20-1 记忆概览(AGI基础理论)

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不同AGI的研究路线对比简化版:《AGI(具身智能)路线对比》,欢迎各位参与讨论、批评或建议。

一.多重记忆模型

记忆是人脑对经验过事物的识记、保持、再现或再认,它是进行思维、想象等高级心智活动的基础。根据早期Atkinston和Shiffrin(1968)年提出的多重记忆模型,可以将记忆分为,感觉记忆,短时记忆和长时记忆三种;另外,在短时记忆中还能进行对记忆的复述加工,如图1。

图1

通过一个例子对这些概念作简单说明。当前你正在屏幕上看着我写的书,所有映入你眼帘的视网膜上的信息都是属于感觉记忆,感觉记忆可以看作是一张人眼分辨率的照片。但此时,只有部分感觉记忆能被注意到,这些被注意到的信息就是短时记忆。比如,在屏幕上你一次只能读一句话(假设这句话是"记忆分为三种,感觉记忆,短时记忆和长时记忆")。除非有意注意,屏幕上的其他句子都很难被意识到,并随即被过滤掉(即未被注意到的感觉记忆随即会消失)。而被意识到的句子就处于短时记忆中。短时记忆有一种复述机制,这种机制可以使被注意信息一直保留在短时记忆中。短时记忆中的信息(如"记忆分为三种,感觉记忆,短时记忆和长时记忆")可以存储在长时记忆中,这个存储过程称为编码。如果以后需要用到这条知识,比如说考试的时候,就能从长时记忆中提取到短时记忆中使用。这个过程称为提取。 短时记忆和长时记忆的区别在于,短时记忆是当前被注意到的信息,但注意从信息离开后信息很快就会消失(约为数秒),而长时记忆则是"被记住"的信息,它无需注意维持,可以长期存在,如人们对于5分钟后,1个小时后,一天后,一年后,十年后的记忆均属于长时记忆。

二.感觉记忆

感觉记忆,即传感器(眼睛、耳朵等)对感觉刺激(视觉、听觉等刺激)所形成的短暂的感觉效果,其特点是信息容量比较大,保持时间非常短。不同感觉记忆(视觉和听觉)的特点大致相当,下面主要对视觉感觉记忆作说明。

在一项"全部报告法"实验中(Sperling,1960),在屏幕中闪现一组字母,包括3行4列一共12个字母,呈现时间为50毫秒。紧接着让被试尽可能多的回忆呈现过的字母,实验结果为,被试平均能回忆4.5个。由于呈现的时间很短,所呈现的字母不太可能进入到注意范围内(短时记忆内),因此属于感觉记忆。又由于感觉记忆能够被短暂滞留,因此在消失之前被试可以通过视觉滞留报告4.5个。为了验证这个猜想,研究者进行了部分报告法。与全部报告法的区别在于,在呈现完字母组后立即出现一个声音:高音、中音或低音,三种声音分别对应第一、第二和第三行。被试需要做的是回忆声音所对应的那一行。结果显示被试能报告4个字母中的3.3个,从而验证猜想。

为了验证感觉记忆的短持续时间性,研究者在部分报告法的基础上,对声音进行了不同时间的延时播放。当延时时间为1秒时(字母组呈现结束后1秒),被试平均能回忆约1.5个的字母,说明感觉记忆消退的速度很快。如图2。

图2

注:

视觉滞留,即当人眼所看到的影像消失后,影像仍在大脑中停留一段时间的现象,停留时间约0.1-0.4秒。事实上,电影的放映是由一张张图像形成的。在放映的时候,两张图画切换之间实际上会有一个黑屏时间,但是只要图像切换的频率足够快,比如一秒24张,就能出现一种连续动画的感觉(对中间黑屏的感知觉消失)。

三.短时记忆

短时记忆即我们注意到的信息。其特点是信息量小,保存时间较短。每次只有少量信息被注意到,且当注意从该信息转移后便很快消失。

1.记忆容量

(1)神奇的数字,7±2

记忆广度任务是测试短时记忆容量的实验,每次展示一串数字(如7、1、5、8),被试读一遍后数字消失,然后让被试按原顺序回忆该串数字。在被试正确回忆后,再展示另一串数字,该数字串的数字数比上一串的多1(如果上一串有4个数字,该串就有5个,如2、7、5、3、1)...。直到被试错误回忆时,该串的数字数就是被试的记忆容量。Miller(1956)在他那篇著名的论文《神奇的数字,7±2》中提出,人的短时记忆容量为5到9个。

