Биокибернетика: Рабочая программа дисциплины

Программа составлена в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по специальности «Физика»

Одобрено на заседании кафедры биофизики МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА БИОФИЗИКИ

Зав. кафедрой биофизики В.А. Кратасюк ______________ «___»________________2002 г. УДК 577.3.001.57 Автор-составитель: С.И. Барцев

Биокибернетика: Рабоч. программа дисциплины. Красноярск: РИО КрасГУ, 2002. 6 с. (экспресс-издание). БИОКИБЕРНЕТИКА Рабочая программа дисциплины

Предназначена для специальности 010400 «Биофизика» очной формы обучения.

«Физика» специализаций 010415

для специальности 010400 «Физика» специализации 010415 «Биофизика»

 КрасГУ, 2002

Красноярск 2002

2

I. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ Цель курса: сформировать общее представление об организации информационных процессов в биологических системах и ознакомить с принципами исследования и анализа управляющих систем в живом организме. Задачи курса: дать общие и специальные сведения о формальной иерархии информационных процессов и соответствующих им структур управления, о методах логического анализа информационных систем и ограничениях, свойственных формальным информационным системам и соответствующим им типам обработки информации в нервной системе различных организмов. Требования к уровню освоения содержания курса: дипломированный специалист в области физики (биофизики) должен владеть основами аналитического исследования информационных процессов в живых системах, знать возможности и ограничения различных типов формального описания информационных систем и систем управления в организме. II. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА Тема 1. Введение Информация и ее связь с процессами управления. Общие сведения о роли информационных процессов в происхождении и существования живого. Представления о живом как естественной форме существования информационных процессов. Применение подходов биокибернетики к решению задач нейрофизиологии, этологии, астробиологии и в исследованиях по искусственному интеллекту. Тема 2. Вентильные схемы, как простейшие системы обработки информации и управления. Исчисление высказываний, предикаты и соответствующие им вентильные схемы, как простейшие системы обработки информации. Описание поведения простейших организмов и простых поведенческих актов в терминах предикатов, упрощение полученных логических выражений и построение соответствующих им вентильных схем или сетей формальных нейронов.

Тема 4. Машины Тьюринга, Поста и нормальные алгоритмы Маркова как простейшие варианты воплощения алгоритмической системы управления. Описание устройства и системы команд машин Тьюринга и Поста. «Программирование» машины Тьюринга. Примеры решения задач с помощью алгоритмов Маркова. Проблема остановки машины Тьюринга, как пример алгоритмически неразрешимой задачи. Эквивалентность по вычислительной мощности нейронной (модульной) сети машине Тьюринга. Тема 5. Формальная иерархия систем обработки информации и соответствующих им формальных грамматик и языков. Иерархия систем обработки информации (вентильные схемы, конечные автоматы, магазинные автоматы, линейно-ограниченные автоматы, машина Тьюринга) и соответствующих им формальных грамматик (регулярных, КС, контекстных и свободных грамматик). Их свойства в контексте биологических информационных систем. Тема 6. Ограничения, свойственные формальным системам. Теорема Геделя о неполноте и мышление как самый высокий из известных уровень обработки информации. Задачи, которые живые существа решают на уровне машины Тьюринга. Проблемы, связанные с рекурсивностью. О существовании рекурсивноперечислимых, но не рекурсивных множеств. Невычислимость эволюционной динамики. Возможные свойства «неформальных» информационных систем. IV. ФОРМЫ КОНТРОЛЯ • Коллективный анализ рефератов (2) • Зачет Вопросы к зачету формулируются в зависимости от обмена информацией в ходе занятий и представляют собой задачи по отдельным темам и их коллективное (групповое) решение. V. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА Список основной литературы

Тема 3. Конечные автоматы. Проявление «автоматного» типа управления в поведении живых существ. Примеры задач управления, которые в принципе не могут быть решены вентильными схемами. Конечные автоматы Мили и Мура. Реконструкция структуры автомата по протоколу испытаний. Минимальные автоматы. Реализация конечного автомата в виде комбинации вентильной схемы и элементов памяти. Примеры поведенческих задач, которые в принципе не могут быть решены конечными автоматами.

1. Биркгоф Г., Барти Т. Современная прикладная алгебра. - М.: Мир, 1976. - 400 с. 2. Дольник В.Р. Непослушное дитя биосферы: беседы о человеке в компании птиц и зверей. - М.: Педагогика-Пресс, 1994. - 208 с. 3. Кузнецов О.П., Андельсон-Вельский Г.М. Дискретная математика для инженера. - М.:Энергоатомиздат, 1988. - 480 с. 4. Лернер А.Я. Начала кибернетики. - М.:Наука, 1967. - 400 с. 5. Лоренц К. Оборотная сторона зеркала. - М.: Республика, 1998. - 493 с. 6. Смалиан Р. М. Принцесса или тигр? - М.:Мир, 1985. - 22 с. 7. Тинберген Н. Поведение животных. - М.:Мир, 1969. - 192 с.

3

4

8. Хант Э. Искусственный интеллект. - М.: Мир, 1978. - 558 с. 9. Эшби У.Р. Введение в кибернетику. - М.: Иностр. лит., 1959. - 432 с.

Биокибернетика Составитель: Сергей Игоревич Барцев

Дополнительная литература 1. Барцев С.И., Гилев С.Е., Охонин В.А. Принцип двойственности в организации адаптивных сетей обработки информации. // Динамика химических и биологических систем. - Новосибирск: Наука, 1989. - С.6-55. 2. Мак-Фарленд Д. Поведение животных: Психобиология, этология и эволюция. М.:Мир, 1988. - 519 с. 3. Моррис Д. Голая обезьяна. - СПб: Амфора/Эврика, 2001. - 269 с. 4. Рейуорд-Смит В.Дж. Теория формальных языков. - М.:Радио и связь, 1988. - 128 с. 5. Слоним А.Д. Инстинкт. - Ленинград: Наука, 1967. - 160 с. 6. Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. М.: Мир, 1973. - 216 с. Рекомендуемые программные средства и компьютерные системы обучения и контроля знаний студентов Компьютерная игра-тренажер Конвэя «Жизнь» (Public Domain) Интерпретатор языка LISP (Public Domain).

Редактор А.А. Назимова Корректура автора

Подписано в печать 21.01.2003 Тиражируется на электронных носителях Заказ 207 Дата выхода 22.01.2003 Адрес в Internet: www.lan.krasu.ru/studies/editions.asp Отдел информационных ресурсов управления информатизации КрасГУ 660041 г. Красноярск, пр. Свободный, 79, ауд. 22-05, e-mail: [email protected]

Издательский центр Красноярского государственного университета 660041 г. Красноярск, пр. Свободный, 79, e-mail: [email protected]

5

6