КОГНИТИВИСТИдейное ядро²Прологи
Пролог 27. Шум когнитивных процессов
Прологи: наука о сознании становится точной
Манифест когнитивиста
.
Узелки на распутку
.
Прологи
Пролог 1. Когнитивный порядок
Пролог 2. Сигнатура характерного масштаба
Пролог 3. Степенной закон
Пролог 4. Три типа степенных распределений
Пролог 5. Закон Зипфа, сигнатура β = 1
Пролог 6. Цветные шумы, сигнатура α = 1
.
Пролог 7. Розовый шум и модель Бака-Снеппена
Пролог 8. Розовый шум и модель релаксации
Пролог 9. Розовый шум: шипелки и фрактальное блуждание
Пролог 10. Население городов и закон Зипфа
Пролог 11. Масштабно-инвариантные сети
Пролог 12. Фракталы и закон Зипфа
Пролог 13. Дробление континуума
Пролог 14. Социально-географические волокна
Пролог 15. Закон Зипфа в случайных текстах
Пролог 16. Тексты как фракталы
Пролог 17. Когнитивные фракталы
Пролог 18. β и размерность Хаусдорфа
Пролог 19. Образы когнитивных фракталов
Пролог 20. Когнитивные волокна
Пролог 21. Математика когнитивных фракталов
Пролог 22. Стохастические когнитивные фракталы
Пролог 23. Сравниваем Россию и Польшу
Пролог 24. От Швейцарии до Афганистана
Пролог 25. Гармониум
Пролог 26. Шум когнитивных фракталов
Пролог 27. Шум когнитивных процессов
Пролог 28. Розовый шум в поведении людей
Пролог 29. Шум в динамике зрительного внимания
Пролог 30. Изображения и двухмерный розовый шум
.
Пролог 31. Физическая и когнитивная релаксация
Пролог 32. Когнитивная релаксация и цветные шумы
Пролог 33. ВТОРОЙ ЦИКЛ. Дробление времени
Пролог 34. Когнитивное дробление времени
Пролог 35. Время как текст
Пролог 36. События и причинность
Пролог 37. Четыре причины Аристотеля
Пролог 38. Экзогенные причины
Пролог 39. Генеративные модели причинности
Пролог 40. Генеративные модели причинности, часть 2
Пролог 41. Гештальт-причинность
Пролог 42. Тау-модель
Пролог 43. Я-состояния и тироны
Пролог 44. Параметры тау-модели
.
Пролог 45. Параметры тау-модели, часть 2
Пролог 46. Параллельный тирон
.
Пролог 47. Параллельный тирон, часть 2
Пролог 48. Свойства тирона
.
Пролог 49. Свойства тирона, часть 2
.
Пролог 50. Семейства тирона
Пролог 51. Эволюция как тирон
Пролог 52. Я-состояния и девиации
Пролог 53. Эволюция и морфогенез
Пролог 54. Волокна и легенды
Пролог 55. Волокна и легенды, часть 2
Пролог 56. ТРЕТИЙ ЦИКЛ. Я-состояния и их структура
Пролог 57. Я-состояния и их структура, часть 2
Пролог 58. Спиральная структура
.
Пролог 59. Информация и её типы
Пролог 60. Информация и симметрия
Пролог 61. Информация и закон Вебера-Фехнера
Пролог 62. Натуральная пропорция
Пролог 63. Апекс Я-состояний
.
Пролог 64. Генеративные модели Я-состояния
Пролог 65. Нейрон
Пролог 66. Критические случайные графы
.
Пролог 67. Блохи и табакерки
Пролог 68. Чаши, табакерки и прочее
.
Пролог 69. Интерлюдия
Пролог 70. Гештальт числа e
.
Пролог 71. Гештальт числа e, часть 2
Пролог 72. ЧЕТВЁРТЫЙ ЦИКЛ. Тиронный рост
Пролог 73. Обобщённые процессы
Пролог 74. Обобщённые процессы, часть 2
Пролог 75. Обобщённые процессы и энтропия Реньи
Пролог 76. Дельта-процессы
.
Пролог 77. Дельта-аддитивные процессы
Пролог 78. Дельта-мультипликативные процессы
Пролог 79. Дельта-мультипликативные процессы, часть 2
Пролог 80. Дельта-мультипликативные процессы, часть 3
Пролог 81. Структурно-временной изоморфизм
Пролог 82. Тау-процесс и время
Пролог 83. Знаки состояний
Пролог 84. Мерные знаки и случайное блуждание
.
