認知科学 - 静岡大学

認知科学
情報と知識の関係
２０１５年１１月１２日（木）
人間の記憶
感覚登録器
短期貯蔵庫
長期貯蔵庫
(sensory registers)
(STS: short term store)
(LTS: long term
store)
一時的な作動記憶
環
境
制御過程
聴覚
リハーサル
コーディング
決定・探索・方略
…
視覚
聴覚
STSからの忘却
二重貯蔵モデル
(Atkinson & Shiffrin, 1971)
永続的な記憶の
貯蔵庫
宣言的知識
手続的知識
感覚記憶
感覚登録器は入力された情報を感覚記憶(sensory
memory)としてごく短時間保持する働きをする．
感覚モダリティによって情報の保持様式が異なる．
視覚の場合：アイコニックメモリ
聴覚の場合：エコイックメモリ
感覚記憶は大抵１秒以内くらいで減衰する．
選択的注意によって選択された情報は短期貯蔵庫
(STS)に送られる．
Hellyer(1962)の実験
1.
被験者に3子音音綴りを覚えさせる．
1回だけ声に出してリハーサルさせる群
2回だけ声に出してリハーサルさせる群
4回だけ声に出してリハーサルさせる群
8回だけ声に出してリハーサルさせる群
2.
その後はリハーサルをさせないために暗算を行わせ
た．
Hellyer(1962)の実験結
果
すべての反復条件で忘却が起きている．
リハーサル回数が多ければ多いほど，再生の漸近水準が高くなっている．
知覚の範囲
短時間の１回の視覚的呈示で，人間がみることのできる量
は，４ないし５項目に限られている．
ただし，部分報告
では９項目は覚え
ている．すなわち
報告過程で忘却し
てしまっている可
能性が高いといえ
る．
短期記憶
直接記憶の範囲
G.A.Miller (1956) マジカルナンバー7±2
チャンキング
リハーサル
短期記憶の情報をより長く保持すると同時に，
情報を長期記憶へ転送する働きもある．
維持型リハーサル：音響コードの反復
精緻型リハーサル：意味的連想，イメージ化
マジカルナンバー７±２
これから呈示する情報を記憶してください．ただしメモ書き
等はしないで記憶だけを頼りにしてください．
１１００９０１１９１１００９０
１１００９０１１９１１００９０
をそれぞれ３桁の意味としてまとめる
警察・携帯・消防・警察・携帯
チャンキング
マジカルナンバー７±２
これから呈示する情報を記憶してください．ただしメモ書き
等はしないで記憶だけを頼りにしてください．
中居正広木村拓哉稲垣吾郎草彅剛香取慎吾
NKMSHRKMRTKYNGKGRKSNGTYSKTRSNG
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認知科学
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考えてみよう
どうしてチャンキングすると，多くのことを
記憶できるようになるのだろう？
どんなシステムがあるのか．
記憶している“意味”と密接な関係がありそう．
刺激と意味は何によって結びついているのか．
年号や化学記号の語呂合わせによる記憶と関
係がありそう．
認知科学
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将来にでも考えてみよう
情報理論における情報源符号化によるデータの圧縮
のアルゴリズムと，人間のチャンキングによる記憶のメ
カニズムは似ているようだ．．．
コンピュータによるデータの圧縮性能は，アルゴリズムが
同じならデータの性質だけに従う．
人間も同じなのか？
チャンキングをするとき，人間はすでに記憶している知識を
利用している．
知識はいつも同じように利用できるものなのか．
システム論的に考えてみよう．
認知科学
11
長期記憶（長期貯蔵庫）
短期記憶から送られてきた情報を無限
の容量で半永続的に記憶する領域
記憶の方法
記憶される内容と形式
検索のメカニズム
長期記憶への情報の記銘
リハーサル
リハーサルしている間は短期記憶の中に情報を保持し
ておくことができる．
情報を短期記憶から長期記憶へ転送する働きをもつ．
注釈
リハーサルは簡単で数学的にも扱いやすいため，記憶
理論にとっては手頃な概念である．
リハーサルが情報転送のメカニズムであることは明ら
かである．
しかしリハーサルが長期貯蔵庫に情報を転送するため
の唯一の手段ではない．
リハーサルの型
維持リハーサル
ある種の情報を取り出し，その情報に対する低
水準で，一時的，音響的コードを作るリハーサ
ル．このコードは無限に維持することができる
が，長期貯蔵庫への情報転送は生じない．
精緻化リハーサル
情報を受け取り精緻なコードを作り出す．例え
ば，連想的コード，イメージのコード，体制化の
コードなどで，安定しており，後に長期貯蔵庫
から検索可能である．
Craik & Watkins(1973)の実験
1.
