转变的大小,请将该概念与罗杰斯的声明进行比较,在他的讨论中,12AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)5在他的[. . .我们是否应该要求,在给定任何输入和给定任何指令集P的情况下,我们“提前”知道计算需要多长时间?我们建议对这个问题不作这样的肯定回答[.] ].因此,我们只要求计算在有限步数后终止。].在CC中,计算的有效性是在概念丰富性的最低可能水平上取得的:有效性被认为是在有限时间内交付有限结果的能力有趣的是,将这一要求与图灵的原始想法进行对比限制理论的计算研究的递归函数的整数,以及随之而来的可能性,认为只有有限的计算是有用的,似乎我们连接到的e-ort的理论变成一个经常性的学术课题,e-ort在其中Kleene,罗杰斯和其他人强烈从事在20世纪50然而,这种限制的后果是,研究实数上的递归函数(图灵最初的目标)被置于理论的主流,同时考虑到无限计算的必要性如下文所示,域理论清楚地表明,与CC所要求的结果的严格有限可交付性相比,对象可交付性是一个更丰富的概念,因为构造的有效性不需要是连续的。既不是在时间上,也不是在空间意义上的有限性。52.6经典计算理论的研究领域和缺陷仅仅考虑Domain理论固有的某些计算概念就足以暴露经典计算概念的严重缺陷对相互作用的概念的思考使这一点变得更加明显。第一个缺点是:CC-1:在CC中,非终止计算是没有意义的。基于连续性的概念,缺乏限制的概念,第五,不确定性和不确定性不是同义词。有限性涉及到计算可用的总资源:有限计算只能涉及有限数量的资源。有限性涉及计算的每一步中使用的资源的有限性:在无限计算中涉及的资源的总和很可能是无限的。开发计算,作为交互式计算,被认为是无限的,而不是有限的。AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)513近似顺序支持,防止CC能够处理部分对象,即使当构成其标志的操作模型(图灵机,λ-演算约简等)任何细心的眼睛都可以看到这种局部物体的内部处理要看到这一点,所发生的是,在计算终止之前,这样的对象不能从机器输出,也就是说,在计算终止之前,机器的用户不被强制允许使用计算的部分结果域理论暴露的CC的第二个缺点是:CC-2:CC执行输入输出映射,而不是构造。对输入-输出映射的计算的限制是由相互作用的概念暴露的CC的最严重的缺点,如从对反应系统的研究(例如,[21]),并一再强调韦格纳戈尔丁。这种批评被领域理论所强化。在构造的概念中,并没有什么东西要求聚合步骤的顺序受到限制,以至于只有一个单一的交互步骤发生,一个初始的完整对象被给定,一个最终对象被(可能)接收回来,并且在这之间发生的一切都隐藏在构造机器中,从外部无法访问。可以说构造步骤是输入-输出映射[11],因此如果构造在经典意义上是有效的,则是图灵可计算的,并且构造只不过是一系列这样的图灵机计算步骤。这将把域构建描绘成韦格纳·戈尔丁意义上的交互过程但问题是,域理论中没有任何东西要求构造步骤是图灵可计算的。也就是说,域的结构中没有任何东西限制构造成为经典计算:域理论指向一个概念框架,在这个框架中,CC作为广泛的可计算性概念的下界出现,与作为对象构造的宇宙的域相容换句话说,域理论与非算法计算的概念是兼容的。也就是说,CC的第三个缺点是:CC-3:在CC中,有效是算法的同义词。本文采用图灵可计算宏步的迭代重复,14AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)5[34]的交互式图灵机模型,在其特殊情况下称为持久图灵机[11],将计算作为图灵机计算的迭代序列在某种意义上,该模型将其自身置于图灵机控制的图灵机计算的迭代重复的框架中。人们甚至可以设想由不同机器执行的宏步骤的交错,允许各种图灵机程序的受控重复,在管理器图灵机的监视下实现,能够测试共享的工作带以决定在下一宏步骤中激活哪个特定的图灵机计算作为域中构造的概念比交互式图灵机模型更进一步,因为它打开了一种可能性,即非图灵可计算构造步骤的非图灵控制序列以基于具体物理符号系统的方式被认为是有效的这种可能性是发展计算概念的核心3关于IC在本节中,我们总结了[5]中关于交互概念对发展计算概念的中心地位的论点3.1互动与丘奇自从它[5]中的论文并不是为了证明丘奇错了而写的。