Алгоритмы и процедуры относятся к категории операционных знаний, которые представлены информацией о способах изменения фактуальных знаний. Иначе говоря, эти знания задают процедуры преобразования. Часто для обозначения этих знаний используется термин «процедурные знания», однако следует иметь ввиду, что операционные знания могут быть представлены как в процедурной, так и в декларативной формах.

Алгоритм – предписание, однозначно задающее процесс преобразования исходной информации в виде последовательности элементарных дискретных шагов, приводящих за конечное число их применений к результату.

Под процедурой понимается блок с наличием или отсутствием формальных параметров, выполнение которого может быть организовано с помощью вызова.

Выделяют три крупных группы алгоритмов:

Вычислительные. Как правило работают со сравнительно простыми видами информации, но сам процесс вычисления может быть долгим и сложным.

Информационные. Представляют собой набор различных процедур, работающих с большими объемами информации (асинхронные, вложенные, внешние, встроенные, главные, командные, присоединенные, рекурсивные и др.).

Управляющие. Характеризуются тем, что информация к ним поступает от внешних процессов, которыми она управляет (вешние, каталогизированные, присоединенные, регистрации, управляющие и др.). Результаты работы этих алгоритмов представляют собой различные управляющие воздействия.

Также, как правило, алгоритмы могут быть «жесткими» и «мягкими». Главный принцип «мягких» вычислений – терпимость к неточностям и частичной истинности для достижения интерпретируемости. «Мягкие» вычисления дополняют друг друга и используются для решения задач при работе с неопределенностью.

12. Эмпирические закономерности. Определение, характеристики.

Эмпирическая закономерность – это существенная и постоянно повторяющаяся, неочевидная, практически полезная и доступная интерпретации взаимосвязь информационных единиц, необходимая для принятия решений в различных сферах человеческой деятельности. Неочевидность в определении означает, что найденные закономерности не обнаруживаются стандартными методами обработки информации или экспертным путем. Практическая полезность означает, что выводы имеют конкретное значение, которому можно найти практическое применение. Выделяются 5 типов эмпирических закономерностей:

1) Ассоциация – структурная связь, показывающая, что объекты одного класса некоторым образом связаны с объектами другого или того же самого класса. С понятием ассоциации связаны четыре важных дополнительных понятия: имя, роль, кратность и агрегация.

Во-первых ассоциации может быть присвоено имя, характеризующее природу связи. Смысл имени уточняется указанием направления, в котором должно читаться имя. Другим способом именования ассоциации является указание роли каждого класса, участвующего в этой ассоциации. Кратностью роли ассоциации называется характеристика, учитывающая, сколько объектов класса с данной ролью может или должно участвовать в каждом экземпляре ассоциации. Наиболее распространенным способом задания кратности роли ассоциации является указание конкретного числа или диапазона. Агрегатные ассоциации необходимы в том случае, если между двумя (или более) классами имеет место отношение «часть-целое». Если в ассоциации «объект-часть» последняя компонентная часть только одного объекта-целого, то такая агрегатная ассоциация называется компонентной

2) Последовательность – определяемая высокой степенью вероятности цепочка связанных по времени событий, фактов, ситуаций. С этой позиции ассоциация является частным случаем последовательности с временным лагом, равным нулю.

Правило последовательности: после события (факта, ситуации) Х через определенное время произойдет событие (факт, ситуация) У.

3) Кластер – это объединенное в группу множество схожих объектов. Кластер можно охарактеризовать как группу объектов, имеющих общие свойства. Цель кластеризации – поиск структур, имеющих внутреннюю однородность и внешнюю изолированность. Кластеры могут быть непересекающимися (эксклюзивными) или пересекающимися.

4) Предиктор – шаблон, адекватно отображающий динамику поведения целевых показателей (прогнозирования, предсказания). Термин может быть истолкован в «широком» и «узком» смысле. В «широком» смысле это та исходная характеристика объекта, по которой можно с большим или меньшим основанием предсказать другую целевую характеристику этого объекта. В «узком» смысле понятие «предиктор» приобретает дополнительные ограничения, связанные с количественным выражением и оценкой статистической достоверности прогноза.