被験者に長い単語のリストを呼んで聞かせる．
2.
被験者の課題は，リストの呈示が終わったときに，あ
る特定の字で始まる単語で，一番最後に出てきた単
語を報告する．
3.
リストをいくつか与えた後に，突然，最終自由再生検
査をする．
Craik & Watkinsの実験結果
リハーサルによっても必ずしも再生率は向上しない．
単なる維持リハーサルでは長期貯蔵庫への情報転送
は起こらないことが示唆される．
再生と再認
再生 (recall)
かなり完全な情報が必要となり，なるべく多くの情報を
できる限り長期貯蔵庫に保持しておくことが必要．
再生と再認では，異なった
再認 (recognition)
メカニズムが働いている
長期貯蔵庫におおまかで不完全な情報がありさえすれ
ばよい．
異なるメカニズムを示す例
低頻度の単語の方が再認成績は良いが，再生
においては高頻度の単語の方が再生されやす
い．
偶発的学習と意図的学習で再生と再認の特徴
が異なる．
再生とはログイン名やパスワード，UNIXコマン
ドを思い出すこと，再認とはディレクトリ内のリス
トから探しているファイルを見つけ出すこと．
再生の中でも意味の再生はずっと容易である．
注意すべきこと
今日取り扱う「知識」とは，明示的に記述できる（顕在化
した）知識についてのみである．
人間の認知活動の中では，このような知識だけでなく，
心的に顕在化しなくても，しかし確かに存在するであろ
う知識がある．
これを一般に「暗黙知」と読んでいる．
暗黙知はそれだけでは“姿を現さない”が，ある身体運
動や状況に伴って自動的に活性化する性質がある．
本講義では暗黙知は直接は取り扱わない．
命題ネットワーク
命題とは
知識の基本単位
命題は文そのものではなく，文のもつ抽象的な意味
を表す．
独立した内容をもち，それについて真偽を問うことが
できる．
いくつかの規則に従って，何らかの形式的構造をも
つ．
命題ネットワークの例
1.
Ａがチョコレートを買った
2.
ＢがＡのチョコレートをもらった
3.
ＣがＢのチョコレートを盗んだ
買う
関係
Ａ
主体
時間
もらう
１
対象
チョコレート
関係
対象
主体
２
対象
主体
C
３
時間
時間
関係
盗む
B
命題ネットワークとＨＩ
命題ネットワークに対してより多くのアクセスポ
イントが与えられる．
ヒューマンインタフェース設計では，メニュー，
アイコンなどは，使用可能な機能や情報につい
て，よりアクセスポイントを与えるためのきっか
け(cue)を作る役割をもっている．
「贈る」の場合
スキーマ
Ｘ：与え手
Ｙ：受け手
階層構造の例
知識，記憶内の情報を組織化するための構造．
Ｚ：贈られる対象顔ー目ー瞳孔
太郎（Ｘ）が花子（Ｙ）に指輪（Ｚ）を贈った．
鼻まぶた
特徴
口まつげ
変数をもつ
階層関係をもつ
あらゆる抽象度の知識を表現できる
記憶に蓄えられた一般的概念や知識を表現す
るためのデータ構造．
スキーマ(schema)理論
過去の経験や外部環境についての
構造化された知識 (Bartlett, 1932)
記憶内に貯蔵された一般的概念を表現するため
のデータ構造であると定義
Rumelhart & Ortony (1977)：スキーマ
Minsky (1975)：フレーム
Shank & Abelson (1977)：スクリプト
スキーマの特性
変数をもつ
スキーマは情報の束であり，固定的要素と可変的要素をもつ．
埋め込み構造をもつ
スキーマは他の上位スキーマの中に埋め込み可能である．
あらゆる抽象度をもつ
スキーマはあらゆる抽象度の情報を網羅する．
定義ではなく知識を表現する
スキーマが表現する知識は，辞書の記載事項のように定義的でなく，
むしろ百科事典的に多様な内容を含む．またスキーマは概念に
結びついた知識を表現する．
スキーマの特性
変数をもつ
スキーマは情報の束であり，固定的要素と可変的要素をもつ．
「桃太郎」の童話の
中できび団子を与
える場合における
デフォルト値
与える
ス与え手
キ受け手
マ品物
恩賜という動詞の場
合では「与え手が天
皇であるのがデフォ
ルト値
恩賜
桃太郎
サル
きび団子
ス与え手
キ受け手
マ品物
天皇
臣下の者
扇子
スキーマの特性
埋め込み構造をもつ
スキーマは他の上位スキーマの中に埋め込み可能である．
顔
目
瞳孔
虹彩
鼻
瞼
口
耳
眉
スキーマの特性
あらゆる抽象度をもつ
スキーマはあらゆる抽象度の情報を網羅する．
正三角形を構成する線分の布置
抽象度低
行動系列
プラン
物語の筋書き
抽象度高