意图完全是另一回事,即,明确的限度的有效性丘赫的论文,限制内教会是正确的丘奇计算是数学函数的计算,也就是说,运算作用于完全定义的输入对象。经典计算的标志,如Church的论文所描述的,是计算是对输入对象执行一系列操作,这些操作取自一个确定的[6]参见[13]关于丘奇命题起源的另一个解释AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)515结果在一个确定的输出域中产生一个对象,其中所有对象也被完全定义。计算过程中没有任何东西可以改变输入和输出域中对象的性质和结构,没有任何东西可以改变这些域,也没有任何东西可以改变正在处理的输入对象CC的第四个缺点是:CC-4:经典的计算机在计算时作为一个封闭系统运行,因此无法改变其输入对象,因为这种改变需要机器环境。没有一个经典的图灵机可以模拟一个在计算过程中输入对象被改变的计算过程,因为所有经典的图灵机都要求在机器开始操作之前输入对象被完全在经典计算的意义上,在输入数据被完全定义之前,没有算法可以应用于输入数据。在经典图灵机中,输入输出操作不是交互式的:它们分别发生在计算开始之前和计算结束之后。输入对象根据输出对象的构造过程进行修改的计算是交互式输入-输出操作发生的计算。CC模型只能通过交互式输入输出操作来扩展,但代价是放弃了Church、Turing、Kleene、Post和其他人对解决希尔伯特的Entsheidungsproblem(决策问题)的基本承诺希尔伯特图灵[27]。而且,图灵和所有其他人都强烈致力于将他们的计算模型保持在希尔伯特提出的过程模型所建议的范围交互式计算不仅仅意味着在机器运行期间交换输入输出对象的可能性。这也意味着输入对象不需要在计算开始之前完全定义,因此计算产生的输出对象不需要由输入对象的严格函数依赖(在数学意义上)随着计算的进行,输入和输出对象都可以动态地、递增地定义。允许交互的基本特征是将输入对象和输出对象集成在一起。16AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)5作为计算过程的真正参与者,在计算过程中发挥着积极的作用。如果环境是计算过程的积极参与者,那么计算就不再是希尔伯特意义上的机械的也就是说,在CC赋予该术语的限制意义上,它不再有效但是,当然,它仍然可能是有效的,机械的,在更广泛的,基于物理符号系统的意义上。3.2交互式计算和冯·诺依曼计算机然而,这种情况并不是说,某种(可能是遥远的)(可能很难想象的)域结构的想法,对一种(可能是未来的)非常特殊类型的计算机的计算进行建模,可能有一天会揭示一个(可能是奇怪的)不能由经典计算执行的对象构造的例子事实上,即使是日常的计算机-冯·诺依曼计算机的输入-输出行为允许交互式计算,将这种计算机的计算域转移到了与丘奇论文所设想的非常遥远的领域简单的事实是:图灵机是冯·诺依曼计算机的完美操作模型,只有当冯·诺依曼计算机以非交互方式操作时,也就是说,当它们计算数学函数时。只有在这种特殊的、受限制的操作模式下运行时,冯·诺依曼计算机才能被丘奇命题所包含除了引入环境作为计算的积极参与者,并赋予它通过检查输入对象的结构来实现输出对象的构造过程的能力之外,冯·诺依曼为可编程计算机[3]设计的体系结构还支持CC机模型中不存在的其他重要特性冯·诺依曼计算机将图灵图灵通过将存储程序的概念(以及数据和程序的二元性的相关特征)结合到他的计算机模型中,并将这种特征与在计算期间动态输入输入对象的可能性结合起来,冯·诺依曼引入了一种可能性,AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)517这背离了图灵机所允许的计算可能性的本质,即程序在计算过程中被环境动态修改的可能性也就是说,通过支持数据和程序指令之间的二元性,关于存储在存储器中的对象(使得在进行计算时输入的对象不仅被允许解释为数据,而且被允许解释为程序指令),并且通过将这种可能性与作为计算过程中的主动参与者的环境的集成相结合,冯·诺依曼计算机允许计算,其中不仅输入和输出对象在计算开始时不是预定的,而且将控制计算的程序也不是预定的。