Пролог 85. Именные знаки и графы состояний
Пролог 86. ПЯТЫЙ ЦИКЛ. Простые числа
Пролог 87. Числа и их компоненты
Пролог 88. Время и простые числа
Пролог 89. Т-информация
Пролог 90. Новый прототип статистики Зипфа
Пролог 91. Новый прототип и гармоническая информация
.
Пролог 92. Не-целочисленные симметрии
Пролог 93. Спектры симметрии
.
Пролог 94. Преобразования симметрий
Пролог 95. Комплексные симметрии
Пролог 96. Cимметрии и структурные модальности
Пролог 97. Симметрии и характерная динамика
Пролог 98. Симметрия, энергия, излучения
Пролог 99. Симметрия системы
Пролог 100. Симметрия континуумов и траекторий
Пролог 101. Симметрия континуумов, часть 2
Пролог 102. Симметрия и масштаб
Пролог 103. Симметрия и вероятность
Пролог 104. Симметрия и вероятность, часть 2
.
Пролог 105. Преобразование симметрии континуумов
Пролог 106. Cимметрия многомерных континуумов
Пролог 107. Опыты с взаимодействием форм
Пролог 108. Опыты с взаимодействием форм, часть 2
Пролог 109. Омега-преобразование
Пролог 110. Омега-линзы
Пролог 110 (2). Омега-линзы, часть 2
Пролог 111. Геометрическое среднее и максимум энтропии
Пролог 112. Мультипликативные коллизии
Пролог 113. Смысл принципа максимума энтропии
Пролог 114. Варианты модели мультипликативных коллизий
Пролог 115. Свойства модели мультипликативных коллизий
Пролог 116. Геометрическая энтропия
Пролог 117. Специальные энтропии. Последний Пролог.
Степенные законы, распределения Парето и закон Зипфа
.
Когнитивный уровень
.
Мерцающие зоны
.
Органическая логика: резюме
Карта органической логики
.
Хвост ящерки. Метафизика метафоры.
.
Опус 1/F
.
Anschauung, научный метод Гёте
.
Закон серийности Пауля Каммерера
.
Ранние признаки критических переходов
.
Слабые сигналы
.
Меметика
.
Системный анализ и чувствительные точки
.
Спиральная динамика
.
Пролог 27. Шум когнитивных процессов
 
Роман Уфимцев
26 января 2012 года, Калининград
Мы продолжаем разговор о характерных сигнатурах когнитивного порядка, который мы понимаем как особый источник закономерностей в явлениях мира, отличающихся от типичных закономерностей физического порядка. Двумя основными сигнатурами когнитивного порядка являются: 1) соответствие статистики явления закону Зипфа, сигнатура β = 1, и 2) соответствие шумов, порождаемых явлением, спектру 1/f, то есть, розовому или фликкер-шуму, сигнатура α = 1. Как мы показали, фундаментальным источником обеих сигнатур являются когнитивные фракталы. Это фрактальные структуры особого типа, получаемые механизмом каскадного дробления континуума. Они не только в общем случае точно отвечают статистике закона Зипфа, но и порождают розовый шум в самом широком диапазоне условий.
В предыдущем прологе мы подошли к очень важной для нас теме: к примерам наблюдения шумов спектра 1/f в когнитивной деятельности человека, в его поведении и т.д. Эта тема важна для нас, поскольку мы утверждаем, что этот тип шумов является характерной особенностью феноменов когнитивного порядка. Проще говоря, розовый шум сопровождает сознание, является его особенной и выразительной чертой. Более того, если мы в каком-то явлении наблюдаем присутствие розовых шумов, то у нас имеются веские основания предполагать наличие сознания или, как минимум, участие сознания этом явлении.
Естественно, что человек, его поведение, оказывается для нас каноническим примером, ведь человек - это "феномен", о котором мы знаем наверняка, что он наделён сознанием. Мы можем сомневаться в том, обладают ли собственным коллективным сознанием сообщества людей, имеют ли его животные, можем спорить о том, имеются ли хотя бы зачатки сознания у низших организмов и растений, но относительно людей мы обычно вполне уверены.
Если мы правы, и розовый шум действительно является характерным шумом сознания, то мы должны обнаруживать его в восприятии, мышлении и поведении человека повсюду. И это действительно так, он повсюду.