スクリプト (script)
頻繁に起こる日常的な行動や出来事の系列
に関する構造化された知識（スキーマ）を表す．
Shank & Abelson (1977)
人間の知識の一部はステレオタイプな状況と，それに
伴うルーチン化された行動を中心として，構造化さ
れている．
演習
「電話でピザを注文する」ためのスクリプトを
書いてみましょう．
開始条件
注文するもの：ハーフ＆ハーフＬサイズ１枚
オプション：レギュラークラスト
住所：浜松市中区城北3-5-1 情報学部情１１
知識
対象とその属性に関する知識
対象間の関係に関する知識
事象・行為・状態に関する知識
因果関係的な知識
手順に関する知識
メタ知識
知識を体系化し知識間の関係を記述する
知識の表現形式
命題的表現 (propositional representation)
概念は，意味属性の集合で表現できると考える．
→意味ネットワークモデルなど
類推的表現 (analogical representation)
イメージ(mental image)を表現する役割．
→アイコンなど
手続き的表現 (procedural representation)
動作を遂行するための手続的な知識．やり方．
→プロダクションルール
意味ネットワーク
人間の長期記憶の心理学的モデルの１つ．
Quillian, M. R. (1968)によって提案される．
認知科学（心理学），知識工学，コンピュータの発展とと
もに議論が深まる．
階層的な概念構造によって組織化．
認知的経済性の原理に従っている．
意味ネットワークの例
動物
is-a
is-a
皮膚がある
動き回る
呼吸する
食べる
鳥
is-a
is-a
カナリア
さえずる
黄色い
魚
翼がある
飛ぶ
羽がある
ダチョウ
長くて細い
足がある
背が高い
飛べない
ひれがある
泳ぐ
えらがある
is-a
is-a
サメ
噛み付く
危険である
サケ
ピンク色
食べられる
上流に泳ぎ
産卵する
意味ネットワークの特徴
各概念はネットワーク中の節点(node)と有向枝
(link)からなるグラフ構造をしている．
上位の概念は下位に概念に継承される
(inheritance)．
それぞれの概念固有の情報はその概念に記
述される．
意味ネットワークの心理学的妥当性
仮説
情報の検索は概念間のリンクをたどることに
よって行われる．
予測
それに必要な時間は，多くのレベルを移動する
ほど長くなる．
人間がカテゴリー関係や概念をもつ特徴に関する文に
ついて，真偽判断をするのにかかる時間を測定．
意味ネットワークによる文の内容表現
花子が昨日ラ
イオンで雪子
を強く殴ったん
だよ．
ライオンって？
ビアホールで
騒がしいとこさ，
ビールや酒を
出してる．
なんで殴った
の？
フレーム表現
人間の記憶および認知の過程をモデル化
するための枠組みとしてMinsky (1974)に
よって最初に提案された知識表現形式．
フレーム表現は知識の構造的表現の一つであり，
典型的な状況や事象・対象などの概念的記述とそ
れらの間の階層的関係の記述を利用して，具体
的な状況や事象・対象に対する理解や問題解決
を効率よく行なうことを意図している．
対象中心表現
人間はすべての知識を総動員して複雑な推論
や計算をしているわけではない．
フレーム表現は，対象や事象，状況
通常は典型的(prototypical)な状況についての
などに関して意味的につながりをも
知識を用いて，現実の状況が予測または期待
つ知識群を陽に抽出し，これらを構
される範囲内で推移するならば，特別な推論を
必要としない．
造化しようとするものであり，その意
味で対象中心表現と呼ばれる．
なにか予想されないような事態が起こった場合
に限り，特別な推論が駆動される．
フレームの基本構造
フレーム名
スロット１
スロット値
スロット２
スロット値
スロット３
スロット値
：
スロット値
スロットｎ
スロット値
• 他のフレーム（継
承関係）
• 数値
• 文字列
• 手続き名
• その他
各スロットはその事象における役割格を表し，フレームが
対象を表す場合にはその対象がもつ属性をあらわす．
性質の継承
フレーム間の階層関係は“is_a”関係で表現される．
“a_kind_of”
“an_instance_of”
“a_subset_of”
静岡大学浜松キャンパス
関係
a_subset_of （静大キャンパ
ス）
組織
下位フレームは上位フレームがもつ性質
を継承することができる．
浜松市城北3-5-1
所在地
情報学部
関係
