GRUNDLÄGGANDE VETENSKAPSTEORI

Transkript

1 CT3620VETENSKAPSMETODIK FÖR TEKNIKOMRÅDET GRUNDLÄGGANDE VETENSKAPSTEORI KOMMUNIKATION OCH FÖRKLARING VETENSKAPSTEORETISKA TRADITIONER Gordana Dodig-Crnkovic Department of Computer Science and Engineering Mälardalen University 1

2 FÖRELÄSNINGAR 0. VETENSKAP, KUNSKAP, SANNING 1. KRITISKT TÄNKANDE 2. KOMMUNIKATION OCH FÖRKLARING; VETENSKAPSTEORETISKA TRADITIONER 3. PROFESSIONELLA OCH SAMHÄLLELIGA FRÅGOR 2

3 KOMMUNIKATION OCH FÖRKLARING SPRÅK OCH KOMMUNIKATION VETENSKAPSTEORETISKA TRADITIONER POSITIVISM, TOLKNINGSVETANDE (HERMENEUTIK) OCH KRITISK TEORI 3

4 Language vs communication Language is not identical with communication. There are many other communicative tools such as Turn-taking Intonation Gesture (body language) Eye gaze control Touch Displays: external objects, including jewelry, tattoos, clothing, cars 4

5 WHAT IS COMMUNICATION? There are many definitions of communication. Many of them are problematical because they use terms which are as complex and difficult to define as communication'- i.e. 'the transmission of symbols', where the problem of how to define a symbol looms. 5

6 E.O WILSON S DEFINITION In his book 'Sociobiology' (1975) E.O. Wilson wrote: "Communication occurs when the action or cue given by one organism is perceived by and thus alters the probability pattern of behavior in another organism in a fashion adaptive to either one or both of the participants." (p. 111) There is thus the idea of influence as the result of one organism's behavior on another organism This definition is tied to a mathematical definition of information (Shannon and Weaver, 1949) as a reduction in uncertainty 6

7 HAUSER S DEFINITION Hauser suggested that we should draw distinction between two different forms of communication: cues versus signals A cue (ett tecken/antydning) is a regularity that is permanently 'on e.g. a rock in our path cues us, as does the sun when it rises in the east A signal is more plastic, and can be turned on and off e.g. a warning cry issued in response to the appearance of a dangerous predator 7

8 INNATE VERSUS CULTURAL CUES In the biological world, Hauser's interest was in underscoring that cues typically correspond to phenotypethe way our genes have expressed, in our appearance and behavior For example markings which allow a male to recognize a suitable mate of the same species by markings on the female is using cues and so is an animal that warns off predators by its coloring Signals may be innate or cultural 8

9 HOW COMMON IS COMMUNICATION? All animals have a biologically-based semantics of signals: they need to, in order to be able to identify the relevant aspects of the four F's of biological semantics: Feeding, Fleeing, Fighting, and Fornication (actually reproduction, but that does not start with F). 9

10 WHAT ABOUT HUMAN COMMUNICATION? We do have many cues E.g we have many sexually-relevant cues: secondary male/female characteristics that are visible all the time, and displays of wealth like gold chains and Porsches We can issue signals without language This is what allows aphasics and pre-linguistic infants to communicate A small infant in pain can issue a cry of distress that is immediately and unequivocally different from a less-urgent cry of hunger or tiredness 10

11 Animal communication All animals communicate, some in complex ways Only by using the most stripped-down definition of language can we say that any non-human animal has or can learn language No non-human animal can come close to a 2.5-year old human on any measure one may define: vocabulary size, range of expression, mean utterance length, range of syntactic mastery, range of predication, ability to use logical markers etc. 11

12 COMMUNICATION Communication is imparting of information, interaction through signs/messages. Information is the meaning that a human gives to signs by applying the known conventions used in their representation. Sign is any physical event used in communication. Language is a vocabulary and the way of using it. 12

13 SEMIOTICS Semiotics, the science of signs, looks at how humans search for and construct meaning. Semiotics: reality is a system of signs! 13

14 SEMIOTICS Three Levels of Semiotics (Theory of Signs) syntactics semantics pragmatics 14

15 SEMIOTICS Reality is a construction Information or meaning is not 'contained' in the (physical) world and 'transmitted' to us - we actively create it through a complex interplay of codes or conventions. The study of signs is the study of the construction and maintenance of reality. 15

