Метод проб и ошибок в решении проблем

Введение

Метод решения задач

Испытания и ошибки – это фундаментальный метод решения задач, характеризующийся многократными, разнообразными попытками, которые продолжаются до достижения успеха или до момента, когда практикующийся прекращает попытки. Согласно У. Х. Торпу, этот термин был предложен К. Ллойдом Морганом (1852–1936) после рассмотрения альтернативных формулировок, таких как «проба и неудача» и «проба и практика». В соответствии с каноном Моргана, поведение животных следует объяснять наиболее простым способом. Если поведение кажется, что оно подразумевает более сложные психические процессы, его можно объяснить обучением методом проб и ошибок. Примером может служить умелый способ, которым его терьер Тони открывал садовые ворота, что легко можно ошибочно принять за проявление сообразительности, наблюдая только конечный результат. Однако Ллойд Морган наблюдал и зафиксировал последовательность приближений, посредством которых собака постепенно выучила необходимое действие, и смог продемонстрировать, что для объяснения этого не требуется никакого понимания. Эдвард Ли Торндайк был инициатором теории обучения методом проб и ошибок, основанной на результатах его исследований, в которых он показал, как проводить эксперимент методом проб и ошибок в лабораторных условиях. В своем знаменитом эксперименте кошку помещали в ряд ящиков-головоломок для изучения закона эффекта в обучении. Он строил кривые обучения, фиксирующие время, затраченное на каждое испытание. Ключевым наблюдением Торндайка было то, что обучение усиливается положительными результатами, что впоследствии было уточнено и расширено Б. Ф. Скиннером в его теории оперантного обусловливания. Метод проб и ошибок также применяется для решения проблем, ремонта, настройки или получения знаний. В области компьютерных наук этот метод называется «генерировать и проверять» (или методом грубой силы). В элементарной алгебре, при решении уравнений, он сводится к подбору и проверке. Этот подход можно рассматривать как один из двух основных подходов к решению задач, противопоставляемый подходу, основанному на понимании и теории. Однако существуют и промежуточные методы, которые, например, используют теорию для направления процесса, подход, известный как направленный эмпиризм. Этот способ мышления стал краеугольным камнем критического рационализма Карла Поппера.

Trial and error is a fundamental method of problem solving characterized by repeated, varied attempts which are continued until success, or until the practicer stops trying. According to W. H. Thorpe, the term was devised by C. Lloyd Morgan (1852–1936) after trying out similar phrases "trial and failure" and "trial and practice". Under Morgan's Canon, animal behaviour should be explained in the simplest possible way. Where behavior seems to imply higher mental processes, it might be explained by trial and error learning. An example is a skillful way in which his terrier Tony opened the garden gate, easily misunderstood as an insightful act by someone seeing the final behavior. Lloyd Morgan, however, had watched and recorded the series of approximations by which the dog had gradually learned the response, and could demonstrate that no insight was required to explain it. Edward Lee Thorndike was the initiator of the theory of trial and error learning based on the findings he showed how to manage a trial and error experiment in the laboratory. In his famous experiment, a cat was placed in a series of puzzle boxes in order to study the law of effect in learning. He plotted to learn curves which recorded the timing for each trial. Thorndike's key observation was that learning was promoted by positive results, which was later refined and extended by B. F. Skinner's operant conditioning. Trial and error is also a method of problem solving, repair, tuning, or obtaining knowledge. In the field of computer science, the method is called generate and test (Brute force). In elementary algebra, when solving equations, it is guess and check. This approach can be seen as one of the two basic approaches to problem solving, contrasted with an approach using insight and theory. However, there are intermediate methods which for example, use theory to guide the method, an approach known as guided empiricism. This way of thinking has become a mainstay of Karl Popper's critical rationalism.

Методология

Подход проб и ошибок наиболее успешно применяется к простым задачам и в играх, и часто является крайней мерой, когда не существует очевидного правила. Это не означает, что данный подход по своей сути неаккуратен, поскольку человек может методично изменять переменные, чтобы перебрать возможные варианты, которые могут привести к успеху. Тем не менее, этот метод часто используют люди, не обладающие глубокими знаниями в данной области. Подход проб и ошибок изучался с точки зрения его естественных вычислительных свойств.

Иерархии

Книга Эшби развивает эту идею "метауровня" и расширяет её до целой рекурсивной последовательности уровней, последовательно выстроенных друг над другом в систематической иерархии. На этой основе он утверждает, что человеческий интеллект возникает из подобной организации: опираясь в значительной степени на метод проб и ошибок (по крайней мере, на начальных этапах каждого нового уровня), но в конечном итоге приводя к тому, что мы называем "интеллектом". Таким образом, вероятно, даже верхний уровень иерархии (на любой стадии) по-прежнему будет зависеть от простого метода проб и ошибок. Трейлл (1978–2006) предполагает, что эта иерархия Эшби, возможно, совпадает с хорошо известной теорией стадий развития Пиаже. [В данной работе также рассматривается пример Эшби с 1000 переключателями; см. §C1.2]. Ведь в основе пиажевской доктрины лежит идея о том, что дети сначала учатся, активно действуя более или менее случайным образом, а затем, в идеале, извлекают уроки из последствий – что во многом напоминает случайные "пробы и ошибки" Эшби.

