Informationsverarbeitung - Universität Konstanz

Informationsverarbeitung
Universität Konstanz
Die Repräsentation der Umwelt

Hirnevolution

Energieaufwand
Unser Gehirn verbraucht sowiel Energie wie eine Glühbirne.

Evolutionäre Perspektive
� Die Umwelt ist variabel und komplex.
� Lebende Systeme können ihre Funktion jedoch
nur innerhalb bestimmter Umweltbedingungen
(Temperatur etc.) aufrechterhalten.
� Sie benötigen sie ein gewisses Maß an Konstanz.
� Deshalb haben sich im Laufe der Evolution
adaptive Systeme entwickelt.

Adaptation
� Anpassung einer Spezies durch Evolution
� Anpassung durch Reaktionen
> Interne Änderungen (Atmung ändern, etc.).
Ist gewöhnlich unwillkürlich.
> Externe Änderungen (Bewegung, Manipulation,
Kommunikation).
Ist willkürlich.

Voraussetzungen
� Jedes adaptive System benötigt mindestens drei
Mechanismen:
> Rezeptoren umVeränderungen zu registrieren.
> Effektoren um darauf zu reagieren.
> Mechanismus um Rezeptoren und Effektoren
miteinander zu verbinden.
� Alle drei Mechanismen variieren mit dem Grad der
Intelligenz.
� Einige der Verbindungen sind so, dass
Umweltveränderungen kompensiert werden.

Stufen der Informationsverarbeitung
Stimulus
Information
Perceptual
Processes
Decision Making and
Response Selection
Response
Programming
and Execution

Die Welt ist variabel
� Wärme, Nahrung, Gefahr ist ungleichmäßig in
Raum und Zeit verteilt.
� Neben der Variation gibt es auch die Kovariation.
� Bestimmte Veränderungen der Umwelt sagen
andere Veränderungen vorher.
� Dies ermöglicht: Wissen, Lernen, Denken.

Komplexität
� Die Welt ist komplex.
� Es gibt viele Quellen der Variation.
� Für bestimmte Vorhersagen sind einige relevant,
andere nicht.
� Das ermöglicht Informationsreduktion:
> Selektion
> Kombination

Zustände als Wissen
� Adaptive Systeme gleichen Variation aus, deshalb
geben ihre Zustände Auskunft über die externen
Zustände.
� Dies ist eine allgemeine Definition von Wissen
(z.B. Wärmeregulation).

Intelligenz
� Menschliche Intelligenz besteht aus vielen
Komponenten.
� Ebenen der Intelligenz:
> Wissen
> Lernen
> Denken
� Intelligenz ist die Kapazität, Wissen zu verändern.

Drei Intelligenzstufen
� Level 1: Systeme haben nur Wissen. Veränderung
nur über selektive Reproduktion.
> Führt zu Instinkten.
� Level 2: Wissen und Lernen. Instinkte und
Gedächtnis.
> Individuelles Lernen.
� Level 3: Wissen, Lernen und Denken.
Reorganisation von Wissen. Denken, Planen,
Vorausschau.
> Exekutive Kontrolle.

Turm des Erzeugens und Testens
Nach: Daniel Dennet (1995)
� Darwinsche Geschöpfe
� Skinnersche Geschöpfe
� Poppersche Geschöpfe
� Gregorianische Geschöpfe (R. Gregory)

Darwins Geschöpfe
> Entwicklung durch natürliche Selektion
> Gesamte Verhalten hervorgerufen durch Gene
> Fehler sind kostspielig
> Entwicklung ist langsam

Reflexe
� Auf der Inputseite gibt es sensorische Muster für
bekannte Bilder und Geräusche.
� Auf der Outputseite gibt es Schemata für bekannte
Bewegungen.
� Sind beide fest verbunden, spricht man von
Reflexen oder Instinkten.

Informationsreduktion
� Auf der Stufe des Zwischenhirns:
> Reduzierung der Mannigfaltigkeit in der Umwelt auf
eine beschränkte Anzahl von Standardsituationen.
> Denen entspricht gleiche Anzahl von fertigen
Reaktionsprogrammen (Instinkte).
> Individuelle Besonderheiten werden unterschlagen
(Generalisierung).
> Austauschbarkeit individueller Partner.

Schlüsselsignale
� Zwischenhirnwesen (z.B. Hühner).
� Solche Wesen kennen keine Objektkonstanz.
� Z.B. Hennen picken auf alles, was sich dem Nest
nähert.
� Nur auf Küken nicht, es sei denn es piepst nicht
(Versuch mit verklebten Ohren).
� Piepsen des Kükens ist das Schlüsselsignal.
� Schlüsselsignale führen zu enormer
Informationsreduktion.