16 SEMIOTICS 'A sign... is something which stands to somebody for something in some respect or capacity'. Sign takes a form of words, symbols, images, sounds, gestures, objects, etc. Anything can be a sign as long as someone interprets it as 'signifying' something - referring to or standing for something. 16

17 SIGN CAT (signifier) (signified) The sign is the whole that results from the association of the signifier (a pointer) with the signified (that what pointer points to) 17

18 This is Not a Pipe... by Rene Magritte.... Surrealism 18

19 LANGUAGE Reality is divided up into arbitrary categories by every language. The conceptual world with which each of us is familiar could have been divided up very differently. The full meaning of a sign does not appear until it is placed in its context, and the context may serve an extremely subtle function. 19

20 LANGUAGE AND THOUGHT Två idéströmningar: Translation is possible (linguistic realism). Translation is essentially impossible (linguistic determinism and linguistic relativism) - Sapir-Whorf hypothesis. 20

21 REALITY AND COMMUNICATION If a tree falls and no one (ever) knows it, has it really fallen? 21

22 HIERARCHICAL STRUCTURE OF LANGUAGE Object-language Meta-language In dictionaries on SCIENCE there is no definition of science! The definition of SCIENCE can be found in PHILOSOPHY dictionaries. 22

23 DET VETENSKAPLIGA SPRÅKET TEORI KORRESPONDENS- REGLER EMPIRI SINNESINTRYCK SEMANTISK A REGLER 23

24 SPRÅKETS MÅNGTYDIGHET Ord meaning (mening, uppfattning betydelse, innebörd; tanke, avsikt) mening (view, idea, intention, purpose, object, aim, sense, context, sentence) uppfattning (opinion, convictions) betydelse (meaning, signification, import, sense, significance, importance) innebörd (meaning, signification, import, content, purport) tanke (thought, idea, opinion) avsikt (intention, purpose, aim, object, end, motive, intent) 24

25 SPRÅKETS MÅNGTYDIGHET "Videofilmning av fotograf under vigseln pris 1600:-" Men bröllopsparet och gästerna? "Regeringen gör ingenting. Snarare tvärtom". Men... då gör de väl ALLT? 25

26 SPRÅKETS MÅNGTYDIGHET "Oanvänd, felfri vara byts mot kvitto inom 8 dagar." Varför skulle jag vilja byta mina varor mot ett kvitto? Mjuk och kul glass" 26

27 SPRÅKETS MÅNGTYDIGHET "Självmord tvingar ministrar att avgå" (Självmord medför väl naturlig avgång?) Läs mer på Avigsidan 27

28 EXPLANATORY MODELS Mythopoetic (Making or producing myths or mythical tales) Philosophical Scientific 28

29 THE MYTHO-POETIC UNIVERSE In ancient Egypt the dome of the sky was represented by the goddess Nut, She was the night sky, and the sun, the god Ra, was born from her every morning. 29

30 THE MEDIEVAL UNIVERSE - EARTH IN THE CENTRE From Aristotle Libri de caelo (1519). 30

31 THE CLOCKWORK UNIVERSE The mechanicistic paradigm which systematically revealed physical structure in analogy with the artificial. The self-functioning automaton - basis and canon of the form of the Universe. Newton Principia,

32 THE UNIVERSE AS A COMPUTER We are all living inside a gigantic computer. No, not The Matrix: the Universe. Every process, every change that takes place in the Universe, may be considered as a kind of computation. E Fredkin, S Wolfram 32

33 METODSKOLOR INOM VETENSKAPEN Vetenskap syftar till att åstadkomma pålitlig kunskap Vad är en vetenskaplig metod? - meningarna går isär... Det har funnits olika åsikter under olika tider (och fortfarande...) 33

34 TRADITIONELLA VETENSKAPSIDEAL Sanning Universalitet Intersubjektivitet Reproducerbarhet Öppenhet Internationalitet Enkelhet Relevans Generalitet Validitet Klarhet Nyhet Vetenskaplig trovärdighet Estetik 34

35 VETENSKAPSTEORETISKA TRADITIONER: ANTIKEN Platon Oföränderliga, eviga idealbilder - den perfekta sanningen existerar i en abstrakt tankevärld Vad vi ser är ofullständiga reflektioner, avbildningar Aristoteles Vetenskaplig forskning blir framförallt logiska resonemang och tankeexperiment 35