a_subset_of （静大浜松Ｃ）
工学部
関係
所在地
学科
情報科学科，情報社会学科
a_subset_of （静大浜松
Ｃ）
所在地
学科
機械工，電気・電子工，物
質工，システム工
演習
この文をフレームで表現せよ．
「大学生は，一般に，勉強嫌いで，礼儀知らずで
ある．工学部の学生は，一般に，性格が暗く，機
械いじりを趣味としている．情報学部の学生は，一
般に，人付き合いが苦手で，アニメーションが好き
である．太郎は，工学部の学生で，性格は明るく，
勉強熱心である．次郎は，情報学部の学生である
が，アニメーションよりプログラミングに興味があ
る．」
解答テンプレート
フレーム名
工学部の学生
関係
a_kind_of （ ① ）
性格
（
②
）
興味
（
③
）
職業フレームへ
フレーム名
大学生
関係
a_kind_of 職業
勉強態度
勉強嫌い
行儀
礼儀知らず
フレーム名
情報学部の学生
関係
a_kind_of （ ④ ）
（
⑤
）
人付き合いが苦手
興味
（
⑥
）
フレーム名
太郎
フレーム名
次郎
関係
an_(
⑦ )_of
工学部の学生
関係
an_(
⑩ )_of
情報学部の学生
（
⑧
）
勉強態度
明るい性格
（
⑨
（
⑪
）
（
⑫
）
）
大学生は，一般に，勉強嫌いで，礼儀知らずである．工学部の学生は，一般
に，性格が暗く，機械いじりを趣味としている．情報学部の学生は，一般に，人
付き合いが苦手で，アニメーションが好きである．太郎は，工学部の学生で，
性格は明るく，勉強熱心である．次郎は，情報学部の学生であるが，アニメー
ションよりプログラミングに興味がある．
解答
フレーム名
大学生
関係
a_kind_of 職業
勉強態度
勉強嫌い
行儀
礼儀知らず
職業フレームへ
フレーム名
工学部の学生
フレーム名
情報学部の学生
関係
a_kind_of 大学生
関係
a_kind_of 大学生
性格
暗い性格
性格
人付き合いが苦手
興味
機械いじり
興味
アニメーション
フレーム名
太郎
フレーム名
次郎
関係
an_instance_of
工学部の学生
関係
an_instance_of
情報学部の学生
性格
明るい性格
興味
プログラミング
勉強態度
勉強熱心
大学生は，一般に，勉強嫌いで，礼儀知らずである．工学部の学生は，一般
Ｑ１．太郎の行儀は？
に，性格が暗く，機械いじりを趣味としている．情報学部の学生は，一般に，人
Ｑ２．工学部の学生の勉強態度は？
付き合いが苦手で，アニメーションが好きである．太郎は，工学部の学生で，
Ｑ３．次郎の性格は？
性格は明るく，勉強熱心である．次郎は，情報学部の学生であるが，アニメー
Ｑ４．情報学部の学生の行儀は？
ションよりプログラミングに興味がある．
推論
フレーム名
大学生
関係
a_kind_of 職業
勉強態度
勉強嫌い
行儀
礼儀知らず
職業フレームへ
フレーム名
工学部の学生
フレーム名
情報学部の学生
関係
a_kind_of 大学生
関係
a_kind_of 大学生
性格
暗い性格
性格
人付き合いが苦手
興味
機械いじり
興味
アニメーション
フレーム名
太郎
フレーム名
次郎
関係
an_instance_of
工学部の学生
関係
an_instance_of
情報学部の学生
性格
明るい性格
興味
プログラミング
勉強態度
勉強熱心
Ｑ１．太郎の行儀は？
大学生は，一般に，勉強嫌いで，礼儀知らずである．工学部の学生は，一般
Ａ１．礼儀知らず
に，性格が暗く，機械いじりを趣味としている．情報学部の学生は，一般に，
Ｑ２．工学部の学生の勉強態度は？
Ａ２．勉強嫌い
人付き合いが苦手で，アニメーションが好きである．太郎は，工学部の学
Ｑ３．次郎の性格は？
Ａ３．人付き合いが苦手
生で，性格は明るく，勉強熱心である．次郎は，情報学部の学生であるが，
Ｑ４．情報学部の学生の行儀は？
Ａ４．礼儀知らず
アニメーションよりプログラミングに興味がある．
注意！
人間の頭の中の知識表象（内部表現）は現在のとこ
ろまだ直接知ることができない．
スキーマもフレームもスクリプトも，人間の内的表現
のモデルとしての外部表現に他ならない．
コンピュータで利用される知識はすべて外部表現．
人間の知識表現を説明する上で有力な方法なので
上記のことを留意の上，つねに心理学的妥当性を考
慮しながら人間の「知」のメカニズムを探ることが認
知科学の方法論となる．
おしまい

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