(2)组块

(a)理论

上面说到短时记忆的容量只有5到9个,但在生活中我们的记忆能力常常超出这个限制。比如,人们可以在短时记忆中保持7个已经熟悉的电话号码(7个电话号码的数字数远多于7个数字)。为了解释这个现象,Miller(1956)提出了"组块"的概念。记忆单元可以组合成更大的记忆单元,比如多个数字组成一个电话号码,多个字母组成一个单词,这些被组合而成的记忆单元就是组块。另外,一个短语、句子和古诗也可以是一个组块...。短时记忆是以记忆单元为单位进行存储的,换句话说,短时记忆的记忆容量是5-9个记忆单元。比如,如果让你记字母,你的短时记忆大概能保持7±2个,如果你记住单词,短时记忆也能保持7±2个单词...)。要注意的是,另外一些研究得出工作记忆的容量是4(9-28:视觉工作记忆)。另外要注意的是,组块需要被个体记住(存储在长时记忆中),才能成为个体的组块。比如,对于一个陌生的电话号码,它就是一串数字而非组块(因为背不出来)。

组块的品质是组块的一个衡量标准,它包括容量和质量两方面。其中,组块的信息量越大,容量就越大;信息整合程度越高,质量就越高。而容量越大质量越高的组块,其品质就好。图3分别表示两个组块,每个圆圈分别表示一个知识结点,连线表示知识间的联系。如果没有联系,每个知识结点就自成一个组块。图中虽然两个组块的节点数一样多。但图右侧组块其内部知识结点之间的联系更丰富也更紧密,因此信息量越多(连线就是一个关系,因此也属于信息量),同时整合程度也更高,因此右侧组块的品质更好(孙健,2016)。

图3

(b)实验

在Chase和Simon(1973a;1973b)的一个实验中,他们分别给国际象棋专家和新手呈现真实比赛中的棋局布局,呈现时间为5秒,之后要求他们重新布置刚刚呈现的棋局。结果是,专家能恢复24个棋子中的16个,而新手只能恢复4个。另外,如果呈现的是随机布置的棋盘,那么专家的优势就不复存在了(Gobet,Land,Croker和Cheng,2001)。

对该实验的解释是,对于专家而言,由于在该领域已经存储了大量有意义的棋盘布局片段模式(组块)。因此在记忆阶段,专家能对棋盘中有意义的布局片段(组块)进行编码。而在回忆阶段也只需将这些组块解码为棋局。由于新手没有形成该领域的组块,因此只能记住棋子,因为短时记忆容量约为4个,所以只能记住4个位置的棋子。当棋盘随机排列时,由于棋盘不存在有意义的布局片段,因此专家的优势不复存在。

2.持续时间

回忆测试是验证短时记忆持续时间的实验范式。在该类实验中,每个被试要进行多个试次。在每个试次中,首先对被试呈现三个字母(如W、M和A)并让被试记住。随后给被试一个数字(如91),并让被试在一定的时间内不断做减3运算并说出计算结果(如被试看到91后,开始计算,先后得到88、85、82)。计算时间结束后让被试回忆字母。接着开始下一试次。实验会统计所有试次的字母平均回忆准确率。并基于不同的计算时间考察短时记忆的持续时间。Peterson和Peterson(1959)曾做过类似的实验,他们控制了减法运算的计算时间,其实验结果显示,当计算时间为3秒时,回忆准确率为80%,而计算时间是18秒时,回忆准确率是12%。研究者认为这是由于短时记忆的记忆消退造成的。而Keppel和Underwood(1962)统计了第一次试次的正确率,发现第一次试次在计算18秒后正确率几乎没有减少。他们分析到,之所以后续试次的18秒正确率下降严重,是由于前摄干扰,即之前学过的信息会给新学习的信息带来干扰(图4)。而在日常生活中,我们经历的事件是一件接着一件发生的,因此前摄干扰在生活中普遍存在。

图4

3.多通道

实际上,记忆容量可能是分不同通道的,各通道之间的干扰很小。在另外一项回忆测试实验中(Wicken,Dalezman和Eggemeier,1976),研究者将3个数字改为3个同类单词,计算时间固定为15秒。实验包含4次试次,前3次试次每次呈现3个职业类单词,第四次试次呈现3个水果类单词。所有试次的单词不重复。实验结果显示,前3次试次的成绩持续下降,产生前摄干扰,但第四次成绩又回升了。研究者分析,这是由于第四次的刺激是水果类,其语义与前三次试次的不同(即不同的语义通道)。这种现象被称为自前摄干扰释放。

图5

四.长时记忆

长时记忆就是被记住的知识,比如熟人的样子和声音,单词的拼写,昨天发生的事,书本上的知识,某道菜的做法,甚至是如何保持独轮车的平衡。人们的记忆容量相当的大,比如能记住上万个单词,能学会各种运动技巧(比如即会打篮球、踢足球、打羽毛球、乒乓球,又会骑自行车、开汽车、玩电子游戏等等),并且能保存很长的时间。

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