36 VETENSKAPSTEORETISKA TRADITIONER: MEDELTIDEN Det klassiska resonerande angreppssättet levde kvar. Premisserna som man resonerade från, eller de absoluta sanningar man sökte, var givna av Gud. Dogmatisk teologi. St Thomas Aquino (1200-talet). 36

37 VETENSKAPSTEORETISKA TRADITIONER: KONTINENTALSKOLAN Descartes Så småningom Hegel, Marx Fortsättningen på den resonerande traditionen, från Platon genom Aquino m fl 37

38 VETENSKAPSTEORETISKA TRADITIONER EMPIRISTERNA Hume och andra, 1600-talets England Newton (praktiska resultat) Ny ("modern") världsbild Den materiella världen intressant i sig själv Observationer, experiment, induktion 38

39 VETENSKAPSTEORETISKA TRADITIONER NUTIDEN... Positivism* Hermeneutik Kritisk rationalism *(Inklusive Behaviorism som är samhällsvetenskapernas positivism). 39

40 Platon, Aristoteles Kunskapsteoretisk utveckling St Thomas av Aquino Hume Descartes Kant Hegel Russell, Carnap, Wittgenstein Popper Hermeneutik Positivism Kritisk rationalism 40

41 TVÅ VETENSKAPLIGA SYNSÄTT POSITIVISM. Det naturvetenskapliga synsättet. HERMENEUTIK. Det samhällsvetenskapliga synsätt. Forskningen är ett sökande efter mening och sammanhang. Tolkningar tar hänsyn till sammanhanget. Tolkningar är tids-, kultur- och personbundna. 41

42 TVÅ SKILDA VETENSKAPLIGA ANGREPPSSÄTT Nomotetiskt (kopplad till positivismen): Verkligheten är objektiv. Sökande efter sann kunskap. Ideografiskt (kopplad till hermeneutiken): Verkligheten är subjektiv, upplevd. Sökande efter upplevd kunskap. 42

43 TVÅ TYPER AV DATA OCH ANALYS Kvantitativ (mätningar, strukturerad analys, enkät): Bestämmer mängd; hur mycket. Fastställer relationer. Kvalitativ (intervju, litteraturstudie, iakttagelser): Beskriva och förstå fenomen. Beskriva sammanhang. Bestämma art (sortering). 43

44 POSITIVISM "Wiencirkeln" 1920-talet (Carnap & Co ) Genom empiriska observationer ställa upp och verifiera teorier Naturvetenskapligt inriktad Idealteorin skulle vara en matematisk, exakt och empiriskt verifierad modell Karakteriseras av kvantitativa metoder 44

45 POSITIVISTERNAS DEFINITION AV VETENSKAPLIG KUNSKAP All verklig och vetenskaplig kunskap framgår ur empiriska observationer och bör vara så objektiv som möjligt Metafysisk spekulation (typ Platon) är inte vetenskap 45

46 POSITIVISTERNAS DEFINITION AV VETENSKAPLIG KUNSKAP Teorier bör kunna verifieras empiriskt Ren deduktion är tautologisk. Deduktiva resonemang som säger sig ge kunskap om verkligheten är meningslösa. Vetenskaplig kunskap är i sista hand induktiv. 46

47 HERMENEUTIK Hegel, Heidegger Att försöka uppnå högre grad av (med nödvändighet) subjektiv förståelse Tolkning av verkligheten Samhällsvetenskapligt inriktad Exempel: att tolka en dikt, bok, tavla, ett historiskt händelseförlopp Nästan aldrig kvantitativa metoder 47

48 HERMENEUTIKERNAS DEFINITION AV VETENSKAPLIG KUNSKAP Kunskap måste bidra till att öka inre förståelse. Alternativ ståndpunkt: kunskap som inte uttrycks i handling är inte kunskap, vetenskapen skall frigöra de förtryckta - Frankfurt-skolan Siffror är tråkiga och varför skall doktorsavhandlingar tryckas - publicera den som ett rollspel 48

49 POSITIVISM KONTRA HERMENEUTIK Objektiv, verifierad sanning kontra subjektiv förståelse Matematiska modeller kontra nya språk (karikerat) Naturvetenskap kontra samhällsvetenskap (hermeneutiker håller sig till samhällsvetenskap) induktiv (och deduktiv) logik kontra dialektik. 49

50 KRITISK RATIONALISM Popper, K Vi kan aldrig verifiera en teori, endast falsifiera (förkasta den) Försök och misstag (trial and error) Jämför två eller flera teorier empiriskt och välj den bästa teorin = den som vi inte kunde förkasta Hur verifierar vi hypotesen att teorin är förkastad? 50

