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1 8. 問題解決 (1) 問題解決とは (2) ヒューリスティクス (3) 問題の表象 の重要性 (4) 進化論的視点 (5) 人工知能と深層学習 人間の行為の多くには明確な目的がある 従って人間の行為は 問題解決的 である ドラクエから人生まで 認知心理学的視点 : 目的的な行為はいかにして可能なのか 人や機械にパズルなどを解かせる研究が多い 古典的研究 :Kohler(1927) 古典的研究 :Kohler(1927) AHA!= 洞察学習 問題解決の 3 つのポイント (1) 目標志向性 (2) 下位目標への分割 (3) オペレータ (operator) の選択 オペレータ : ある状態を別の状態へ移行させる行為や手続き 問題解決 = 問題空間内を検索する過程 その方法 (1) アルゴリズム (algorism, 計算手順 ) 四則演算 2 次方程式の解など (2) ヒューリスティクス (heuristics, 発見法 ) 明確なアルゴリズムがない状態で 問題空間内を探索する ( だいたいの当たりをつけて いくつかの可能性を試みる ) 認知心理学 人工知能研究はもっぱらヒューリスティクスに関心がある 1

2 (2) ヒューリスティクス 1 差異低減法 2 手段 - 目標分析 3 アナロジーの使用 1 差異低減法 difference-reduction method 初期条件と目標状態の差異をとにかく減らす ( 類似度を高める ) という方略 順番が重要 類似性ばかりに注目すると失敗する (2) 手段 - 目標分析 means-end analysis 基本的には 差異低減方略と同じ ただし差異を低減できない場合には柔軟に下位目標を設定し直すことが可能 つまり 回り道 ができる (2) 手段 - 目標分析 means-end analysis Newell and Simon の GPS(general problem solver) で採用された GPS はこれによって ハノイの塔 を解くことができた 2 手段 - 目標分析 1. 現状から目標へと進む 2 手段 - 目標分析 2. 差異を低減する 現状と目標を比較し もっとも大きな差異を検出せよ 成功 差異なし 差異検出 下位目標 : 差異を低減せよ 失敗 失敗 差異低減のためのオペレータを発見せよ 失敗 発見できず オペレータと現状をオペレータ比較し 検出最も重要な差異を検出せよ 差異なし オペレータ適用 成功 差異 検出 失敗 下位目標 : 差異を低減せよ 2

3 子供を保育所へ送る オペレータの発見 現状と目標の差は = 自宅と保育所の距離 距離 を低減するオペレータ = 車 現状と目標の差は = 車が故障 故障 を除去するオペレータ = 修理工場 現状と目標の差は = 工場へへ連絡してない 連絡してない を除去するオペレータ = 電話 現状と目標の差は = 電話は隣の部屋 隣の部屋 を除去するオペレータ = 隣の部屋へ行く 子供を保育所へ送る 差異の低減 隣の部屋に行き 電話をかける 工場に連絡がつき 工場から人が来る 車を修理し 直る 子供を乗せて車で出発 子供を保育所へ送ることに成功 2 手段 - 目標分析 Kotovsky, Hayes and Simon(1985) ハノイの塔 で 被験者はしばらく単純な差異低減を試みた後に ME に移行 Goel and Grafman(1995) 前頭前野損傷者は IQ が正常でも ハノイの塔 の成績が極端に悪く 特に 回り道 で困難を示した 前頭前野 長期的に満足のいく結果を得るために 短期的な満足感を先送りにするという選択肢を制御する能力 じっくり物事に取り組む = 知性と社会的人格の核となる能力 ヒトの進化の 500 万年で 脳の大きさは 3 倍になったが 前頭前皮質の大きさは 6 倍に 前頭前野 3 アナロジー Analogy ある問題の解法を別の問題に応用する 胃ガンの放射線治療 問題 胃ガンには放射線治療が効果的 しかし治療に必要な線量を照射するとガン以外の組織も破壊してしまう 機械的アナロジーで失敗する場合も 3

4 (3) 問題の表象 の重要性 問題解決には適切なオペレータの選択が重要である しかしオペレータの選択は 問題そのものをどう表象するか という 視点 に依存することがある 1 機能的固着 Functional Fixedness Maier(1931) 10 分以内 =39% のみ 1 機能的固着 Functional Fixedness Duncker(1945) 2 構えの効果 Set effects Lunchins(1942) 水桶問題 Einstellung 効果とも呼ぶ 2 構えの効果 Set effects Safren(1962) 手続き的ではない 意味的知識についても構えの効果が見られる アナグラム問題におけるリスト構造の効果 構造化されたリストは されていないリストより早い (Kmli,graus,teews,recma,foefce,ikrdn) (epn, itpuerc, idaro,reapp, noir, upc) 構造化 =7.4 秒 非構造化 =12.2 秒 3 孵化効果 Incubation effects 歴史上の 科学発明発見物語 Silveira(1971) 安物ネックレス問題 はずすのに 200 円 つなぐのに 300 円 1500 円でやってほしい 4