5) Опорное множество – подмножество признаков (свойств, атрибутов), характеризующих группу, к которой принадлежит тот или иной объект классификации. Основные типы опорных множеств:

Всевозможные подмножества множеств признаков N;

Всевозможные комбинации признаков (свойств, атрибутов) из K элементов по всему дескриптору;

Все варианты локального – максимального сжатия признакового пространства, при условии различимости описаний объектов классов, тупиковые тексты;

Все варианты локально-максимального сжатия признакового пространства, при условии сходства описаний объектов одного класса – тупиковые связки;

Другие возможные комбинации признаков.

Различают следующие виды знаний:

1) в соответствии с этапами приобретения знаний наблюдателем:

- декларативные (фактуальные). Описывают отдельные факты и отражают количественные и качественные характеристики предметной области. Образуются после этапа описания и обобщения фактов;

- понятийные (системные). Содержат определения понятий и их свойства, а также описывают взаимосвязи между понятиями. Формируются в результате установления связей;

- процедурные . Задают закономерности поведения предметной области, описывая последовательность действий, которые могут использоваться при решении задачи. В простейшем случае это описание способа решения задачи в виде алгоритма. Формируются в результате установления закономерностей;

2) по зависимости от предметной области :

- универсальные – общие знания о законах внешнего мира, например, о законах времени и пространства реального физического мира, о закономерностях причинно-следственного характера, логического характера. Эти знания применимы практически к любым предметным областям;

- специальные – знания, характерные только для определенной предметной области. Например, для эвклидовой геометрии на плоскости знания должны содержать теорему Пифагора и т.д.;

3) по степени абстрагирования от предметной области:

- глубинные – образуются как результат обобщения первичных понятий в некоторые абстрактные структуры;

- поверхностные – совокупность эмпирических ассоциаций и отношений между понятиями предметной области для стандартных рассуждений и ситуаций;

4) по степени структурируемости представляемых описаний :

- концептуальные – выражают свойства реальных объектов через систему понятий. Описание понятия включает описание его компонент, указание его связи с другими понятиями, а также операциональную часть, содержащую зависимости между компонентами понятий;

- экспертные – получены от специалистов-экспертов предметной области. Включают накопленный практический опыт, навыки и профессиональные приемы в деятельности экспертов. Играют наиболее важную роль в слабо структурированной предметной области.

Примером фактуальных знаний могут служить следующие наблюдения эксперта: «Студент Иванов сдал экзамен по информационным технологиям на 2. Он будет экзамен пересдавать». Эти знания можно назвать и поверхностными , поскольку им не свойственны обобщения.

В результате систематизации приведенных выше фактуальных знаний можно выделить в описываемой предметной области следующие понятия и свойства: студент – фамилия; дисциплина – название; экзамен – (дисциплина, студент, оценка); пересдача экзамена необходима, если оценка равна 2. Эти знания относятся к понятийным .

Наблюдения эксперта за процессом сдачи сессии студентами и последующие обобщения этих наблюдений могут сформировать следующие закономерности, задающие правила пересдачи экзамена: если экзамен не сдан, его следует пересдавать; экзамен не сдан, если оценка равна 2; экзамен не сдан, если студент не явился на экзамен; экзамен не сдан, если студент отказался от ответа. Это пример процедурных знаний.

Одновременно все приведенные в примерах знания являются специальными : они относятся только к сфере обучения в вузе.

И понятийные, и процедурные знания из примера являются глубинными , поскольку получены в результате обобщений и систематизации. В то же время декларативные знания здесь - поверхностные – это всего лишь «фотография» действительности.

