Читать книгу Искусственный интеллект - Мередит Бруссард - Страница 3

Чтобы понять, что компьютеры не могут, прежде необходимо разобраться, как они работают и с какими задачами справляются. Для этого напишем простую компьютерную программу. Начиная изучать новый язык программирования, специалист обычно пишет программу «Hello, world!». Не важно, изучаете ли вы программирование в учебном лагере, в Стэнфорде, в университете или онлайн, – вы, скорее всего, тоже ее напишете. «Hello, world!» – это отсылка к первой программе в легендарной книге Брайана Кернигана и Дениса Ричи «Язык программирования С»[6] (The C Programming Language), где читателю предлагается написать программу (с помощью языка С, разумеется), выводящую на экран эту фразу. Керниган и Ричи работали в лаборатории Bell – исследовательском центре, статус которого в индустрии сравним с Hershey в мире шоколада (AT&T Bell Labs были очень добры, пригласив меня на несколько лет на работу). Именно здесь зарождалось множество инноваций, в том числе лазер, микроволновка и Unix (Ричи помогал и в разработке Unix, и в разработке языка С). Язык назвали С потому, что до этого команда лаборатории уже изобрела язык под названием В. Все еще популярный С++ и его двоюродный брат C# – потомки языка С.

Я люблю традиции, поэтому давайте поддержим одну из них и напишем «Hello, world!». Пожалуйста, возьмите листок бумаги, ручку и напишите «Hello, world!».

Мои поздравления! Это было просто.

А «за кадром» было чуть сложнее. Вы сфокусировали внимание, взяли необходимые инструменты, чтобы реализовать свое намерение, скомандовали руке писать буквы, а также использовали другую руку или иные части вашего тела, чтобы крепко зафиксировать бумагу во время письма, – так выглядела механика процесса. Вы скомандовали своему телу выполнять пошаговый алгоритм для достижения конкретной цели.

Осталось заставить компьютер сделать то же.

Откройте текстовый редактор – это может быть все что угодно: Microsoft Word, Notes, Pages или OpenOffice – и создайте новый документ. В этом документе наберите «Hello, world!». Можете распечатать, если хотите.

Опять мои поздравления! Вы использовали новый инструмент для выполнения той же задачи: намерение, механика и т. д. Вы на волне успеха.

Следующее испытание заключается в том, чтобы заставить компьютер вывести на экран фразу «Hello, world!» немного иным образом. Мы напишем программу, которая сама выведет ее. Для этого мы используем язык программирования Python, установленный на всех компьютерах Mac. (Если вы не используете Mac, то процесс может выглядеть слегка иначе, вам нужно будет найти инструкции в интернете.) Открываем «Приложения» и видим среди прочих программу «Терминал» (см. рис. 2.1). Открываем ее.

И снова примите мои поздравления! Вы только что улучшили свои навыки владения компьютером. Сейчас вы приблизились к компьютерному «железу».

Под «железом» имеется в виду аппаратное обеспечение компьютера: чипы, транзисторы, провода и т. п. Это то, что составляет физический облик компьютера. Запуская систему, вы видите приятный пользовательский интерфейс, который как раз и обеспечивает доступ к железу компьютера. Мы воспользуемся терминалом, чтобы написать программу на языке Python, которая как раз выведет надпись «Hello, world!» на экран.

В терминале вы увидите мигающий курсор. Он показывает командную строку. Компьютер интерпретирует – достаточно буквально – все, что вы в ней напишете. В общем, когда вы нажмете Enter, компьютер попытается выполнить заданную команду. Итак, попробуем написать следующее:

python

Далее вы увидите нечто подобное:

Python 3.5.0 (default, Sep 22 2015, 12:32:59)

[GCC 4.2.1 Compatible Apple LLVM 7.0.0 (clang-700.0.72)] on darwin

Type “help,” “copyright,” “credits” or “license” for more information.

>>>

Символ тройной шляпки (>>>) показывает, что вы вошли в режим интерпретации языка Python и одновременно вышли из базового интерпретатора команд. Последний использует особый тип языка программирования, язык оболочки. Соответственно, интерпретатор Python использует язык Python. В программировании, как и в естественных языках, существует множество диалектов.

Напишите следующее и нажмите Enter.

print («Hello, world!»)

Отлично! Вы только что написали компьютерную программу. И как ощущения?