任何正在运行的程序都可以聚集新的指令,删除现有的指令(用空指令代替它们),或者通过将交互式输入到机器的数据转换为这样的指令,使其任何事实上,正是这种对运行在计算机上的程序的结构和行为进行交互修改的特征,允许了操作系统的概念,只有冯·诺依曼计算机才能支持,这使得它们成为真正的通用计算机。7因此,在冯·诺依曼计算机中,计算机和环境(用户)是允许合作,并且它们合作的可能性相当于引入联合计算的概念:为了理解计算机在给定情况下将做什么,为了能够预测在它开始计算之后将发生什么,必须同时查看计算机和环境,因为在计算中(并且一般来说,在机器的整个寿命期间)将发生什么取决于这两个元件的行为的接合。换句话说:运行程序的交互式修改的可能性使冯·诺依曼计算机成为位于机器中的机器,也就是说,交互式机器的行为只能与它们所处环境的控制器相联系才能被完全理解。体现在冯·诺依曼计算机中的交互性和情境性表明,即使机器结构是固定的,程序和计算也不需要如此:结构固定的机器可以用程序进行计算,[7]看来,尽管开发创新的非冯·诺依曼计算机付出了一切努力,但实际上没有一台能够支持完整的操作系统,因此只能成为特殊用途的计算机。18AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)5可以交互地修改,也就是说,其结构可以根据计算机和环境之间的相互作用而改变,从而确定可以修改的计算过程,从而交互地控制其结构和目标。另一方面,我们注意到,Wegner Goldin的交互式机器程序的例子还没有考虑到运行程序的交互式修改的特征,尽管这个特征可以很容易地在他们的程序中引入,因为他们有通用的在这种双重交互式计算能力的基础上,冯·诺依曼在20世纪50年代早期已经在计算领域引入了这种计算能力[5]的这一中心结果表明,计算机技术一直是基于IC的概念,而交互并不是计算机技术发展中的新事物(如Wegner [30]所建议当前的一个问题,然后,是描述这个更广泛的概念的有效性,超越了狭义的经典计算的有效性并能够包括至少冯诺依曼计算机的不可否认的有效性当然,韦格纳·戈尔丁(Wegner Goldin)的工作是这一方向的一块基本垫脚4发展计算发展计算(DC)背后的基本原理是,调节复杂的有组织的动力系统的原则是相同的,独立于组成这些系统的元素的性质,因此,调节生物有机体内部动力学的一般原则与调节复杂的、交互的、基于发展物理符号系统的计算系统的一般原则之间不应该有形式上的差异。因此,迈向DC的关键步骤不是技术步骤,因为[5]中对计算机科学的历史分析表明,这一步骤的主要技术成分已经存在了几十年。迈向DC的关键一步是概念上的认识论步骤。它在于用复杂动力系统的一般理论的基本概念(如组织、发展和适应)取代CC的基本概念(如机器、程序和算法计算)。AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)519为了能够执行这样的步骤,应该采用这样一种复杂有组织动力系统的一般理论。在[5]中,皮亚杰在[19]中揭示的生物有机体的一般理论被采用。这一理论不仅仅是一个一般的生物学理论,事实上是一个复杂的、相互作用的和发展的动力系统的一般控制论理论,这就是它被采用的真正原因。本节介绍了发展机器,并解释了两个对DC至关重要的一般发展概念,即平衡(发展)和适应。它还给出了一个发展计算的例子,表明DC比IC更具包容性4.1开发机器通过探索交互式输入-输出的可能性,一台计算机可以与环境交换对象,这些对象可以被解释为数据和程序,这取决于计算机控制单元的结构和功能所确定的解释规则但是,根据计算机和环境共同控制的计算,让非预定程序控制来自非预定输入对象的输出对象的非预定构造的这种可能性,暴露了经典计算中隐含的一个假设,这个假设仍然渗透到冯·诺依曼计算机中:计算机在固定的控制结构下运行,具有固定的原始操作集无论计算机和环境如何相互作用,无论输入和输出对象在这种相互作用下如何演变,无论环境如何变化,由于其开放的性质,计算机的控制结构是固定的,不受其控制的计算的变幻莫测冯·诺依曼计算机中的交互性和情境性还不足以让这种机器探索进一步的可能性,这种可能性可以将计算的能力提升到更高的水平,即随着计算的进行,计算机的结构发生变化的可能性,从而扩展具有超越交互的发展特征的IC。