Все приведенные примеры знаний относятся к концептуальным : их процедурная часть, по сути, задает алгоритм определения исхода экзамена: сдан - не сдан. Однако на практике иногда опытному преподавателю приходится идти навстречу студенту-неудачнику и в качестве аванса ставить положительную оценку, ожидая в дальнейшем «исправления» нерадивого студента. Это происходит, когда преподаватель чувствует позитивное начало в студенте и верит ему нá слово. Такой воспитательный прием, как правило, оправдывает себя: студент берется за ум и начитает работать более ответственно, а экзамен впоследствии пересдает. Таким образом, практика включает и экспертные знания, зависящие от опыта специалиста.

Знания делятся на декларативные и процедурные .

Информацию мы получаем в виде некоторых сообщений. Сообщение – это и речь, которую мы слушаем (радиосообщение, объяснение учителя), и воспринимаемые нами зрительные образы (фильм по телевизору, сигнал светофора), и текст книги, которую мы читаем и т. д.

Но всякое ли сообщение несет для нас информацию?

Сообщение на китайском языке пополняет наши знания?

Нет, т.к. непонятно.

Сообщение «Дважды два – четыре» пополняет наши знания?

Нет, т.к. не содержит новых сведений.

Вывод: Сообщение содержит информацию для человека (является информативным), если содержащиеся в нем сведения являются новыми и понятными.

Получение любых знаний должно идти от известного к неизвестному, от простого к сложному. И тогда каждое новое сообщение будет понятным, а значит будет нести информацию для человека. На этом должно быть основано всякое обучение.

Определение 1

Декларативные знания – это знания об объектах и явлениях окружающего мира, которые носят описательный характер.

Замечание 1

Отличительной особенностью декларативных знаний является то, что это знания типа «что».

Понятие декларативного знания

Еще в Древней Греции знания начали разделять на «прикладные» и «высоко-теоретические». Данное разделение не является строгим, скорее оно условно. К вопросу о делении повторно обратились в 30-50 годах 20-го века. Рассмотрением проблемы занималось достаточно большое количество ученых. Часть из них вели свои индивидуальные исследования, некоторые же объединялись в группы и коллективы. В основном исследования в этом направлении проводились в США и Европе. Было предложено несколько терминов и классификаций знаний, однако общепризнанным является следующее их деление, по форме описания:

1. Декларативные знания
2. Процедурные знания

Замечание 2

Декларативное знание – это термин, которым обозначают любое знание, к которому люди имеют осознанный доступ, выражающийся определенным способом.

Примером декларативных знаний может быть процесс освоение печати на компьютерной клавиатуре. С течением времени, человек, который очень много и часто печатает, уже перестает смотреть на клавиатуру в поисках нужной клавиши, он полагается на свои знания их расположении. Именно эти знания и принято называть декларативными знаниями. А вот то, что пальцы попадают в нужные усилия почти без осознанных усилий – это процедурные знания.

Для того, чтобы показать наглядно отличия декларативных и процедурных знаний, было проведено достаточно большое количество исследований. Наиболее ярким примером их отличий являются исследования, проведенные среди людей, страдающих амнезией. У этих людей отмечалась полная утрата декларативных знаний, при полном сохранении процедурных знаний.

Замечание 3

Декларативные знания – это знания, которые сохраняются в памяти человека на уровне его интеллектуальной системы.

Исходя из этого, данные знания становятся доступны при непосредственном обращении к конкретному полю человеческой памяти. В основном декларативные знания необходимы для представления информации о фактах и свойствах из конкретной предметной области. По своей форме декларативные знания являются противоположным процедурным знаниями. Это связано с построением процедур получения и хранения знаний, а также некоторыми спецификами предметных областей. Семантические и синтаксические знания представляются несколько отдаленными, что придает форме декларативных знаний большую общность и универсальность.

Определение 2

Процедурные знания – это знания, которые хранятся в памяти интеллектуальной системы в виде описания процедур, при помощи которых можно их получить.