Attrappe wird bevorzugt

Forts.

Forts.
� Reflexe sind Reaktionen von Muskelsystemen auf
Muster der Nervenstimulation, die ohne
Vermittlung durch Erfahrung in der Außenwelt
zustande kommen.
� Bei variablen Reiz-Reaktionsverbindungen
müssen die Tiere lernen.

Skinnersche Geschöpfe
> Lernen durch Versuch und Irrtum.
> Statt des ganzen Körpers stirbt das Verhalten aus.
> Entwicklung ist schneller.

Lerntypen
� Klassische Konditionierung
� Operante Konditionierung
> Skinner wies auf die Ähnlichkeit zwischen Operanter
Konditionierung und natürlicher Selektion hin.

Repräsentation der Umwelt
� Reflexe oder einfache Reiz-Reaktionsverbindungen
reichen für komplexes Verhalten
nicht aus.
� Dazu ist eine genauere Repräsentation der
Umwelt notwendig.
� Folge von Nervenimpulse werden in Objekt
verwandelt (erfahrungsabhängig).
� Jetzt erfolgt Reaktion auf Objekte.

Forts.
� Objekte, Raum, Zeit müssen konstruiert werden.
� Dazu nahm die Größe des Gehirns zu.

Poppersche Geschöpfe
> Handlungen können im Kopf geprobt werden,
Ergebnisse vorgestellt.
> Hypothesen “sterben” anstelle von Individuen.
> Errreicht von manchen Säugern und Vögeln.

Gregorianische Geschöpfe
> Intelligenzverstärker durch Werkzeuge, Meme.
> Besonders wichtig ist die Sprache.
> Wird nur von Menschen erreicht.

Objekte
� Objektkennzeichnung (Repräsentation,
Integration) ist der Ursprung des Bewußtseins.
� Wichtig könnten auch soziale Beziehungen sein
(Repräsentation von Anderen und deren
Absichten).

Information
� Die Varianz in der Umwelt, kann auch als
Information konzeptualisiert werden.
� Demnach kann ein Organismus auch als
informationsverarbeitendes System betrachtet
werden.
� Dies führte in der Psychologie zu Theorien der
menschlichen Informationsverarbeitung.

Atkinson-Shiffrin Modell

Bahnbrechender Artikel
� George A. Miller (1956). The Magical Number
Seven, Plus or Minus Two: Some Limits on Our
Capacity for Processing Information. The
Psychological Review, 63, 81-97.

Beurteilung der Tonhöhe
Pollack, I (1952). The information of elementary auditory
displays. J. Acoust. Soc. Amer., 24, 745-749.

Limit
� “The result means that we cannot pick more than
six different pitches that the listener will never
confuse. Or, stated slightly differently, no matter
how many alternative tones we ask him to judge,
the best we can expect him to do is to assign them
to about six different classes without error.”
(G.A. Miller)

Spanne von Absolut-Urteilen
� Unsere eindimensionalen Urteile sind auf etwa
sieben Kategorien begrenzt.

Überwinden der Beschränkung
� Es gibt Möglichkeiten, die Beschränkung zu
überwinden. Z.B.:
> Relative anstatt absolute Urteile oder
> Erhöhung der Dimensionen in denen sich die Reize
unterscheiden

Gedächtnisspanne
Daten von Hayes über die Gedächtnisspanne als Funktion des
Informationsgehaltes einzelner Items des Testmaterials.

„Chunks“
� “In order to capture this distinction in somewhat
picturesque terms, I have fallen into the custom of
distinguishing between bits of information and
chunks of information.” (G.A. Miller).

Bits versus Chunks
� Die Anzahl von Bits ist konstant für Absolut-
Urteile.
� Die Anzahl der Chunks ist konstant für das
Kurzzeitgedächtnis (immediate memory).

Umgehung der Begrenzung
� Da das KZG eine feste Anzahl von Chunks
umfaßt, können wir die Anzahl von Bits, die es
halten kann, erhöhen, indem wir größere Chunks
erzeugen, die mehr und mehr Bits enthalten.

Umkodierung als Hilfe
Möglichkeiten, eine Sequenz von Binärzahlen
umzukodieren.

Fertigkeit (Skill)
� Die Chunkbildung ist wichtig beim Erwerb von
Fertigkeiten (Experten).
� Beispiel Morsen:
> Zuerst hört man jedes dit und dah als separates Chunk.
> Bald werden mehrere Töne als Buchstaben
wahrgenommen,
> dann ganze Wörter,
> schließlich sogar ganze Satzteile (Phrasen).