Странно, но интенсивно развивающаяся когнитивная психология лишь недавно обратила на это внимание - фактически, этой темой занялись лишь в последние 10 лет. Основные работы по теме розового шума в когнитивных и поведенческих процессах датируются 2001-2010 годами. И этого небольшого времени хватило, чтобы у исследователей сложилась уверенность в том, что шумы спектра 1/f являются не случайностью, а весьма характерным спутником когнитивных процессов (тут я имею в виду традиционное понимание этого термина).
В виду важности этой темы для нас, будет полезно совершить небольшой экскурс в нынешнее состояние дел в когнитивной психологии в связи с проблемой розового шума.
Главным образом, этой темой занимаются американцы. И хотя статей появляется много, чаще всего упоминается лишь несколько имен и несколько основных экспериментальных наблюдений, так что нам будет не трудно войти в курс дела.
Гилден и качество выполнения когнитивных задач
Мы уже упоминали исследования Дэвида Гилдена, который обнаружил розовый шум во флуктуациях качества выполнения самых разных тестовых когнитивных задач. Без цитирования его статьи 2001-го года "Cognitive Emissions of 1/f Noise" (David Gilden) сегодня не обходится практически ни одна работа на эту тему (в том числе и наши "Прологи"). В ней Гилден обозревает результаты экспериментов, в которых испытуемые выполняли различные типичные задачи, использующиеся в экспериментах когнитивных психологов: оценивали соответствие наклона демонстрируемых линий определенному углу, повторяли длину линии по заданному образцу или оценивали промежуток времени, повторяли нажатие с определенной силой, различали фигуры на экране, старались максимально быстро распознать стимул и т.д.
Теоретически, флуктуации в качестве выполнения такого рода задач должны были бы представлять собой белый шум, который является результатом смешения многих случайных факторов. И это казалось настолько само собой разумеющимся, что долгое время никому в голову не приходило проверить. В этом и состоит основная тема статьи Гилдена - он проверил, и оказалось, что это не так или не совсем так. Во флуктуациях выполнения основных традиционных типов когнитивных задач он обнаружил существенное "цветное" отклонение от белого шума, часто шумы имели спектр близкий розовому. Вот несколько описанных результатов.
Опыты на время распознавания
Испытуемым демонстрировали буквы R, P и F, повернутые на различные углы, зеркально отраженные и т.д. Им следовало максимально быстро их распознать. Контрольной величиной было время реакции - от начала демонстрации до реакции испытуемого. В длинных сериях экспериментов общая картина флуктуации времени реакции даже с первого взгляда отличается от белого шума:
Спектр флуктуаций имеет очевидную "цветную окраску" - в нижних частотах он приближается к спектру 1/f (здесь и далее он отмечен розовой линией, для которой α = 1). Сам Гилден описал этот спектр как смесь цветного шума c α = 0,7 и белого шума - он формирует плоскую высокочастотную часть спектра:
Спектры аналогичного или даже еще более близкого к розовому шуму вида Гилден получил и с другими опытами на скорость распознавания. Например, испытуемому предъявлялся список из 5 слов, в котором некоторые слова представляли собой просто бессмысленные комбинации слогов. Испытуемый должен был как можно быстрее назвать число настоящих слов из представленных пяти. В другом случае испытуемому предъявлялись три разные фигуры и ему следовало как можно быстрее нажать на соответствующую каждой фигуре кнопку. Спектр флуктуаций для этого опыта:
Опыты на воспроизведение
Желая упросить эксперименты до предела и избавится от лишних помех, Гилден обратился к опытам на воспроизведение, в которых испытуемым нужно было просто воспроизвести заданный промежуток времени, длину или наклон линии, усилие и т.д. Спектры флуктуаций стали гораздо яснее и ближе к розовому шуму. Например, вот так выглядели спектры флуктуаций в опытах на воспроизведение заданных промежутков времени, по прошествии которых испытуемые должны были нажать кнопку (цифрами на диаграмме отмечены целевые промежутки времени в секундах):
Как видим, чем длиннее оцениваемый промежуток времени, тем очевиднее спектр флуктуаций приближается к розовому шуму.