51 POPPERS AVGRÄNSNING AV VETENSKAP - DEMARCATION En teori som inte i princip kan förkastas genom empiriska observationer är inte vetenskaplig Teorier som alltid förklarar och stämmer med allting är inte vetenskapliga - de är religion eller metafysik Ju otroligare teori desto bättre - s k djärva hypoteser - om det visar sig att den inte går att förkasta 51

52 KRITISK RATIONALISM KONTRA POSITIVISM Falsifikation kontra verifikation Ersätta teorier som har visat sig stämma dåligt med observationer med sådana som tills vidare förefaller att stämma bättre kontra att empiriskt verifiera teorier. 52

53 POPPERS KRITISKA RATIONALISM Vi kan inte verifiera induktivt framtagna hypoteser/teorier, endast falsifiera dem. En misslyckad falsifiering leder till en provisorisk sanning. Alla teorier/hypoteser ska kunna falsifieras. 53

54 KUHN: VETENSKAPLIGA PARADIGMER Ett vetenskaplig paradigm är en uppsättning grundantaganden - "världsbild" - som en viss grupp forskare utgår från och inom vars ramar de arbetar. Man kan inte tvivla på allt om man skall få något gjort. Paradigmer innefattar t ex begrepps-apparaturen (terminologin) samt ett gemensamt metodsynsätt. 54

55 PARADIGMSKIFTEN Inom paradigmet bedrives normalvetenskap. Det finns alltid anomalier = fakta som inte passar in. Förr eller senare får man fram sådana resultat som inte är förenliga med de grundantaganden man arbetar utgående ifrån. Då måste man börja ifrågasätta grundantagandena - ändra paradigmet. Thomas Kuhn: The Structure of Scientific Revolutions. 55

56 METODOLOGISKA GRUNDSATSER POSITIVISM (Experiment, statistisk analys) HERMENEUTIK (Textanalys, deltagande observation) BEHAVIORISM (Statistisk analys, experiment) FUNKTIONALISM (Systemanalys) 56

57 KLASSISKA VETENSKAPER I SIN KULTURELLA KONTEXT Kultur (Religion, Konst, ) 5 Logik & Matematik 1 Naturvetenskaper (Fysik, Kemi, Biologi, ) 2 Samhälsvetenskaper (Ekonomi, Sociologi, Antropologi, ) 3 Humaniora (Filosofi, Historia, Linguistik ) 4 57

58 POSITIVISM (1) Enhetsvetenskapsidealet Idealet om den vetenskapliga kunskapens logiska karaktär Enbart empirisk och definitionsmässig sanning Den logiska empirismen och den logiska positivismen 58

59 POSITIVISM (2) Värden hör ej till vetenskapen Teoretiska termer reducerbara till empiriska Demarkationskriterium: verifierbarhet Den logiska empirismen och den logiska positivismen covering law* förklaringar symmetri mellan förklaring och prediktion 59

60 * COVERING-LAW FÖRKLARINGAR Enligt "covering-law"-synen på förklaringar, förklarar man ett fenomen om man logiskt kan visa att fenomenet ifråga faller under en naturlag. Då blir en förklaring ett logiskt argument, där premisserna utgörs av lagsatser och initialvillkor, och där slutsatsen är en beskrivning av fenomenet ifråga. 60

61 HERMENEUTIK Kritik av "covering law"-modellens tillämpbarhet i samhällsvetenskap Singulära teorier meningsfulla Förståelse det centrala begreppet (betydelse, mening) Engagemang viktigt Historisk perspektiv viktig Deltagande observation Kvalitativa data 61

62 BEHAVIORISM Samhällsvetenskapernas positivism Konstanta sociala samband Observationer oproblematiska Rationalitets-antagande Objektivitet Statistisk analys 62

63 FUNKTIONALISM System, självreglering Rationalism-antagande (bland människor) Analytiska modeller 63

64 SLUTNA VS. ÖPPNA SYSTEM Fullständiga förklaringar kräver slutna system. I verkligheten är alla fenomen delar av öppna system. 64

65 PARADIGM EXAMPLE: EVOLUTION Paradigm: An overall framework, pattern or premises to which subsequent evidence is made to conform. 65

66 A BRIEF HISTORY OF BIOLOGY "This year was not marked by any of those striking discoveries which at once revolutionise science (Thomas Bell, president of the Linnean Society of London, summarizing the year 1858, the year in which Darwin had presented his theory of evolution to the Society) 66

