读《哥德尔、艾舍尔、巴赫：集异璧之大成》有感

Final Project

对人类的认知过程的探索 ——读《哥德尔、艾舍尔、巴赫：集异璧之大成》有感

本书目录

• 【一】形式系统
• 【二】讨论形式系统的意义
• 【三】递归可枚举集、递归集概念
• 【四】维持意义的标准：一致性、完全性
• 【五】递归现象
• 【六】意义的层级、可理解性
• 【七】命题演算
• 【八】某命题演算系统
• 【九】对命题演算系统编码
• 【十】层次现象
• 【十一】从不同层次理解大脑
• 【十二】思维是可理解的
• 【十三】递归集在程序领域中的意义
• 【十四】哥德尔不完备定理
• 【十五】思维现象：跳出系统
• 【十六】思维现象：自指、重复
• 【十七】是否存在“银弹”
• 【十八】AI目前的进展
• 【十九】AI可能的突破点
• 【二十】思维现象：怪圈

选题原因

• 本书是人工智能领域影响深远的一本奇书，书中大量的篇幅在解释哥德尔不完备性定理，并将其与其他领域的例子对照，包括艾舍尔的画以及巴赫的音乐。企图通过这种方式来对人类的认知进行深入的理解，为人工智能领域提供理论基础和探索的思路。
• 数学、艺术、音乐：
  • 哥德尔第一不完备性定理：任意一个包含一阶谓词逻辑与初等数论的形式系统，都存在一个命题，它在这个系统中既不能被证明也不能被否定。
    • 哥德尔的初衷是想要证明希尔伯特的第二个问题（证明算术公理系统的无矛盾性），但是最后却在算术系统本身当中发现了无法解决的悖论。一个比较简单的版本是：
      • 下面这个句子是假的。
      • 上面那个句子是真的。
    • 这两句话相当于构成了一个循环，书中把这种循环成为“怪圈”。
  • 画家艾舍尔笔下的怪圈
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  • 巴赫在乐集《音乐的奉献》中有一段“无穷升高的卡农”利用了一种叫做「谢泼德音调」的音阶处理方式。在这部卡农中，音调一直在转高，但是到了最后，这个怪圈又绕回了C调，形成了一个怪圈。

关于此书

• 作者：Douglas R. Hofstadter（侯世达）
  • 侯世达是一位跨学科的通才，但是他将自己的研究领域定义为认知科学。他对计算机程序准确而创新的描述，以及对我们大脑中“秘密软件的结构”的描绘，开启了一代人对人工智能的探索。
• 简介：
  • 集异璧－GEB，是数学家哥德尔、版画家艾舍尔、音乐家巴赫三个名字的前缀。《哥德尔、艾舍尔、巴赫书：集异璧之大成》是在英语世界中有极高评价的科普著作，曾获得普利策文学奖。它通过对哥德尔的数理逻辑，艾舍尔的版画和巴赫的音乐三者的综合阐述，引人入胜地介绍了数理逻辑学、可计算理论、人工智能学、语言学、遗传学、音乐、绘画的理论等方面，构思精巧、含义深刻、视野广阔、富于哲学韵味。
  • 中译本前后费时十余年，译者都是数学和哲学的专家，还得到原作者的直接参与，译文严谨通达，特别是在原作者的帮助下，把西方的文化典故和说法，尽可能转换为中国文化的典故和说法，使这部译本甚至可看作是一部新的创作，也是中外翻译史上的一个创举。
• 评价：
  • "Every few decades an unknown author brings out a book of such depth, clarity, range, wit, beauty and originality that it is recognized at once as a major literary event. This is such a work" ——Martin Gardner, Scientific American
  • "In some ways, Godel, Escher, Bach is an entire humanistic education between the covers of a single book. So, for my next visit to a desert island, give me sun, sand, water and GEB, and I'll live happily ever after." ——John L. Casti, Nature
  • 被称为人工智能的《圣经》
  • 曾获得“普利策非小说奖”

Curriculum Content

Week 4

Theme: Story Telling

• 单子(Monad)：
  • 本周的课程中，老师从单子Monad的概念引入，通过单子的反差对应形成Composition。复合构图又分为水平复合构图(Horizontal Composition)以及垂直符合构图(Vertical Composition)。
• 几种箭头：
  • 1）比较两个对象的箭头——函数(Function)
  • 2）比较两个系统的箭头——函字(Functor)
  • 3）比较两个比较的方法——自然转换(Natural Transformation)
  • Summery：箭头也可以理解成函数间的映射，比较的层级越高，这个映射就越抽象，压缩性越高。
• 范畴论(Category Theory)
  • 可用来将我们已知的知识进行整理，简化。
  • Wikipedia可以作为这个过程的载体，作为一个词典。
  • 所有类型的事物都可以用箭头来表示，箭头提供了一个认知事物的统一的符号