将冯·诺依曼计算机视为定位计算机的考虑直接暴露了CC的一个重要缺点CC-5:经典计算机具有固定的控制结构。DC涉及计算机的控制结构可以动态修改的系统。特别是,它涉及计算系统,20AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)5机器控制结构的改进可以理解为发展那么,立即提出的问题是,如何克服计算机结构的不稳定性?一个可能的答案是模仿生物有机体发现的解决方案:安排系统结构的元素受分子生物学启发的编程模型[4])肯定会作为这样的问题的答案来源。也就是说,充分利用计算概念的可能性,要求人们设想一种计算机器,这种计算机器不仅能够与其环境交换信息对象,而且还能够交换物质对象,以便这种物质交换可以支持机器开发的过程。在涉及计算机和环境的联合计算的情况下,并且在它们之间存在物质交换的可能性,计算机和环境的结构都不是预先确定的,结果是,即使计算机控制单元的控制规则在计算期间也不需要固定。我们称发展计算为任何计算机结构能够发展的计算。随着计算的进行,我们对DC提出以下要求DC-1:发展中的计算机在计算时可以改变它们的控制结构,通过改变环境中的物质对象.借助域,DC可以被视为涉及一种特殊类型 也就是说,计算机本身的构造。这允许区分计算的两个方面,当被视为构造时:一方面,计算构造由计算机器处理的对象;另一方面,计算可以构造机器本身(如果它是一个发展机器)。4.2机器开发和机器自主性在DC的背景下,计算目的的概念必须重新思考。因为,如果机器对物体的构造可以被看作是为了满足环境(机器的使用者)的需要或要求,那么构造机器本身的目的又是什么呢后一个问题似乎接受两种答案。 首先,可以看到机器的构造可以服务于环境(用户)的某些目的,因为更发达的机器可能被期望执行更好的服务。第二个,有点出乎意料的答案是,AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)521机器的构造可以用于机器本身的某些目的后一个答案肯定是一个认识论的除数,它将机器的两个不同概念分开:自主机器,即被赋予自己的目标的机器;和他治机器,即没有自己的目标的机器,它的工作主要是为了实现环境的目标(参见[6]试图在多智能体系统的背景下给出自主性的功能定义一个问题,如果计算机器是可能的,这是自主的,但不是一个生命存在于自己还没有解决。因此,我们必须继续注意,下面的一切都是基于一个未经证实的假设,即假设可能存在自主的计算机器,但不是自己存在的生物。8对于这样的计算机,机器构造的过程应该是一种发展,由内部原则指导,致力于修改机器,以便使其以更好的方式运行,为了机器本身的功能。4.3为什么发展是一个物质概念,而不是一个信息概念人们可能会问,为什么发展意味着与环境进行物质交换答案是,由于不可能由非物质结构执行计算(即使在人类头脑中执行,似乎计算也需要物理系统的支持,即大脑),很明显,每个计算过程的能力都受到执行它的物理系统的计算能力的限制因此,如果在计算系统中发生发展,意味着执行新计算过程的能力不断增长,则这种发展意味着底层物理系统的相关发展模拟不是问题的解决方案:模拟过程的限制当然,模拟器不可能产生比模拟器本身更强大的模拟系统甚至元级架构中的元级过程也不是解决方案:元级语言的层次结构注定要由一个有限的计算系统来支持,其计算能力限制了元级程序可能打算在给定对象级程序上引入的任何我们在计算机器和生物之间采取如此强烈的区别,因为否则,如果我们假设这两种实体之间没有本质上的区别,我们就会把计算机科学嵌入生物学中,这不是我们的意图。22AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)5只有当计算机本身能够在物理上发展,能够在其控制结构中真正创造出操作上的新颖性时,发展才是一个可以真正引入计算过程的概念,以创造出以前不可能的新颖的操作和存储结构的形式正如生物学所教导的那样,物理系统的发展需要系统与环境交换物质元素。信息的交换对于发展计算过程的目的是不充分的,因为信息可以管理操作的实现和信息存储的占用,但信息本身既不能创建操作所需的物理操作符,也不能创建数据存储所需的物理结构4.4为什么信息不能穷尽相互作用的可能内容经典计算认为计算是一个逻辑的、信息的过程,它独立于执行它的系统的物理性质。