Чаще всего человек использует процедурные знания для того, чтобы получить необходимую информацию о том, как решать задачи в различных проблемных областях, а также с целью получения инструкций, методик и т.д. Процедурные знания позволяют человеку отказаться от хранения всех иных состояний, необходимых для построения решения и выводов. Достаточно ограничиться только лишь хранением некоторых начальных состояний и процедур, генерирующих нужные состояния на основании начальных. Процедурные представления оказывают влияние на семантику, посредством введения в описание элементов базы знаний. Это позволяет значительно повысить эффективность осуществляемого поиска нужных решений за счет возможности использования более сложных конструкций, а также возможность исключения обработки полных описаний.

Замечание 4

Таким образом, процедурные знания обеспечивают более быстрый поиск необходимых решений, нежели декларативная форма представления знания. Однако процедурные знания значительно уступают декларативным, в возможности накопления знания и при необходимости их коррекции.

Основные характеристики декларативного знания

Основные характеристики декларативных знаний:

Отвечают на вопросы – Что? Как это было (бывает, бывал о, случается и т.д.)? Что я чувствую (думаю)?

Распространены в таких научных областях как культурология, философия, художественная критика, искусствоведение.

Уровень сложности и трудозатрат в получении: получение довольно легко, для усвоения необходимых декларативных знаний человеку иногда хватает одного учебного занятия, а в случае самостоятельного освоения: прочтения книги, одного вечера и т.п.

Количество разработчиков – в основном один человек (исследователь, ученый), реже их группа.

Предоставляют следующие возможности:

• рассуждать умно на различные темы, без совершения каких-либо действий;
• писать авторские тексты и защищать их на публике (статьи, книги, диссертации и т.д.);
• выступать на различных конференциях и семинарах;
• делиться своим знаниями с окружающими.

1. Методы и средства проверки декларативных знаний не разработано.

   Практическое применение – позволяют человеку «неглубоко», то есть образно рассуждать в определенной сфере или по определенной теме.

   Распространены в основном в крупных городах.

Данная характеристика декларативных знаний является общепризнанной. Однако имеются и авторские. Так, английский физик лорд Кельвин в изданных им в 1884 году лекциях описал декларативные знания так: «Это то, что мы понимаем, те знания, которые приобретаются нами на основании естественных природных процессов».

Вопрос о значимости декларативных знаний рассматривается и в настоящее время. Считается, что именно на их основании каждый человек способен построить необходимую механическую модель, воспроизводящую процесс во всех его частях.

По мнению исследователей в области психологии представляют декларативные знания в виде базы данных. Декларативная база данных состоит из метазнаний, которые описывают их определенные знания.

Определение 3

Метазнания – это часть декларативных знаний, которые используются в процессе решения определенных задач и относятся к высшему уровню интеллектуальной системы человека.

Таким образом, декларативные знания позволяют системе иметь ответы на вопросы что это такое.

С формальной точки зрения знание с трудом поддается формализации, систематизации и точному описанию вообще. Само по себе знание зависит от конкретного человека, от уровня его образования, жизненного опыта, профессии, особенностей психики, эмоциональности.

Факторов восприятия знаний достаточно много. Существенно и неоспоримо лишь то, что это восприятие развивается во времени в сознании того, кто воспринимает то или иное знание. Важно понимать - знание может быть представлено тем, кто его воспринял и передал другому субъекту, но без гарантии той же точности восприятия и понимания.

Что связывает людей между собой в понимании сущности знаний?

Знания, которые необходимы человеку для жизни, учебы и работы в большинстве своем воспринимаются и понимаются всеми людьми эквивалентно. На тривиальное предложение: «Попробуйте привести примеры декларативных и процедурных знаний» и русский, и китаец, и американец ответят незамедлительно, но если любой из них уже много лет как программист, будет проблема с ассоциациями.