Далее, подобные же розовые спектры были получены Гилденом и для других воспроизводимых величин: силы, углов и длин отрезков:
Опыты на различение
В этих экспериментах испытуемые должны были определить, равны ли пропорции деления двух отрезков, имеется ли в представленном звуковом шумовом отрезке эпизод чистого звукового тона и т.д. В качестве шумового сигнала использовалась "плотность угадываний" - величина, вычисляемая на основе изменяющегося в процессе эксперимента отношения между числом верных ответов и неверных ответов. В результате были получены очевидно цветные спектры следующего вида:
К слову, отличие этих спектров от белого шума описывает любопытную и важную особенность деятельности людей в самых разных сферах - "удачные решения" или "правильные угадывания", также, как "неудачи" или "ошибки" не распределены во времени однородно, но собираются в кластеры, в группы - вспомним вид индивидуального "взрывного" розового шума. В нем периоды стабильности сменяются "взрывами" - периодами быстрой смены амплитуды:
Это проливает свет на загадку серийности аварий, катастроф и прочих социальных инцидентов. Мы ещё вернемся к этой очень важной теме.
Подводя итог, Гилден пишет интересное замечание:
"Тот факт, что когнитивные процессы генерируют динамическую сигнатуру (спектр 1/f), которая свойственна им универсально, заставляет иначе взглянуть на то, что есть шум, а что есть полезные данные в экспериментальных результатах. Значительная доля того, что мы считали необъяснимыми флуктуациями, представляет собой буквально шум "когнитивных двигателей"... Фактически, в любых экспериментах оказывается, что реакция на стимул всегда опирается на несущий сигнал в форме шума 1/f. Этот сигнал громкий и обнаруживается при всех подходящих методах обработки данных. Есть некоторая ирония в том, что техники, которые мы разработали, чтобы лучше отделять опытные данные от шумов, на самом деле скрывают от нас самые важные свидетельства того, как работает наш разум."
Келло, Хольден, Ван Орден и Турви
Еще четыре исследователя, работы которых часто цитируются в связи с темой розового шума в когнитивных процессах - Кристофер Келло, Джон Хольден, Гай Ван Орден и Майкл Турви. Первые трое опубликовали в 2007 году статью "The Emergent Coordination of Cognitive Function" (Kello, Holden, Van Orden). В общих чертах она повторяет тропинку работы Гилдена на примере опыта со скоростью реакции на стимул - испытуемому надо было как можно быстрее нажать на кнопку после того, как на экране перед ними появлялась большая буква X. Особенность их опытов состояла в том, что они одновременно снимали две серии данных. Во-первых, скорость реакции субъекта, а во-вторых - длительность нажатия на кнопку, о чем испытуемые не знали. В результате оказалось, что флуктуации в обоих сериях данных имеют цветной спектр, хотя α оказалась меньше 1 и находилась в промежутке между 0,5 и 0,7:
Наиболее же интересное наблюдение, которое они сделали, заключалось в том, что между двумя сериями данных не выявилось никаких корреляций - флуктуации в скорости реакции и в длительности нажатий на кнопку оказались совершенно не связанными между собой, хотя и те и другие имели близкие цветные спектры. Особых выводов исследователи из этого не сделали, ограничившись предположением, что это свидетельствует о том, что розовые шумы в когнитивных процессах отражают "координирующий, метастабильный базис когнитивной функции" - что они имели в виду под этим мы далее ещё поговорим.
Между тем, способность тесно структурно или пространственно соседствующих объектов порождать розовые шумы схожих спектров, которые при этом оказываются совершенно не коррелирующимися между собой (то есть моменты всплесков в одном сигнале никак не связаны с моментами всплесков в другом) обнаружена и в совершенно другой области - в физике. Мы уже говорили, что впервые шумами со спектром 1/f заинтересовались физики, которые их обнаружили сначала в электролампах, затем в полупроводниках, а потом - почти во всех проводящих ток материалах. В поисках внутренних и внешних причин, которые могут вызывать этот шум, они наткнулись на странный факт: оказалось, что не только расположенные рядом отдельные полупроводники порождают фликкер-шумы, которые не коррелируются между собой, но даже соседствующие области одного и того же полупроводника генерируют не коррелирующиеся между собой шумы.
Пока мы лишь обратим внимание на сходство результатов, полученных Келло, Хольденом и Ван Орденом при изучении когнитивных шумов с тем, что выяснили физики о своем фликкер-шуме. Независимость от пространственных расстояний и структурной связанности - эту важную особенность розового шума и когнитивного порядка вообще мы будем обсуждать позже.