这种观点,尽管足以面对希尔伯特提出的Entscheidungsproblem,但不符合计算机作为混凝土机器的工程观点,其性能消耗能量并削弱了用于建造它们的材料的物理性质如果信息被认为是一个物理基板上的模式,两个系统之间的模式的交换并不需要它们之间的物质元素另一方面,物质交换可以在两个系统之间发生,而不必在它们之间交换信息:这就足够了,这种交换发生在系统之间的信息界面没有干扰的水平上,任何一个系统都不会然而,除了交换信息之外,在它们之间交换物质要素的系统是可以在比仅交换信息的系统更丰富的层次上潜在地相互作用的系统:它们可以直接促进彼此的发展。当然,如果一个系统是一个发展的系统,那么它的发展就可以受到与其环境交换的信息的影响,因为系统的发展机制很可能受到系统中所包含的信息的也就是说,一个系统的物质发展但应该明确的是,信息交流本身并不支持发展因此,一个更好的发展计算机器的图片是,除了交换信息(程序和数据)交换材料元素与环境。AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)5234.5平衡和适应:DC的基础。经典计算基于机器、程序和计算这三个基本概念,它们足以支持异构对象的构造过程。DC的目的是超越经典计算,因为机器从环境中的从属对象提升为环境中的参与者,从用户的工具提升为他们的合作者。因此,DC关注的对象构造过程是由属于机器本身的目的所导向的这意味着DC的基本概念应该支持这种内部目的,并允许能够表达内部和外部目的的对象构造过程通过分析皮亚杰[18,19,20]提出的一般生物学和心理学模型,包括他的生物和认知结构发展模型,我们认为两个基本概念应该被纳入计算机器以利用其发展过程,即内部调节的对象构建过程,称为平衡,以及机器适应环境的动态概念。4.6平衡。一个简单的、非正式的定义是:DC-2:平衡是物体自我调节的构造过程。首先,我们注意到,自我调节结构在计算理论中并不是一个新的想法约翰·冯·诺依曼自己探索了它们,以定义具有接近人脑的可靠性特征的计算机器[28]。在皮亚杰之后,我们把平衡看作是一个过程,它贯穿于计算机的一系列发展阶段。在每一个发展阶段,机器都能够以某种方式构造特定类型的内部和外部对象,这取决于它在该阶段可用于此目的的操作集发展阶段是根据其发展程度来排序的,而发展程度是由该阶段可用于对象构造的操作集的丰富程度来确定的当发展被看作是一个领域中的一个构造时,发展阶段的顺序由领域的近似关系平衡过程有两个维度,即历时维度和共时维度[20]。历时维度是规范发展过程本身的维度。也就是说,它规定了24AC 科斯塔,G. P.Dimuro/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 141(2005)5机器从一个开发阶段转换到下一个开发阶段的方式。主要平衡是用来表示平衡的历时过程的名称。共时性维度是负责在每个阶段调节内部和外部对象的构建的小平衡是应用于这种过程的名称。我们进一步注意到,在开发中构造的对象的概念包括实现机器内部动态的操作符,因此包括对象构造器本身。也就是说,皮亚杰的4.7适应。适应与平衡是相关的,在这个意义上,平衡过程为计算机产生更好的适应资源,而适应不良则是平衡过程中需要新步骤的指标随着机器通过一系列开发阶段的发展,在适应过程的监督下,它越来越适应环境,因为在每个新阶段,由于在每个新阶段变得可用的对象构造器集合更丰富,内部和外部对象的构造过程变得适应是根据两个辅助概念来定义的(i) 同化:机器能够将其当前可用操作的集合应用于内部和外部对象以实现其当前目标的过程。(ii) 适应:机器能够调整其当前操作集的过程,以便使它们更好地适用于内部和外部对象,以实现其当前目标。因此,适应被定义为:DC-3:适应是每一种所需的同化都是可能的情况,因为在给定的环境中,每一种所需的操作都可以执行,每一种所需的适应都是可能的,因为在内部和外部操作中的每一种所需的调整也都可以执行。主要的平衡推进了适应的阶段,因为更多的内部和外部对象可以用更复杂的操作来处理因此,主要平衡是发展的核心因素[20]。另一方面,适应的进展需要更复杂的发展阶段,这只能通过重大平衡来实现。
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