Профессия накладывает на восприятие человека отпечаток, а то, что это восприятие однозначно допускает, человек может не ассоциировать с такими простыми школьными понятиями. Сомнительно, что по данному примеру профессиональный программист вообще вспомнит слово «процедурный» и отнесет его к знанию, хотя перед этим он не задумываясь выполнил декларирование переменных, написал функцию передачи информации с сайта на сервер. Специалист знает, что это такое, но нет никакой ассоциативной связи.

Значение слова "декларация" не понимает только ребёнок из детского садика. Декларации составляет каждый в аэропорту, на таможне, в налоговой, но не каждый сообразит, что такое декларативное знание.

Таким образом, школьник начальных классов и взрослый человек на простой вопрос: "Приведите примеры своих декларативных и процедурных знаний" могут просто не ответить, но не потому что не знают. Сначала нужно предварительно пояснить, что декларативное знание что-то описывает, а процедурное знание - определяет алгоритм действий.

Представления о декларативном знании

Описать предмет, явление, продукт питания или станок можно по-разному. Поиск в Интернете по фразе «декларативные знания, примеры» дает такие ответы: «Любое знание о мире, к которому человек имеет осознанный доступ» или «Декларативные знания записаны в памяти интеллектуальной системы так, что они непосредственно доступны для использования после обращения к соответствующему полю памяти».

Сказано в обоих случаях красиво, но к декларативным знаниями - это имеет слабое отношение. Во-первых, любое знание о мире можно изложить декларативно, даже если оно по природе своей - очевидный алгоритм. Во-вторых, какое значение имеет наличие или отсутствие «осознанного» доступа.

Бывает ли восприятие информации не осознанным? Но если восприятие было неосознанным (это реально), то как бы оно восприняло именно знание, а не сигнал, не ощущение, не реакцию? Имплантировать в мозг знания пока умеют только фантасты при помощи сложных механизмов.

В-третьих, какое имеет отношение к делу память интеллектуальной системы? Называть программу интеллектуальной или нет - вопрос воображения. Кроме того, сегодня нет ни одной программной системы, которую можно объективно назвать интеллектуальной.

Представления о процедурном знании

Здесь всё сложнее. Умение жарить яичницу, умение открывать дверь или умываться - не воспринимается, как процедурное знание. Всё это настолько привычно и естественно, что все мыслимые и немыслимые действия, которые обычно выполняет человек, он не воспринимает как алгоритм.

Все люди по природе своей программисты, но писать программы умеет не все. А из тех, кто умеет это делать, программистов ещё меньше. Если упростить ситуацию и попробовать среди профессиональных программистов найти тех, которые могут написать реально объектно-ориентированную, полностью рекурсивную на уровне каждого компонента программу, то это будут единицы.

Реальность в этом случае не проходит через барьер привычности и не воспринимается как процедурное знание, но если просто подсказать в чём дело, любой человек приведет примеры декларативных и процедурных знаний не только из собственного опыта, но на примере любых событий, явлений и обстоятельств.

Примеры декларативных и процедурных знаний

Яблоко зеленое - это декларативное знание. Футбольное поле - тоже. Но яблоко может быть не только зеленым, да и не яблоком вовсе. Чтобы отличить настоящее яблоко от изготовленного из воска, потребуется знание того, как оно выглядит в реальности и другие отличия (запах, текстура, форма).

С футбольным полем посложнее. Определив определенную поверхность как футбольное поле, можно совершить ошибку. Приехал друг и ему назначена встреча на футбольном поле. Естественно, он будет искать место, где есть ворота, трибуны и классическая футбольная разметка.

Процедурное знание:

• кулинарный рецепт;
• сборка автомобиля;
• написание сочинения или стиха.

В последнем случае все сложнее. Нужно обладать определенные знаниями, чтобы писать стихи. По условиям, существуют различные требования к рифме или стилю письма.

В алгоритме всегда труднее ошибиться, чем в описании. Процедурное знание, как правило, тестируется на предмет работоспособности. Декларативное тоже требует проверки, но какой именно - определяет область использования декларативного знания.

