哥德尔:计算机科学和AI理论之父

作者: Jürgen Schmidhuber

来源: 数据实战派

发布日期: 2021-07-11 08:01:21

2021年,我们庆祝Kurt Gödel 1931年发表的开创性论文90周年,该论文奠定了理论计算机科学和人工智能(AI)理论的基础。Gödel阐明了定理证明、计算、人工智能、逻辑和数学本身的基本局限性,对20世纪的科学和哲学产生了巨大影响。距离2031年Gödel论文百年还有十年。

2021年,我们将庆祝Kurt Gödel 1931年发表的开创性论文90周年纪念,该论文奠定了理论计算机科学和人工智能(AI)理论的基础。Gödel阐明了定理证明、计算、人工智能、逻辑和数学本身的基本局限性,在学术界引起了轰动。这对20世纪的科学和哲学产生了巨大的影响。距离2031年Gödel论文百年还有十年!

20世纪30年代初期,Kurt Gödel阐明了计算数学基础和极限、计算定理证明和一般逻辑的。因此,他成为了现代理论计算机科学和人工智能理论之父。Gödel引入了一种通用语言来编码任意形式化过程。它基于整数,并允许以公理形式对任何数字计算机的操作进行形式化。Gödel使用他所谓的Gödel编号来表示数据(例如公理和定理)和程序(例如对数据进行的证明生成操作序列)。

Gödel最著名的是对形式系统的阐述,其中包括形式系统的计算——给定一个计算定理证明器,该证明器从一组可枚举的公理中系统地枚举所有可能的定理,但是当陈述自我指涉时它将是不可解的。因此,他确定了算法定理证明、计算和任何类型的基于计算的AI的基本限制(有些人误解了他的结果,认为他表明人类优于AI)。

20世纪40年代至70年代早期的人工智能,大部分是关于定理证明以及通过专家系统和逻辑编程的Gödel式演绎。像大多数伟大的科学家一样,Gödel的工作建立在早期工作的基础之上。他将Georg Cantor的对角化技巧与Gottlob Frege、Thoralf Skolem和Jacques Herbrand的基础工作相结合。

这些作者又以Gottfried Wilhelm Leibniz的《思想的代数》(1686)为基础,《思想的代数》在演绎上等同于后来的《1847年布尔代数》。Leibniz是“计算机科学之父”的候选人之一,被称为“世界上第一个计算机科学家”,甚至是“有史以来最聪明的人”。他描述了由穿孔卡片控制的二进制计算机的原理(1679年)。

1673年,他设计了第一个可以执行所有四种算术的物理硬件(步进计算器),超越了Wilhelm Schickard(1623)和Blaise Pascal(1642)的第一个基于齿轮的自动数据处理计算器。Leibniz不仅是发表微积分的第一人,而且还进行了一个雄心勃勃的项目,通过计算来回答所有可能的问题。

他关于通用语言和推理的通用微积分的想法极具影响力(《通用的特性和演算推理者》灵感来自13世纪的学者Ramon Llull)。Leibniz曾有这样一段重要描述:“如果出现争议,两个哲学家之间就不需要争论,而是像两个会计师之间一样,手里拿着铅笔,坐下来就足够了,用他们的石板互相说:让我们计算一下!” 然而,在1931年,Gödel表明,以这种方式可判定或可计算的东西存在根本的局限性。

1935年,Alonzo Church通过证明Hilbert和Ackermann著名的Entscheidungs problem(决策问题)没有通用解决方案,推导出Gödel结果的扩展。为此,他使用了名为Untyped Lambda Calculus的替代通用编码语言,该语言构成了极具影响力的编程语言LISP的基础。

1936年,Alan Turing引入了另一个通用模型:图灵机,该模型可能成为其中最著名的模型(至少在计算机科学领域)。他重新推导出了上述结果。当然,他在1937年的论文中同时引用了Gödel和Church的方法。1936年,Emil Post发表了另一个独立的通用计算模型,同时也引用了Gödel和Church的方法。今天我们知道很多这样的模型。

根据Wang的说法,正是图灵的工作(1936)使Gödel相信他自己的方法(1931-34)和Church(1935)的方法的普遍性。Post和Turing在1936年究竟做了哪些Gödel(1931-34)和Church(1935)没有做过的事情?有一个看似微小的差异,其重要性后来才显现出来。

Gödel的许多指令序列是数字编码存储内容与整数的一系列乘法。

Gödel并不关心这种乘法的计算复杂度会随着存储大小的增加而增加。同样,Church在他的算法中也忽略了基本指令的时空复杂性。然而,Turing和Post采用了传统的、简化的二进制的计算观点——就像Konrad Zuse(1936)一样。他们的机器模型只允许非常简单的具有恒定复杂性的基本指令,就像Leibniz早期的二进制机器模型(1679)。