5 (4) 進化論的視点 4 枚カード問題 における内容効果 抽象型 :4 枚のカードがある 表に数字 裏にアルファベット 3 なら D というルールがあるとして これが正しいかどうかを確かめるには最低どのカードをめくればいいか 3 5 D K 非常にむつかしい 正答率 10% 程度 (4) 進化論的視点 4 枚カード問題 における内容効果 主題型 :4 枚のカードは 4 人の人物を表す 表に年齢 裏に飲み物 飲酒は 20 歳以上 が守られているかどうかを確かめるには最低どのカードをめくればいいか 酒茶 ほとんどの被験者が正解 (4) 進化論的視点 4 枚カード問題 における内容効果 Cosmides(1989): この現象は ヒトが社会生活の中で 裏切り者検知能力 を進化させた結果生じている ヒトの持つ高度な認知能力は 社会的問題 ( 他者との関係 ) を解決するために進化した (5) 人工知能と深層学習 人工知能 (AI) 研究は 認知心理学とともに始まった 研究者が大言壮語して研究費を獲得しては失敗 ということが続いた 3 回か 4 回くらいのブームがあった (5) 人工知能と深層学習 第 1 次ブーム (1960 年代 ): 推論と探索 第 2 次ブーム (1980 年代 ): 知識システム 第 3 次ブーム (2010 年代 ): 機械学習 現代では 深層学習 deep learning によってさらなる研究の飛躍が期待されている 1 第 1 次ブーム (1960 年代 ) 推論と探索 : あらゆる選択肢をしらみつぶしに調べる 手段ー目標分析とほぼ同じで 回り道を考えながら現状と目標の差異を低減する これで ハノイの塔 を解いた オセロ チェス 将棋 囲碁の研究へ しかしオセロでさえ選択肢が 10 の 60 乗もある 5

6 1 第 1 次ブーム (1960 年代 ) この方向性は 計算速度の向上のおかげでいくつかの成果を上げた 力まかせ である 1997 年 IBM の deep blue がチェスの世界チャンピオンを撃破 1 第 1 次ブーム (1960 年代 ) 2012 年 ボンクラーズが日本将棋連盟会長 ( 米長邦雄永世棋聖 ) を撃破 2014 年 将棋電王戦で将棋ソフトが人間相手に 4 勝 1 敗 ( 東大の 670 台のコンピュータを結合し 1 秒間に 3 億手を読んだ ) しかしこれは将棋に特化したソフトで 他のことは何もできない 2 第 2 次ブーム (1980 年代 ) Semantic Network 知識システム : 人間の意味記憶のようなものを構築する 人工の 意味ネットワーク である ELIZA(1964) はカウンセリングのような対話ができた つらいんです 何がつらいのですか? エキスパート システム の開発 2 第 2 次ブーム (1980 年代 ) 人工無能 も siri やツイッター上の ボット も同じ原理 2011 年 IBM の ワトソン はクイズ番組で全米チャンピオンを撃破 ( ウィキペディアに接続していた ) 2021 年までに東大合格を目指す 東ロボくん プロジェクト 2 第 2 次ブーム (1980 年代 ) おもしろいおもちゃが作れる しかし真に 意味 を理解しているわけではない 翻訳はすごく苦手 文脈などを入力することが困難だから Time flies like an arrow. タイムというハエは一本の矢が好きだ 6

7 3 第 3 次ブーム (2010 年代 ) 機械学習 (machine learning) ネットの情報を取り込んで自ら学習するシステム Google 検索はこの原理を駆使している 現代の人工知能は 探索推論 知識システム 機械学習を巧妙に組み合わせている 神経回路網モデル Neural Network Modeling 脳の神経細胞 ( ニューロン ) のしくみを模倣した機械学習のシステム 単純パーセプトロンの時代 (1950 年代末 ) 逆伝播法による並列分散処理 (PDP) モデルの時代 (1980 年代 ) 深層学習の時代 ( 現在 ) 神経回路網モデル 単純パーセプトロンの時代 (1950 年代末 ) 解ける問題に限界があることが数学的に証明された 現在のニューラルネットの基礎となっている 小脳パーセプトロン説 逆伝播法による PDP モデルの時代 (1980 年代 ) PDP( 並列分散処理モデル ) 誤差逆伝播法 (Backpropagation) 教師信号 をネット内で逆に入力する 入力層と出力層の間に 隠れ層 がある 3 層以上のモデルは 1967 年に甘利俊一が発表した 7

8 深層学習の時代 ( 現在 ) 深層学習の時代 ( 現在 ) 隠れ層を何層も作る すさまじい計算量が必要となるが コンピュータの能力の向上により 実用化された 深層学習の時代 ( 現在 ) Google(2012) は ユーチューブの画像 万枚を入力して ネコ認識 に成功 ネット上の大量のデータ ( いわゆるビッグデータ ) と 超高速計算で初めて可能になった 人工シナプス 100 億個からなるネットワークを構成し 1000 台のコンピュータを結合して 3 日かかって計算した 深層学習の時代 ( 現在 ) たいへんな時代になってきた しかしヒトのニューロンは数百億個 ニューロンの結合 ( シナプス ) の数は天文学的 Google もまだまだ 近い将来にヒトをしのぐ人工知能が登場するのか? Singularity( 技術的特異点 ) 8

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