Morsen: Senden und Empfangen
Nach: Bryan & Harter (1897)

Schach
� Chunking hat vielfältige Auswirkungen auf
unsere Repräsentation der Welt und unsere
Leistungen.

Aufgabe 1
Inspektion 5 s Reproduktion aus Gedächtnis

Ergebnis

Aufgabe 2
Inspektion 5 s Reproduktion aus Gedächtnis

Ergebnis

Wissensrepräsentation
� Deklaratives Wissen
> Wahrnehmungsbezogenes
Wissen (bildlich, Listen)
> Bedeutungsbezogenes Wissen (Propositionen,
Schemata)
� Prozedurales Wissen (Fertigkeiten)

Mentales Scannen
Eckpunkte danach klassifizieren, ob sie auf der obersten oder
untersten Außenkante liegen oder nicht.
Richtig wäre: ja, ja, ja, nein, nein, nein, nein, nein, nein, ja.

Nicht-visuelle Aufgabe
� Sätze wie:
> Ein Vogel in der Hand ist nicht im Busch.
� Klassifikation der einzelen Wörter ob sie ein
Substantiv sind oder nicht.

Drei Antwortmodi
� Zeigen (siehe Grafik),
� Klopfen,
� Sprechen.

Ergebnis
Die Vorstellung war räumlich, nicht visuell, wie
nachfolgende Exerimente gezeigt haben.

Mentale Rotation
Drehung 80° in Bildebene Drehung 80° in Bildtiefe
Keine Übereinstimmung

Rotationszeit
Rotation Bildebene Rotation Bildtiefe

Denken bei Schimpansen

Semantische Gedächtnisstruktur
Collins & Quillian (1969)

Vorhersagen
� Semantische Netzwerke erlauben, Wissen aus
Wissen abzuleiten.
� Sie erlauben damit auch, Aussagen auf ihre
Wahrheit zu überprüfen.
� Dies wurde in vielen Experimenten gestestet.

Hypothetische Gedächtnisstruktur
Nach: Collins & Quillian (1969)

Hierarchie Tiere

Erinnerung of ALGOL Wörtern
Abgeleitet aus der Reihenfolge der Erinnerung
Novize Experte
Nach: McKeithen, Reitman, Reuter, & Hirtle (1981)

Novizen Experten
Gillan, Breedin, & Cooke (1992)

Physikalische Symbolhypothese
� Programm LOGIC THEORIST (Newell, Shaw &
Simon, 1956).
� Intelligente Leistungen lassen sich allein mit
Symbolmanipulationen erklären.
� Problemlösen ist Symbolmanipulation anhand von
vorgegebenen Reglen.

Informationsverarbeitung
� Newell & Simon (1972) betrachteten den
menschlichen Problemlöser als
Informationsverarbeitungssystem.
� Das System:
> besteht aus einem zentralen Prozessor,
> bekommt sensorischen Input,
> operiert auf einen Gedächtnissystem, das aus
symbolischen Strukturen besteht,
> produziert Verhalten, Aktionen.

Problemlösen
� Erzeugen von Wissen aus Wissen und Handeln.

Problemdefinition
� H. Simon (1969): „Gegeben ein Zielzustand und
einen momentanen Zustand. Die Aufgabe eines
adaptiven Organismus besteht darin, den
Unterschied zwischen den beiden Zuständen zu
finden und ihn zu beseitigen.“

General Problem Solver (GPS)
� GPS (Newell & Simon, 1969) umfaßt folgendes:
> Übersetze das Problem in Ausgangszustand, Zielzustand
und erlaubte Operatoren.
> Halte die Verbindungstabelle im Gedächtnis, die die
Unterschiede zwischen den Zuständen beschreibt.
> Zerlege das Problem in eine Hierarchie aus Zielen und
Unterzielen, die näher zum Ziel führen.

Forts.
> Wende Problemlösetechniken an (Mittel-Ziel-
Analyse)
> Gehen zum nächsten Unterziel, wenn eins erreicht ist.
� Das Ganze wird durch eine Exekutive überwacht.

Wissensarten
� Drei Arten von Wissen werden verwendet:
� Fakten
� Algorithmen
� Heuristiken

Problemraum
Schiebepuzzle:

Schach

Robotics

Eine neue Disziplin

Ein neuer Ansatz

Fazit
� Der Mensch ist das Ergebnis der Evolution
� Deshalb hat er bestimmte Charakteristika der
Informationsverarbeitung.
� Dies muss sowohl bei der Modellbildung als auch
bei der Konstruktion von Mensch-Maschine-
Systemen berücksichtigt werden.