Мы только что сделали одну и ту же вещь тремя разными способами. Один из них, пожалуй, был более приятным, чем прочие. Другой – быстрее и проще. Опираясь на полученный опыт, вы можете решить, какой из способов проще, а какой – быстрее. Однако принципиальный момент заключается в том, что ни один из них не лучше других. Поэтому, когда мы говорим, что делать что-либо при помощи технологий лучше, это сродни утверждению, будто написать «Hello, world!» лучше на языке Python, а не на бумаге. Не существует какой-либо принципиальной ценности в каждом из этих способов, однако их применение зависит от индивидуального опыта и последствий выбора в реальном мире. В случае с фразой «Hello, world!» ставки невысоки.

Большинство программ сложнее нашего примера, однако понимание принципа позволяет масштабировать его и применять в более комплексных случаях. Каждая программа – от сложнейших научных вычислений до новой социальной сети – пишется людьми. И каждый из них начинал программировать с «Hello, world!». Их путь к созданию сложного, изощренного программного обеспечения начинался с программ, построенных из простых блоков вроде нашего «Hello, world!». Компьютерные программы – не магия. Они созданы человеком.

Допустим, я хочу написать программу, которая бы выводила «Hello, world!» на экран десять раз. В этом случае я могу 10 раз написать команду:

print (“Hello, world!”)

print (“Hello, world!”)

Ой, нет. Я уже устала, забудем об этом. Нажимать Ctrl + P на клавиатуре еще восемь раз – слишком много нажатий кнопок. (Чтобы думать, как программист, нужно научиться быть ленивым.) Большинство программистов уверены, что печатать на клавиатуре скучно и утомительно, поэтому они стараются делать это как можно реже. Вместо перепечатывания, копирования и вставки единственной строки кода я введу оператор цикла, чтобы компьютер повторил команду 10 раз.

x=1

while x<=10:

print (“Hello, world! \ n”)

x+=1

Что ж, это было весело! Теперь компьютер будет делать всю работу за меня. Подождите! А что сейчас произошло?

Я задала значение х, равное 1, и добавила оператора цикла WHILE, который и будет повторять программу до тех пор, пока она не достигнет значения х > 10. В первом цикле х = 1. Программы выводит текст, затем следует разрыв строки или знак конца строки, обозначенный \n (обратный слеш n). Обратный слеш – важный знак в языке Python. Интерпретатор языка «знает», что, как только в коде появляется этот знак, после него должно произойти что-то особенное. В нашем случае я прошу компьютер начать с новой строки. Это было бы мукой – начинать каждый раз с нуля и программировать каждый тупой кусок металла для выполнения одних и тех же базовых функций, таких как чтение текста и преобразование его в двоичную форму или выполнение определенных задач в соответствии с соглашениями синтаксиса выбранного нами языка программирования. Мы ничего и никогда не закончили бы такими темпами! Более того, в каждом компьютере присутствуют как изначально встроенные функции, так и возможность добавлять новые. Я использую слово «знает», потому что оно удобное, но, пожалуйста, не забывайте, что компьютеры не «знают» подобно тому, как «знают» сознательные существа. Внутри компьютера нет никакого сознания, есть только задачи, выполняемые бесшумно, быстро и хорошо.

В следующей строке кода, х+=1, я увеличиваю значение х на единицу. Подобное синтаксическое решение мне кажется весьма изящным. В программировании приходится писать х=х+1 при каждом увеличении значения переменной на единицу для выполнения следующего шага цикла. Разработчики Python решили, что писать так каждый раз слишком утомительно, и придумали более короткий путь. Поэтому x+=1 аналогично x=x+1. Это решение было позаимствовано из языка C, где значение переменной может быть увеличено на единицу еще и при помощи конструкций х++ или ++х. Подобные быстрые команды существуют почти в каждом языке программирования, поскольку разработчикам действительно постоянно приходится сталкиваться с увеличением значения переменной на единицу.

Итак, после первого прибавления мы получаем х=2, и компьютер добирается до последних строчек кода. Отступы строки под командой while как раз обозначают элемент цикла. И каждый раз достигая конца цикла в коде, компьютер возвращается к его началу – строке while – и вновь сверяется с условием: х<=10? Да. Следовательно, компьютер снова и снова повторяет инструкции, выводя «Hello, world! \ n», что отображается на экране как:

Hello, world!

Затем он снова увеличивает на единицу значение х. Теперь x=3. Компьютер возвращается в начало цикла снова и снова до тех пор, пока значение не достигнет х=11. При значении х=11 срабатывает условие остановки, и цикл заканчивается. На это можно посмотреть иначе:

ЕСЛИ: x<=10

ТОГДА: ВЫПОЛНЯЙ_ИНСТРУКЦИИ_ВНУТРИ_ЦИКЛА

ИНАЧЕ: ПЕРЕЙДИ_К_СЛЕДУЮЩЕМУ_ШАГУ.

