Питер Макоуэн - Вычислительное мышление: Метод решения сложных задач

Временные модели важны и в музыке. В конечном итоге это, в сущности, и есть музыка — ноты меняются во времени на основе интересных моделей, что доставляет нам удовольствие. Чтобы устранить несовершенства из музыкальной записи, можно использовать фильтры. Например, скандально известное программное обеспечение для «автотюна», которое «исправляет» дребезжащие голоса поп-звезд, и после обработки они звучат безупречно. Программа изучает образец звука, полученный от певца, и образец необходимого звука и меняет вокальный сигнал, приводя его в соответствие с моделью. Программы, распознающие музыку, используют аудиоотпечатки.Это всего лишь образцы звуковых элементов — частота, темп и так далее, — извлеченные из музыкального произведения. Они дают уникальный набор значений — музыкальный отпечаток, который сопоставляют со значениями в объемной базе данных из уже помеченных произведений и таким образом узнают произведение.

В медицине и генетике тоже изучают образцы. Например, чтобы предсказать, какие болезни вероятны для человека, исходя из особенностей его генотипа, или понять, как генетические особенности повлияют на взаимодействие организма с конкретными лекарствами, и адаптировать методы лечения к индивидуальным потребностям. Такое применение информатики и выявление шаблонов открывают перспективы для появления в медицине новых способов, с помощью которых можно находить новые лекарства и новые методы лечения. Например, со временем при поступлении в больницу будут сразу же проводить анализ вашей ДНК, и к тому времени, как вы окажетесь в палате, для вас уже подготовят индивидуальные лекарства, которые гарантированно произведут минимальный побочный эффект лично на вас. Сейчас это уже реальная возможность. Все сводится к тому, чтобы научить компьютеры вычислительному мышлению.

Все перечисленные варианты могут быть очень полезны, но, как мы убедились, программисты должны осознавать, что их алгоритмы и математические ухищрения могут наделить машины способностями, которые можно использовать во вред. Этика, учение о хорошем и плохом, верном и неверном, давно занимает важное место в человеческой философии и истории права. Будет ли создан фильтр, который сумеет по шаблонам, выявленным в информации о человеке, определить, что он собирается совершить преступление? Если да, будет ли правильно арестовать этого человека до совершения преступления? Должны ли присяжные в судах иметь представление о сильных и слабых сторонах математических и вычислительных методов, которые в наши дни все чаще применяют, чтобы выявить предположительно преступное поведение? И если при анализе ваших генов выясняется, что вы, вероятно, заболеете конкретным видом рака, что делать в этом случае? И должны ли страховые компании знать о подобном и требовать больше денег за страховку? Или представьте, что в детстве проанализировали ваши гены и определили, что вы вырастете опасным преступником, — как поступить в этом случае? Все это важные вопросы, на которые сложно дать ответ, но ученые должны играть свою роль в обществе и показывать другим, чем они заняты и как это происходит, — в противном случае сторонние наблюдатели будут воспринимать науку как магию. И хотя волшебные фокусы — отличный способ повеселиться и развлечь других, они точно не подходят для того, чтобы определять развитие нашего общества.

Современное здравоохранение опирается на компьютерные технологии и стоящее за ними изощренное вычислительное мышление. Однако, чтобы создать для всего этого основы, нужны усилия математиков и других ученых. Потом программисты и инженеры-электроники разрабатывают алгоритмы и приборы, которые превращают научные достижения в технологии для спасения жизни. Чтобы понять, как это происходит, начнем с игры.

В предыдущей главе мы предположили, что сопоставление с образцомбудет играть важную роль в медицине будущего. В этой главе мы рассмотрим некоторые способы, с помощью которых компьютеры, а значит, и вычислительное мышление уже помогают спасать жизнь. В следующий раз, когда будете навещать кого-то в больнице или окажетесь там в качестве пациента, посмотрите вокруг. Палата и вся больница битком набиты продуктами вычислительного мышления. Работа целых отделений в больницах зависит от обработки компьютерами ваших данных. Компьютерная томография, ультразвук, кардио­стимуляторы... в сегодняшнем здравоохранении очень многое существует только благодаря алгоритмам, сенсорам и компьютерным устройствам. И ведь кто-то должен был написать все эти программы, чтобы приборы работали.

Задавались ли вы когда-нибудь вопросом, каким образом врачи получают изображения тела в разрезе? Возможность увидеть, как разные части организма выглядят в поперечном сечении, — важный инструмент диагностики. Но нельзя разрезать человека просто, чтобы заглянуть в него, — нужна технология, позволяющая увидеть, что внутри. История о том, как этот прорыв, за который дали Нобелевскую премию, стал медицинской реальностью, связана с талантливым применением заново открытой математики, компьютерами и рок-группой 1960-х гг.!

Рентгеновские снимки — это просто фотографии объектов в рентгеновском излучении, а не в видимом свете. Поскольку рентгеновское излучение проникает сквозь мягкие ткани, но не проходит через более плотные материалы, такие как кости и внутренние органы, с его помощью получают изображение того, что находится внутри тела. Чтобы сделать обычный рентгеновский снимок, вас ставят перед фотографической пластинкой и просвечивают рентгеновскими лучами. В результате на фотопластине получается изображение. Кости, в которых много кальция, обладают более высокой плотностью, чем окружающие ткани, и поэтому поглощают рентгеновские лучи. В результате мы получаем «тень» костей на фотографической пластинке. Хотя этот метод очень полезен, он позволяет понять лишь, сколько костной ткани попалось на пути рентгеновского луча. Как именно кости располагаются в поперечном сечении, непонятно. Тень плоская, а тело объемное.

Цифровые рентгеновские изображения в принципе делаются так же. Снимок получают с помощью множества цифровых сенсоров без фотографической (химической) пластины. Даже цифровые рентгеновские аппараты могут давать только плоские изображения внутренних органов. Они сплющивают изображение, лишая его глубины, и оно становится похоже на тень. Однако внутренности трехмерны, поэтому определенно было бы полезно послойно нарезать тело и получить правильное объемное изображение. Это можно сделать с помощью метода компьютерной томографии (от греческого τομή— «сечение» и γράφειν— «писать»). Здесь используются те же рентгеновские лучи, но в томографии источник рентгеновского излучения и детектор вращаются вокруг тела и делают много изображений под разными углами. Это похоже на то, как если бы тело отбрасывало разной формы тени по мере движения солнца вокруг вас. Представьте, что вы исследуете цилиндр с помощью томографии, а источник рентгеновского излучения — факел. Перемещайте факел вокруг цилиндра и смотрите на тень, которая появляется на листе бумаги, находящемся на противоположной от факела стороне. Картинка тени в каждый момент будет одна и та же, потому что цилиндр кругообразно симметричен. Теперь представьте более интересную форму — скажем, чайник. Картинка тени в разные моменты будет зависеть от вашего местоположения относительно предмета. С помощью хитрой математики, алгоритма реконструкции и компьютера вы можете воссоздать форму предмета по изображениям тени.