计算机与人脑 学生版

《计算机与人脑》的思想和方法 中国科学院数学与系统科学研究院研究员 胡作玄 《计算机与人脑》是在冯·诺伊曼去世后于1958年出版的。这本来是他为耶鲁大学西利曼讲座（Silliman Lectures）准备的讲稿，讲演原定在1956年春天举行，但由于冯·诺伊曼在1955年10月被查出患有癌症，未能去讲演，讲稿也没有写完。但单就现存的这两部分，已经可以看出冯·诺伊曼对这个问题的关注以及他的一些想法。 其实，冯·诺伊曼考虑的问题可以追溯到很久以前，其中涉及许多至今未能很好解决的基本问题： ——大脑是如何工作的？ ——机器能否有思维？ 在计算机已经空前普及的今天，把电子计算机（常常形象地译成电脑）与人脑进行比较也更是十分自然的事： ——机器能思考吗？也就是它是否自动产生思想？ ——是否有朝一日，机器的智能会超过人类？ 这里面当然还牵涉到更深入的问题，例如，人类大脑能否进化？人脑与电脑能否耦合，使人脑更聪明，等等。 冯·诺伊曼在考虑这些问题时，并没有把自己局限于大脑乃至神经系统之中，他考虑问题的范围还包括“什么是生命”“生命的本质是什么”“生命是如何运作的”“能否用机器模拟生命”等问题。他的一些研究成果可散见于他的著作手稿和信件之中。 一、 主要思想 冯·诺伊曼的《计算机与人脑》篇幅不大，但思想丰富，对后来的理论与实践产生了不可忽视的影响。 1 给研究像生物体以及神经网络这种复杂的对象提供了一种全新的研究方法 冯·诺伊曼在引言中明确地提出“本书是从数学家的角度去理解神经系统的一个探讨”。我们必须看到，这种探讨方法与传统方法根本不同。在物理学中，我们十分熟悉的方法是对所研究的物理系统，建立一个理想化的模型，这个模型在可处理的情况下，可以得出各种物理量之间的关系，这些关系通常用微分方程来表示。这样*后所需要的结果都可以通过求解这些方程得到。要知道，这种方法获得了空前的成功。牛顿力学、麦克斯韦电磁理论乃至爱因斯坦的相对论与量子物理学都是这样。从理论的角度来看，问题到此已大功告成，剩下的是数学家的事了。然而，数学家也不能解决所有的方程，特别是非线性方程，例如冯·诺伊曼多次提到的流体力学方程。而务实的科学家还是需要得到具体的结果，他们对那些满足于抽象化的专门数学家不以为然。1940年，著名空气动力学家冯·卡门（Theodore von Karman，1881—1963）写了一篇长文《科学家同非线性问题奋力拼博》。冯·诺伊曼是务实的数学家，他给出了解决问题的新方向——计算机。另一方面，一些像冯·诺伊曼那样既能搞理论，又能搞应用和计算的数学家（如拉克斯）也解决了一系列非线性问题，**个得到解决的是浅水波方程（即KdV方程）。 对于复杂的现象，例如生物学中的问题，也有人用物理学的方式去研究，的确也产生了少量的微分方程。但是，这些模型不是过于简单，就是无法求解。而且这种严格的、精确的数学不大适合研究不那么精确的生命现象。这样，冯·诺伊曼采用模拟的方法并用已经大量存在的计算机及数学模型来应对这种复杂的生命现象，看看是否合适。如果合适，由于对计算机以及数学模型的了解，自然就对要研究的生命现象有所认知了。 从复杂的神经系统看来，我们造出的数字计算机和模拟计算机显得十分简单。这样我们只需比较简单的电脑以及复杂的人脑就可以对人脑有着初步的了解了。 这样，冯·诺伊曼从*简单的电脑开始研究。当然，现在电脑的复杂性大大增加，不过基本的思想还离不开冯·诺伊曼提出的一些理念。 2 模拟方法与数字方法 冯·诺伊曼在书中多次提到模拟与数字这两种不同的方式。