Для художника, отображающего примеры такого знания (зеленое яблоко и футбольное поле) совершенно безразлично, что он рисует. Для него важно передать форму, цвет, пропорции, отобразить то, что он видит. Для покупателя на рынке совсем другая система ценностей. Форма и цвет фрукта покупателя меньше волнует, чем его потребительские качества. Для человека, которому назначили встречу на футбольном поле важны критерии, позволяющие принять однозначное решение.

Программирование и знания

Самый лучший критерий для декларативного и процедурного знания - аксиомы из области программирования. Причем программирование 80 годов прошлого века в этом контексте практичнее. В те времена четко было понятно описание данных, то есть: что такое декларативное знание. Любое такое описание четко обозначено: компьютер никогда не прощает ошибок.

Современное программирование не обязывает программиста строго декларировать то, что он намерен обработать, а в некоторых случаях, вообще не предъявляет никаких претензий, если он чего-то описал не так.

Процедурное знание всегда четко регламентировано. Понятие синтаксиса в описании алгоритма или процедуры настолько важно, что без конкретных условностей и обозначений признать процедурным его никак нельзя.

Рассматривая декларативные знания, примеры: «я знаю, что...» можно четко сформулировать два момента:

• пример - это одно;
• я знаю, что... - это совсем другое.

Пример в большинстве случаев (в образовании, на производстве, в быту) четко определен и люди, имеющие о нем представление, понимают его смысл одинаковым образом. Человек, который пришел учиться, работать или оказался в другом месте, определяет смысл примера по-своему, у него есть два пути: настаивать на своем или изменить свое собственное мнение о конкретном знании.

Интеллектуальные системы и знания

Декларативные знания, как примеры - это описательные части программ. Имеется ввиду не описание переменных, а описание реальных данных. Например, штатное расписание, карточка сотрудника, трудовая книжка, благодарность и другое. Любой из этих документов - реальное декларативное знание.

Процедурные знания, как примеры - это функции (процедуры) = алгоритмы действий, причем не обязательно последовательных. Процедурное знание - это не всегда рецепт, который следует исполнить последовательно.

Процедурное знание характеризуется вложенностью, рекурсивностью, независимостью и взаимодействием с себе подобными. Оно может учитывать декларативные знания, но правильнее будет сказать: процедурное знание извлекает из декларативного только то, что оно рассчитывает получить.

При таком варианте и реальном положении вещей декларативные знания - примеры безукоризненно исполненной статики. Что до процедурных, то в данном контексте они всегда статичны. Любая сверхтехнологичная современная интеллектуальная или экспертная система не ответит на простой до безумия вопрос: "Попробуйте привести примеры декларативных и процедурных знаний".

Классического синего экрана от Windows не будет, но решения - тоже. Критерий интеллектуальности любой программы вовсе не в том, как её называет разработчик, какой рейтинг он составил, а в том, что может делать это изделие за пределами его воображения.

Вероятно, история программирования просто умалчивает о достижениях специалистов и станет известно, когда появились первые системы, которые манипулировали знаниями сами по себе, а не так, как было заложено их автором.

Однако известно, что в период очередной волны интереса к искусственному интеллекту была создана программа, которая имитировала ситуативную стадию интеллекта человека ("Лиси"). Разработчик позиционировал её как систему накопления ситуативных (декларативных) и репродуцирующих (процедурных) знаний и самостоятельного их применения. Чему научилась, то и сделала.

К системе имели доступ другие разработчики. Автор обучил ее простым знаниям: "мама", "мяч", "играть", "скажи папа", "мяч круглый" и другое. Коллеги по работе решили иначе и научили "Лиси" математике: 1+1 = 1; 1 x 0 = 0; 2 x 0= 0.

Всё это не имеет никакого отношения к искусственному интеллекту, но все же факт, что правильное понимание сути декларативных и процедурных знаний позволяет более эффективно их использовать. Кроме того, четкое обозначение знаний имеет важное значения для понимания людьми друг друга.