Каждая функция (или подпрограмма) – это маленькое действие. И, собирая множество таких функций воедино, можно свершать великие дела. Программисты прекрасно научились разбивать крупные задачи на маленькие и программировать компьютер на выполнение каждой из них. Затем вы собираете все части воедино, немного колдуете над ними, чтобы они заработали вместе, и вскоре видите работающую компьютерную программу. Современные программы – модульные. Это значит, что при работе над программой один программист может отвечать за первый модуль, другой – за второй и оба модуля впоследствии смогут работать вместе, если их правильно соединить.

Сейчас, когда мы написали программу, стоит поговорить о данных. Данные могут быть как на входе, так и на выходе программы. Мы производим данные (то есть информационные точки или единицы информации) о мире различными способами. Национальная служба погоды собирает данные о высоких и низких температурах в тысячах мест Америки каждый день. Шагомер считает количество шагов, пройденных вами за день, собирая результаты по пройденным шагам за день, за неделю или за год. Мой знакомый воспитатель детского сада просит детей по понедельникам считать общее количество карманов у присутствующих в классе. Данные могут рассказать, сколько людей купили определенную шляпу, сколько белых носорогов осталось в дикой природе, какова скорость таяния полярных льдов. Данные увлекают, они помогают осознать мир и выявляют нечто, что пока находится за пределами нашего понимания. (Хотя, если вы достаточно взрослые, чтобы читать эту книгу, надеюсь, вы уже поняли идею о карманах других людей.)

И, хотя информация собирается множеством разных способов, есть одна общая особенность: все данные производятся людьми. Это касается абсолютно всех данных. В конце концов собранная информация попадает к людям, подсчитывающим результаты. И если не задумываться над этим, то может показаться, что данные, полностью отфильтрованные и качественные, попадают в мир из, скажем, головы Зевса. Мы предполагаем, что есть данные и они правдивы. Поэтому первый принцип этой книги звучит так: данные – это социальный конструкт. И, пожалуйста, забудьте о том, что данные создаются кем-то, кроме людей.

«А как насчет компьютерных данных?» – может поинтересоваться смышленый детсадовский сборщик данных о карманах. Данные, произведенные компьютерами, в конечном счете также социально сконструированы, поскольку компьютеры созданы людьми. Математика – это система знаков, полностью разработанная людьми. А компьютеры – это машины, выполняющие вычисления: они производят миллионы математических операций. Компьютеры не созданы на основе каких-либо абсолютных вселенских или природных принципов, это – машины, являющиеся продуктом миллионов небольших намеренных проектных решений, принятых людьми, работающими в определенных организационных контекстах. Наши представления о данных и компьютерах, которые данные создают и обрабатывают, должны основываться на понимании социального и технического контекста, позволяющего людям производить компьютеры, производящие данные.

Один из способов понять то, что выходит из компьютеров, – понять, что в них входит. Компьютеру соответствуют определенные физические реалии. Большая часть компьютеров имеет прочный корпус, внутри которого расположены электронные платы и прочие штуковины. Позвольте конкретизировать, что именно имеется в виду под штуковинами. Важными частями являются источники питания, соединение с монитором, транзисторы, постоянная и перезаписываемая память. Все эти вещи относятся к категории аппаратного обеспечения, компьютерного железа. Оно, железо – физическая составляющая компьютера. А программное обеспечение – все, что работает, используя железо в качестве базы.

Впервые я узнала о физической составляющей компьютеров в 1990-х гг., когда училась в средней школе. Я занималась по особой технической программе для детей, спонсируемой Lockheed Martin. В моем городке в штате Нью-Джерси появился производственный объект этой корпорации. Форма здания напоминала военный корабль, на многие километры окруженный бесхозными фермами. В то время ходил слух, будто там делали ядерное оружие, а янтарные поля зерновых служили прикрытием для боеголовок, готовых в любой момент активироваться в случае атаки со стороны Советского Союза. Это было как раз перед окончанием холодной войны, тогда все смотрели фильм «На следующий день» (The Day After) – о последствиях ядерного апокалипсиса, так что мы нередко обсуждали, где расположены боеголовки, где упадут ракеты Советов и что случится потом. Несколько раз в месяц я ездила на школьном автобусе в Lockheed Martin, где вместе с другими детьми из местных школ изучала технику.

Люди иногда говорят, что компьютер подобен мозгу. Это не так. Если изъять кусочек мозга, мозг компенсирует это, создав обходные пути. Вспомните об операции, которую пережила конгрессмен из Аризоны Габби Гиффордс в 2011 г. Во время встречи с избирателями на парковке магазина Safeway вооруженный человек, Джаред Ли Лофнер, в упор выстрелил ей в голову. В результате дальнейшей беспорядочной стрельбы Лофнер убил шесть человек и ранил 18. До этого он преследовал Гиффордс.