67 A BRIEF HISTORY OF BIOLOGY 1859: CHARLES DARWIN EVOLUTION = VARIATION+SELECTION 1865: GREGOR MENDEL UNITS OF TRANSMISSION OF TRAITS 1920S: POPULATION GENETICS (PROBABILITIES) 1940S: MODERN SYNTHESIS(VARIATION=MUTATION) 1944: DNA 1953: GENETIC CODE 1960S: TRANSLATION OF FOUR-LETTER GENETIC CODE INTO TWENTY-LETTER LANGUAGE OF PROTEINS 2000s: HUMAN GENOME - completion of the human genetic sequence 67

68 DESIGN WITHOUT A DESIGNER THE EVOLUTIONARY PARADIGM: SELECTION AND VARIATION (I.E. ENVIRONMENT AND RANDOMNESS) DESIGN EMERGES SPONTANEOUSLY VIA AN ALGORITHMIC PROCESS 68

69 THE MANY FACES OF EVOLUTION Evolution: change over time. Biological Evolution: the change in the frequency of genetic variations (alleles) in a population of organisms over time. The Evolutionary Paradigm: the origin and nature of the universe are products of natural forces. 69

70 ORIGIN OF THE CELL:THE PROBLEMS OF IRREDUCIBLE COMPLEXITY Cells are complex. Most of the components, processes, and pathways need to be already present and functioning for any one component to work. 70

71 THE CONCEPT OF NATURAL SELECTION Limited number of resources Competition results in struggle for existence Success depends on fitness - fitness of an individual: how well-adapted an individual is to their environment. This is determined by their genes (blueprints for their physical and other characteristics). Successful individuals are able to reproduce and pass on their genes 71

72 WHEN CHANGES OCCUR... Previously fit (well-adapted) individuals will no longer be best-suited for their environment Some members of the population will have genes that confer different characteristics than the norm. Some of these characteristics can make them more fit in the changing environment. 72

73 MAJOR AGENTS OF GENETIC CHANGE IN INDIVIDUALS (1) Mutation in genes may be due to various sources (e.g. UV rays, chemicals, etc.) Start: Location of Mutation After Mutation:

74 MAJOR AGENTS OF GENETIC CHANGE IN INDIVIDUALS (2) Recombination (Crossing-Over) occurs during reproduction -- sections of genetic material exchanged between two chromosomes 74

75 RECOMBINATION (CROSSING-OVER) Image from 75

76 EXAMPLE OF NATURAL SELECTION AND MICRO-EVOLUTION Peppered moth during Industrial Revolution (Manchester, England, 1848) Pre-Industrial Revolution --> Image copyright Lawrence M. Cook ( 76

77 EXAMPLE OF NATURAL SELECTION AND MICRO-EVOLUTION (2) During Industrial Revolution --> Image copyright Lawrence M. Cook ( 77

78 WHAT IS EVOLUTIONARY COMPUTATION? An abstraction from the theory of biological evolution that is used to create optimization procedures or methodologies, usually implemented on computers, that are used to solve problems. 78

79 WHY USE EVOLUTION AS A MODEL FOR SOLVING COMPUTATIONAL PROBLEMS? 79

80 THE NATURE OF COMPUTATIONAL PROBLEMS (1) Require search through many possibilities to find a solution (e.g. search through sets of rules for one set that best predicts the ups and downs of the financial markets) Search space too big - search won t return within our lifetimes These types of problems are better solved using a parallel approach 80

81 THE NATURE OF COMPUTATIONAL PROBLEMS (2) Require algorithm to be adaptive or to construct original solution (e.g. interfaces that must adapt) 81

82 Why Evolution Proves to be a Good Model for Solving these Types of Problems (2) Evolution is in effect a method of searching for the best (optimal) solution from a great number of possibilities Possibilities - all individuals Best solution - the most fit or well-adapted individual Evolution is a parallel process Testing and changing of numerous species and individuals occur at the same time (or, in parallel) 82

83 Why Evolution Proves to be a Good Model for Solving these Types of Problems (2) Evolution can be seen as a method that designs new (original) solutions to a changing environment 83

84 When to Use Evolutionary Computing Strategies When space to be searched is large When the best solution is not necessarily required Approach to solving a problem not well-understood Problems with many parameters that need to be simultaneously optimized Problems that are difficult to describe mathematically 84