Week 5

Theme: Historical Data, Writing, Accounting, and Causal Reasoning

• 文字的发明与记账的需求：
  • 卢卡·帕乔利Luca Pacioli在一本数学教科书（Accounting Balancing Equation）中发表：Asset = Liability + Equity
  • Assets = Liability + Equity and H = T + V：内在的统一性，金融与物理学之间的相通性。它们提供了一种分解保守资源总量的方法，因此允许迭代分支，从而实现连续复制。这种平衡和循环系统建立的思想是相同的，在生物或经济等复杂系统中同样适用。
• 记账方式的变革，给范式转移创造机会
• 最小的信息的单元：箭头
  • 1）基于箭头和标签可以实现逻辑推演，进行函数与多项式的运算
  • 2）利用箭头作为算元与算符可建立代数体系
• 解密：问题要可被描述，可建模，规则要有一致性，通用性。并且在一定的空间与时间的限制条件下，可以被解决。

Week 6

Theme：知识表达

• 所有的数据结构都是偏序集
• 函子是一种可以穿透多层次系统的数据映射机制，可表函子可将系统映射到一个集合范畴
• 两个问题之间同伦性
  • 可通过将系统拆分和整合，将两个看似不同的问题相互转换
  • 两个问题等价，可以与数学中最基础的“等于”类比，等价相当于更加抽象层次的等于。两个问题等价，就能使用同一套方法（系统）来解决。
• 系统工程
  • 系统工程中的难点在于跨领域的知识管理、模型复杂度高、定调过早导致机会被屏蔽。
  • 通过将系统的拆分和整合将一个复杂的系统的各个部分转化为已知的，已解决的一种方案，套用这种方案的格式来解决每一个小问题，再组装成一个复杂系统。
• 判断一个程序能否终止？
  • 将一个复杂的程序抽象成一个晶格化的点阵，将程序中复杂的对象都抽象成点。通过近似估计等方法计算点与点之间的距离，来判断程序需是否能够停止。

Book Report

关于实践

• 范式作为包含符号概括、模型、价值、方法的学术共同体的团体承诺的集合，同时表现为科学共同体共同仿效的研究实例（范例）。“范式作为共有的范例”这一洞见，反映了实践领域的重要问题。
• 《科学革命的结构》一书第五章详细探讨了规则与范式的关系，概括如下：范式作为规则系统，同时表现为共有的范例。科研工作者往往是从具体的范例中把握范式并指导常规科研实践，而非抽象地学习和服从规则，这是因为：首先，从范式中充分地总结出全部规则并得到科学共同体的普遍认可是难以实现的，因为范式的内涵十分丰富而难以抽象概括；其次，以人的有限性，即使能全部认识这些规则，也难以全面地遵从。常规科学工作者往往是在对范式的模拟中展开研究的，即面对新的问题时寻找其与熟悉的范例的相似之处，“照葫芦画瓢”，就像学生学习教材上例题后利用相似性去解答其他问题，这是不难实现的。
• 中国古代学问以实践为根本指向，以“即器存道”为基本方式，对其合理性和必要性深有醒觉。之所以要在具体的实践案例中学习如何实践，一方面因为实践原则十分丰富而难以抽象把握，另一方面因为只有具体实例才能感化内心，引发心灵深处的共鸣，实现知行合一。
• 无论是常规科学实践，还是人伦日用实践，都依靠即器存道。库恩在指明范式作为范例指导实践地同时，也强调当范式尚未确立或受到挑战时，其中规则的抽象概括和争论是必要的。同样地，在一般实践问题出现争执时，实践原则的抽象讨论也是必要的。因此，强调“即器存道”并非彻底否定“离器言道”。

不可通约性

• “不可通约性”无疑是本书的一个重要洞见。世界存在很多不可通约的不同体系，不仅具体观点不同，而且检验和比较不同观点的价值标准也不同，甚至就连一些最基本的认识（如概念的定义、对世界的观察）也大相径庭。
• 无论是认知世界的方式还是实践的取向都不只有一种模式，不同模式各有其合理性。站在一定的立场中去看待异己可能觉得其完全不可理喻，但在是非和善恶的判断中仍应当持谨慎态度。
• 其次是相对主义的问题。多元性是否一定导致相对主义，即认为不同取向（认知模式或行为方式）之间一律平等，不存在绝对的真理或普遍性的善——库恩对这一问题处理得很好。简而言之，没有绝对的体系，但有在体系之外的绝对的检验标准，例如科学范式的解题能力，或实践取向是否肯定生命。因此，多元性并不一定导致相对主义，多元性和普遍性可以也应当实现平衡。