Примеры

Традиционно метод проб и ошибок был основным способом поиска новых лекарств, таких как антибиотики. Химики просто пробуют различные химические вещества случайным образом, пока не найдут то, которое оказывает желаемый эффект. В более сложном варианте химики отбирают узкий спектр химических веществ, которые, по их мнению, могут оказать некоторое воздействие, используя метод, называемый соотношением структура-активность. (Последний случай можно рассматривать как изменение постановки задачи, а не стратегии решения: вместо вопроса "Какое химическое вещество будет эффективно в качестве антибиотика?", в сложном подходе вопрос звучит как "Какие из химических веществ в этом узком спектре будут эффективны в качестве антибиотика?") Этот метод широко используется в различных областях, например, в технологии полимеров для поиска новых типов или семейств полимеров. Метод проб и ошибок также часто встречается в реакциях игроков на видеоигры: столкнувшись с препятствием или боссом, игроки часто разрабатывают ряд стратегий для преодоления препятствия или победы над боссом, и каждая стратегия реализуется до тех пор, пока игрок не добьется успеха или не покинет игру. Спортивные команды также используют метод проб и ошибок для квалификации и/или продвижения в плей-офф и победы в чемпионате, пробуя различные стратегии, комбинации игроков, расстановки и схемы игры в надежде победить каждого соперника на пути к победе. Это особенно важно в сериях плей-офф, где для продвижения требуется несколько побед, и команда, проигравшая игру, получает возможность опробовать новую тактику, чтобы найти способ победить, если она еще не выбыла из борьбы. Научный метод можно рассматривать как содержащий элемент проб и ошибок в формулировании и проверке гипотез. Также можно сравнить генетические алгоритмы, имитацию отжига и обучение с подкреплением – все это варианты поиска, основанные на базовой идее проб и ошибок. Биологическую эволюцию можно рассматривать как форму проб и ошибок. Случайные мутации и генетические вариации, возникающие при половом размножении, можно рассматривать как попытки, а низкую репродуктивную приспособленность или отсутствие улучшения приспособленности – как ошибку. Таким образом, со временем "знания" о хорошо адаптированных геномах накапливаются просто благодаря их способности к размножению. Bogosort, концептуальный алгоритм сортировки (крайне неэффективный и непрактичный), можно рассматривать как подход проб и ошибок к сортировке списка. Однако типичные простые примеры bogosort не отслеживают, какие порядки списка были опробованы, и могут многократно пробовать один и тот же порядок, что нарушает один из основных принципов проб и ошибок. Метод проб и ошибок на самом деле более эффективен и практичен, чем bogosort; в отличие от bogosort, он гарантированно завершится за конечное время для конечного списка и даже может быть разумным способом сортировки чрезвычайно коротких списков при определенных условиях. Прыгающие пауки рода Portia используют метод проб и ошибок для поиска новых тактик против незнакомой добычи или в необычных ситуациях и запоминают эти новые тактики. Эксперименты показывают, что Portia fimbriata и Portia labiata могут использовать метод проб и ошибок в искусственной среде, где задача паука – пересечь миниатюрную лагуну, которая слишком широка для простого прыжка, и он должен либо прыгнуть, а затем поплыть, либо только поплыть.

Trial and error has traditionally been the main method of finding new drugs, such as antibiotics. Chemists simply try chemicals at random until they find one with the desired effect. In a more sophisticated version, chemists select a narrow range of chemicals it is thought may have some effect using a technique called structure–activity relationship. (The latter case can be alternatively considered as a changing of the problem rather than of the solution strategy: instead of "What chemical will work well as an antibiotic?" the problem in the sophisticated approach is "Which, if any, of the chemicals in this narrow range will work well as an antibiotic?") The method is used widely in many disciplines, such as polymer technology to find new polymer types or families. Trial and error is also commonly seen in player responses to video games when faced with an obstacle or boss, players often form a number of strategies to surpass the obstacle or defeat the boss, with each strategy being carried out before the player either succeeds or quits the game. Sports teams also make use of trial and error to qualify for and/or progress through the playoffs and win the championship, attempting different strategies, plays, lineups and formations in hopes of defeating each and every opponent along the way to victory. This is especially crucial in playoff series in which multiple wins are required to advance, where a team that loses a game will have the opportunity to try new tactics to find a way to win, if they are not eliminated yet. The scientific method can be regarded as containing an element of trial and error in its formulation and testing of hypotheses. Also compare genetic algorithms, simulated annealing and reinforcement learning – all varieties for search which apply the basic idea of trial and error. Biological evolution can be considered as a form of trial and error. Random mutations and sexual genetic variations can be viewed as trials and poor reproductive fitness, or lack of improved fitness, as the error. Thus after a long time 'knowledge' of well adapted genomes accumulates simply by virtue of them being able to reproduce. Bogosort, a conceptual sorting algorithm (that is extremely inefficient and impractical), can be viewed as a trial and error approach to sorting a list. However, typical simple examples of bogosort do not track which orders of the list have been tried and may try the same order any number of times, which violates one of the basic principles of trial and error. Trial and error is actually more efficient and practical than bogosort; unlike bogosort, it is guaranteed to halt in finite time on a finite list, and might even be a reasonable way to sort extremely short lists under some conditions. Jumping spiders of the genus Portia use trial and error to find new tactics against unfamiliar prey or in unusual situations, and remember the new tactics. Tests show that Portia fimbriata and Portia labiata can use trial and error in an artificial environment, where the spider's objective is to cross a miniature lagoon that is too wide for a simple jump, and must either jump then swim or only swim.