Интерн Даниэль Эрнандес поддерживал Гиффордс в вертикальном положении, удерживая давление на ране, пока вокруг свистели пули. В конце концов присутствующим удалось схватить Лофнера, а вскоре на место происшествия прибыли полиция и скорая. Гиффордс находилась в критическом состоянии. Докторам пришлось проводить срочную операцию на мозге и затем ввести ее в искусственную кому, чтобы позволить мозгу восстановиться. Спустя четыре дня с момента нападения Гиффордс открыла глаза. Она не могла говорить, едва могли видеть, но была жива.

Гиффордс храбро встретила все испытания на долгом пути к выздоровлению. Благодаря интенсивным занятиям она снова научилась говорить. Как и у большинства тех, кто перенес подобную травму, ее голос звучал иначе, нежели до покушения. Новый голос Гиффордс звучал медленно и вымученно. Разговоры очень ее утомляли. Ее мозгу пришлось вместо разрушенных создать новые связи. Это одна из самых удивительных способностей мозга: при очень специфических условиях и весьма специфическим способом он самовосстанавливается.

Компьютер на такое не способен. Если вы удалите из компьютера его часть, то он просто перестанет работать. Все, что находится в памяти компьютера, имеет определенный физический адрес. Черновик этой книги содержится в определенном месте жесткого диска на компьютере. И, если бы именно этот кусок жесткого диска был поврежден, написанные мной страницы оказались бы утрачены. Было бы нехорошо: у меня сорвались бы сроки сдачи книги. Хотя, конечно, идеи остались бы в моей голове, так что я могла бы воссоздать черновик при необходимости. Мозг – более гибкая и адаптивная структура, нежели жесткий диск.

Это – одна из многих полезных вещей, которые я узнала в Lockheed. Я также узнала, что в технологических компаниях на каждом шагу можно обнаружить детали устаревших компьютеров – они появляются из-за того, что люди обновляют компьютеры либо просто уходят из компании. Каждому из нас выдали корпус компьютера Apple II, электронную плату, несколько микросхем памяти, ярких шлейфов проводов, и россыпь других частей, собранных по разным отделам (возможно, атомного) предприятия. Когда мы соединили все детали, преподаватель объяснил, за что отвечает каждая из них. Корпуса были грязными, клавиатуры липкими, а платы – пыльными. Но нас это не смутило, ведь мы собирали свои собственные компьютеры, это было весело. После сборки нас научили программировать на простом языке программирования под названием BASIC, а в конце семестра разрешили оставить компьютеры себе.

Я рассказала эту историю, потому что необходимо понимать, что компьютер – это объект, который может быть собран и собирается человеком. Нередко студенты, которых я вижу на компьютерных курсах для журналистов, оказываются смущены. Они переживают, что могут сломать компьютер или совершить какую-то катастрофическую оплошность. «Вы можете сломать компьютер только при помощи молотка», – говорю я им. И поначалу они не верят мне, но к концу семестра чувствуют себя более уверенно. И, даже если делают что-то не так, они понимают, что смогут это исправить. Эта уверенность – ключ к технологической грамотности.

Но вы не на моем курсе, так что я не могу просто дать вам компьютер. Но рекомендую разобрать старый. Наверняка у вас такой где-то лежит; также старый ненужный компьютер можно найти в комиссионках, они недорогие. Либо спросите на работе: обычно у системных администраторов найдется что-то подходящее, нечто, что они используют для украшения или просто не отдали на переработку. Для этой задачи лучше всего подходит настольный компьютер.

Разберем его на части. Вам понадобится маленькая отвертка, если вы собираетесь разбирать ноутбук. Внутренности настольного компьютера, скорее всего, выглядят как на рис. 2.2.

Посмотрите на детали, как они соединены. Проследите за проводами (порты USB, аудио-, видеопорты и т. д.) и посмотрите, куда они подключены. Прикоснитесь к прямоугольным деталям, похоже, намертво скрепленным с платой. Найдите процессорные микросхемы – на них наверняка написано Intel – это ключевой элемент всей затеи. Найдите разъем, соединяющий всю эту конструкцию с монитором. Скорее всего, к нему подключен чрезвычайно прочный, гибкий и пластичный шлейф проводов. Он передает информацию об изображении на монитор, который затем отображает картинку, закодированную в сигнале.