Пожалуй, ещё познакомимся с результатами, изложенными в статье Ван Ордена, Хольдена и Турви, опубликованной немного ранее, в 2003 году - "Self-Organization of Cognitive Performance" (Van Orden, Holden, Turvey). В ней приводятся результаты простых когнитивных опытов, в первом из которых измерялось время реакции на появление на экране заданного изображения. В среднем тут исследователи получили цветной спектр флуктуаций с α ≈ 0,66 - также как в опытах Келло и пр. Интересно, однако, что значение α когнитивных флуктуаций заметно различалось для разных испытуемых - от α=1 до α=0,3:
Во втором опыте испытуемым демонстрировались слова английского языка и измерялось время от начала показа до начала произношения этого слова испытуемым. В этом случае в среднем α оказалась существенно ниже:
α в результатах выполнения этого типа задач для разных испытуемых варьируют от 0,14 до 0,49, что уже довольно серьезно отличается от идеального розового спектра. Таким образом, при общей типичности цветных шумов для флуктуаций когнитивных процессов, конкретные значения α заметно различаются как для разных типов задач, так и для разных индивидуумов. Последний факт для нас любопытен и напоминает нам о том, что когнитивные фракталы, которые по нашей смелой гипотезе составляют основу структуры сознания (или "когнитивной структуры" в более осторожных терминах современной когнитивной психологии) имеют для разных индивидуумов различные структурные параметры - мы уже это видели на примере социально-географических фракталов различных стран и провинций.
По мотивам опытов Гилдена и других современных когнитивистов, мы соорудили небольшую "установку для экспериментов", с помощью которой читатель может провести когнитивный эксперимент на самом себе и проверить, является ли шум его собственных когнитивных процессов близким к розовому.
После того, как вы нажмёте "Начать опыт" в центре рамки начнут появляться один за другим красные квадратики (всего 64). После появления каждого квадратика вам следует как можно быстрее кликнуть на него (нажав "Начать опыт", сразу подведите мышку к нужному месту, приготовьтесь заранее к появлению первого квадратика). Он исчезнет и спустя пару секунд появится следующий. Опять нужно будет кликнуть на него как можно быстрее - и т.д. В этом опыте проверяется скорость реакции, а также флуктуации этой скорости.
  
 
По результатам опыта вы получили частотный спектр ваших когнитивных флуктуаций в двойных логарифмических координатах. В нем не очень много точек - иначе пришлось бы устраивать опыты не с 64, а со многими сотнями квадратиков. Диагональной розовой линией на спектре отмечена линия, соответствующая розовому шуму. Если точки вашего спектра в целом имеют примерно такой же общий наклон (хотя при этом они могут лежать выше или ниже отмеченной розовой линии), то спектр когнитивных флуктуаций соответствует розовому шуму.
Обычно точки рассыпаны довольно хаотически по спектру, так что определить, насколько хорошо спектр соответствует розовому шуму, трудно – для этого нужны многие опыты и усреднения спектров. Однако даже единичных и очень коротких опытов достаточно, чтобы заметить главное: спектр обычно имеет "цветной уклон", выражающийся в том, что в целом наблюдается спадание спектра от низких к высоким частотам - то есть, от начала к концу спектра. Это признак того, что когнитивные флуктуации не являются обычным белым шумом, потому что для этого шума точки спектра должны были бы в среднем укладываться на горизонтальную линию (у белого шума горизонтальный спектр). Именно это и обнаружил в своих опытах Гилден.
Ваш комментарий
image Поля, отмеченные звездочкой, нужно обязательно заполнить
Заголовок комментария:
image Текст комментария: (не более 2000 символов, HTML-разметка удаляется)
image Ваше имя:
Ваш E-mail:
image Сколько будет дважды два? (ответьте цифрой, это проверка от спам-рассылок)
Отправить комментарий
Главные темы
Внимание (8)Геогештальт (1)Гештальт (16)Динамика внимания (5)Инсайт (5)Интуиция (2)Кибернетика (5)Когнитивное управление (6)Когнитивный анализ (4)Когнитивный словарь (5)Культура наблюдения (5)Мерцающие зоны (7)Метафизика (3)Метафора (13)Механизмы восприятия (15)Мифы и парадигмы (7)Органическая логика (5)Прогнозирование (6)Роль языка (4)Симметрии (5)Синхронизмы (5)Сложные системы (10)Степенной закон (8)Творческое мышление (5)Три уровня систем (4)Управление знаниями (3)Фазы развития (7)Фракталы (18)Цветные шумы (9)
КОГНИТИВИСТ: когнитивные методы и технологии © Роман Уфимцев, при поддержке Ателье ER