Emil Post他们当时并没有利用这一点——例如,1936年,Turing使用他的(相当低效的)模型只是为了重新表述Gödel和Church在极限上的结果可计算性。然而,后来,这些机器的简单性使它们成为复杂性理论研究的便利工具(他也很高兴地将它们用于永无止境的计算)。

哥德尔理论计算机科学奖以Gödel命名。

目前奖金更丰厚的美国计算机学会图灵奖创建于1966年,以表彰“对计算机领域具有持久和重大技术重要性”的贡献。有趣的是——同时也令人尴尬的是——Gödel(1906-1978)从未得到过该奖项的认可,尽管他不仅奠定了该领域“现代”版本的基础,而且在他写给John von Neumann的著名信件中(1956),还确定了其最著名的开放问题“P=NP?”。

Gödel(1931-34)、Church(1935)、Turing(1936)和Post(1936)的正式模型是理论结构,不能直接作为实用计算机的基础。值得注意的是,Konrad Zuse的第一台实用通用程控计算机的专利申请也可以追溯到1936年。它描述了通用数字电路(并且早于Claude Shannon 1937年关于数字电路设计的论文)。

然后,在1941年,Zuse完成了Z3,这是世界上第一台实用、可运行的可编程计算机(基于1936年的应用程序)。忽略任何物理计算机不可避免的存储限制,Z3的物理硬件确实是Gödel、Church、Turing和Post的“现代”意义上的通用——简单的算术技巧可以弥补Z3缺乏明确的条件跳转指令。Zuse还在20世纪40年代初期创建了第一个高级编程语言(Plankalkül)。

他于1945年将其应用于国际象棋,并于1948年应用于定理证明。

值得一提的是,实用人工智能比Gödel对人工智能基本局限性的理论分析要古老得多。1914年,西班牙人Leonardo Torres y Quevedo是20世纪第一个实用AI的先驱,当时他建造了第一个可工作的国际象棋终局棋手(当时国际象棋被认为是一种仅限于智能生物领域的活动)。

几十年后,当AI先驱Norbert Wiener1951年在巴黎会议上与它对抗时,这台机器仍然被认为令人印象深刻。现在通常被视为第一个关于人工智能的会议——尽管“AI”是在1956年晚些时候由约翰麦卡锡在达特茅斯的另一次会议上提出的。事实上,在1951年,现在称为人工智能的大部分内容仍然被称为控制论,其重点非常符合基于深度神经网络的现代人工智能。

同样,实用计算机科学比Gödel的理论计算机科学基础要古老得多(比较上面对Leibniz的评论)。也许世界上第一台实用的可编程机器是1世纪由Alexandria的Heron制造的automatic theatre(他显然也拥有第一个已知的工作蒸汽机——Aeolipile)。他的可编程自动机的能量来源,是一个落锤拉动缠绕在旋转圆柱体销上的绳子。控制门和木偶几分钟的复杂指令序列由复杂的包装编码。

9世纪由Banu Musa brothers发明的音乐自动机可能是第一台带有存储程序的机器。对比206年Al-Jazari的可编程的鼓机,它使用旋转圆柱上的销钉来存储控制蒸汽驱动长笛的程序。第一台商用程控机器(基于打孔卡的织机),是由Joseph-Marie Jacquard等人在1800年左右在法国建造的——他们也许是第一批编写世界上第一个工业软件的“现代”程序员。

他们启发了Ada Lovelace和她的导师Charles Babbage(英国,大约1840年),他们计划但无法构建非二进制、十进制、可编程的通用计算机。由Zuse(1941)以外的其他人制造的第一台通用可编程机器是Howard Aiken的十进制MARK I(美国,1944)。

Gödel经常被称为继Aristotle以来最伟大的逻辑学家。

在上个世纪末,时代杂志将他列为20世纪最有影响力的数学家,尽管一些数学家说他最重要的成果是关于逻辑和计算,不是数学。还有一些人认为他的成果是理论计算机科学的基础,该学科当时尚未正式存在,但正是通过Gödel的努力得以产生。获得过普利策奖的畅销书《Gödel, Escher, Bach》,激励了几代年轻人学习计算机科学。

2021年,我们不仅要庆祝Gödel 1931年著名论文发表90周年,还要庆祝Zuse(1941年)研制出世界上第一台功能性通用程控计算机80周年。令人难以置信的是,在不到一个世纪的时间里,曾经只存在于巨擘头脑中的东西已成为现代社会不可分割的东西。世界欠这些科学家一大笔债。距离2031年Gödel论文百年还有10年,距离2041年Zuse计算机百年还有20年!有足够的时间来计划合适的庆祝活动。

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