Вы печатали на клавиатуре, чтобы написать программу на Python. Эта информация передалась в нутро компьютера посредством клавиатуры, потом была интерпретирована системой. Затем компьютер выдал инструкцию к следующей части механизма – монитору, чтобы тот вывел на экран «Hello, world!». Благодаря простым инструкциям этот цикл повторяется снова и снова.

Разбирать компьютер с детьми – весело. Когда мой сын учился в начальной школе, я однажды разобрала вместе с ним ноутбук. Я собиралась отдать пару ноутбуков на переработку и, прежде чем избавиться от них, хотела разбить жесткие диски молотком. (Я обнаружила, что в каком-то смысле такое уничтожение жестких дисков приносит большее удовлетворение, чем просто стирание данных.) Тогда я спросила сына, не хочет ли он помочь мне и вытащить жесткий диск. «Ты шутишь? Я хочу разобрать всю эту штуку на части», – ответил он, и следующие два часа мы провели на кухне, разбирая два компьютера.

В рамках моего курса в университете мы сначала играем с жесткими дисками и уже потом переходим к обсуждению программного обеспечения (ПО) и «Hello, world!» в том числе. ПО – это все, что взаимодействует с аппаратным обеспечением. С его помощью вы добиваетесь от компьютера выполнения написанных вами на клавиатуре инструкций. Это то, что обеспечивает работу программы «Hello, world!». К слову, текст, который вы набираете, также превращается в инструкции, которые компьютер исполняет. Железо – это физическая часть компьютера, софт – все остальное. Таким образом, компьютерное программирование и написание ПО чаще всего означают одни и те же вещи.

Не буду вас обманывать: программирование – это математика. И если кто-то пытается убедить вас в обратном, что, мол, без математики можно научиться программировать, то, скорее всего, вам пытаются что-то продать.

Хорошая новость заключается в том, что для начального уровня программирования понадобится математика уровня 4‒5 класса школы. Вам нужно разбираться в таких операциях, как сложение, вычитание, умножение, деление, и понимать, что такое проценты и остаток. Кроме того, понадобятся базовые знания геометрии, а именно представления о площади, периметре, радиусе и окружности. Также стоит вспомнить о графиках и о координатах х, y, z. Наконец, вам понадобится базовое понимание функций – тех, что мы используем, чтобы превратить 2 в 22.

Если у вас математическая фобия, то, вероятно, на этом самом месте вы хотите закрыть книгу. Это нормально. Многие говорят, что каждый должен уметь писать программы, но я так не считаю. Программирование окажется неприятным опытом, если математика – не ваша сильная сторона. Однако если вы уверены, что способны пересчитать чек в ресторане, или справляетесь с ежедневными задачами вроде измерения ковра, который планируете положить в гостиной, то определенно вы справитесь.

А вот средний уровень программирования требует знаний линейной алгебры, геометрии и математического анализа. Хотя большинство людей не чувствуют нехватки знаний, оставаясь на базовом уровне. Программирование может быть как искусством, так и ремеслом. Как ремесло оно помогает учиться и зарабатывать на жизнь. Как искусство программирование требует как ремесленного подхода, так и знания в области высшей математики. В рамках этой книги мы будем считать, что вас интересует именно подход ремесленника.

Обычно способ взаимодействия аппаратного обеспечения и софта описывается техническим языком. Вместо этого воспользуемся метафорой. Разобраться в слоях компьютера – все равно что разобраться в слоях клаб-сэндвича с индейкой (рис. 2.3).

Клаб-сэндвич с индейкой – понятная вещь. Он состоит из множества частей, однако вместе они создают восхитительный вкус. Компьютер работает в определенной логике, подобно тому как ингредиенты сэндвича находятся в определенном порядке.

Слой хлеба – основа сэндвича, в случае компьютера – это железо. Оно «не знает» ничего, разве что то, как справиться с двоичными данными – нулями и единицами. Под справляться я подразумеваю считать. Помните, что вся деятельность компьютеров сводится к математике.

Над аппаратным обеспечением находится слой, который позволяет переводить слова в двоичный код (нули и единицы). Назовем его слоем машинного языка. Это как слой индейки, который укладывается поверх хлеба. Машинный слой обеспечивает перевод символов в двоичный код, при помощи которого компьютер и осуществляет расчеты. Этими символами могут быть слова, цифры – то, что мы, люди, используем для коммуникации друг с другом. Это искусственная система. Чтобы говорить на языке машинных кодов, необходимо владеть особым диалектом – языком ассемблера, который буквально собирает символы в машинный код.

Язык ассемблера сложный. Ниже можно познакомиться с примером того, как на нем выглядит программа десятикратного вывода «Hello, world!». Я нашла этот код на сайте для разработчиков под названием Stack Overflow.