Caixa preta

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Sistemas de caixa preta
Diagrama de caixa preta.svg
Sistema
Caixa preta  · Máquina de oráculo
Métodos e técnicas
Teste de caixa preta  · Blackboxing
Técnicas relacionadas
Feedforward  · Ofuscação  · Reconhecimento de padrão  · Caixa branca  · Teste de caixa branca · Teste de caixa  cinza · Identificação do sistema 
Fundamentos
Informação a priori  · Sistemas de controle  · Sistemas abertos  · Pesquisa operacional  · Sistemas termodinâmicos

Em ciência, computação e engenharia, uma caixa preta é um sistema que pode ser visto em termos de suas entradas e saídas (ou características de transferência ), sem qualquer conhecimento de seu funcionamento interno. Sua implementação é "opaca" (preta). O termo pode ser usado para se referir a muitos trabalhos internos, como os de um transistor , um motor , um algoritmo , o cérebro humano ou uma instituição ou governo.

Para analisar um sistema aberto com uma típica "abordagem de caixa preta", apenas o comportamento do estímulo/resposta será contabilizado, para inferir a caixa (desconhecida) . A representação usual desse sistema de caixa preta é um diagrama de fluxo de dados centralizado na caixa.

O oposto de uma caixa preta é um sistema em que os componentes internos ou a lógica estão disponíveis para inspeção, que é mais comumente chamada de caixa branca (às vezes também conhecida como "caixa transparente" ou "caixa de vidro").

História

Um modelo de caixa preta pode ser usado para descrever as saídas dos sistemas

O significado moderno do termo "caixa preta" parece ter entrado no idioma inglês por volta de 1945. Na teoria de circuitos eletrônicos, o processo de síntese de rede a partir de funções de transferência , que levou os circuitos eletrônicos a serem considerados "caixas pretas" caracterizadas por sua resposta a sinais aplicados às suas portas podem ser atribuídos a Wilhelm Cauer , que publicou suas ideias em sua forma mais desenvolvida em 1941. [1] Embora Cauer não tenha usado o termo, outros que o seguiram certamente descreveram o método como análise de caixa preta . [2] Vitold Belevitch [3]coloca o conceito de caixas-pretas ainda mais cedo, atribuindo o uso explícito de redes de duas portas como caixas-pretas a Franz Breisig em 1921 e argumenta que os componentes de 2 terminais eram implicitamente tratados como caixas-pretas antes disso.

Na cibernética , um tratamento completo foi dado por Ross Ashby em 1956. [4] Uma caixa preta foi descrita por Norbert Wiener em 1961 como um sistema desconhecido que deveria ser identificado usando as técnicas de identificação de sistema . [5] Ele viu o primeiro passo na auto-organização como ser capaz de copiar o comportamento de saída de uma caixa preta. Muitos outros engenheiros, cientistas e epistemólogos, como Mario Bunge , [6] usaram e aperfeiçoaram a teoria da caixa preta na década de 1960.

Teoria do sistema

A teoria do sistema aberto é a base da teoria da caixa preta . Ambos têm foco nos fluxos de entrada e saída, representando trocas com o entorno.

Na teoria dos sistemas , a caixa preta é uma abstração que representa uma classe de sistema aberto concreto que pode ser visto apenas em termos de suas entradas de estímulos e reações de saída :

A constituição e a estrutura da caixa são totalmente irrelevantes para a abordagem em consideração, que é puramente externa ou fenomenológica. Em outras palavras, apenas o comportamento do sistema será contabilizado.

A compreensão de uma caixa preta é baseada no "princípio explicativo", a hipótese de uma relação causal entre a entrada e a saída . Este princípio afirma que a entrada e a saída são distintas, que o sistema tem entradas e saídas observáveis ​​(e relacionáveis) e que o sistema é preto para o observador (não pode ser aberto). [7]

Gravação de estados observados

Um observador faz observações ao longo do tempo. Todas as observações de entradas e saídas de uma caixa preta podem ser escritas em uma tabela, na qual, a cada uma de uma sequência de tempos , são registrados os estados das várias partes da caixa , entradas e saídas. Assim, usando um exemplo de Ashby , examinar uma caixa que caiu de um disco voador pode levar a este protocolo: [4]

Tempo Estados de entrada e saída
11:18 Não fiz nada - o Box emitiu um zumbido constante a 240 Hz.
11:19 Apertei o interruptor marcado K: a nota subiu para 480 Hz e permaneceu estável.
11:20 Apertei acidentalmente o botão marcado com “!” — a temperatura da caixa aumentou em 20 °C.
... etc.

Assim todo sistema, fundamentalmente, é investigado pela coleta de um longo protocolo, traçado no tempo, mostrando a sequência de estados de entrada e saída. Daí segue-se a dedução fundamental de que todo conhecimento obtido de uma Caixa Preta (de uma determinada entrada e saída) é tal que pode ser obtido pela recodificação do protocolo (a tabela de observação ); tudo isso e nada mais. [4]

Se o observador também controlar a entrada, a investigação se transforma em um experimento (ilustração) e as hipóteses sobre causa e efeito podem ser testadas diretamente.

Quando o experimentador também está motivado a controlar a caixa, há um feedback ativo na relação caixa/observador, promovendo o que na teoria do controle é chamado de arquitetura feedforward .

Modelagem

O processo de modelagem é a construção de um modelo matemático preditivo , utilizando dados históricos existentes (tabela de observação).

Testando o modelo de caixa preta

Um modelo de caixa preta desenvolvido é um modelo validado quando os métodos de teste de caixa preta [8] garantem que ele é baseado apenas em elementos observáveis .

Com o backtesting, os dados fora do tempo são sempre usados ​​ao testar o modelo de caixa preta. Os dados devem ser anotados antes de serem extraídos para entradas de caixa preta.

Outras teorias

O hidrograma observado é um gráfico da resposta de uma bacia hidrográfica (uma caixa preta) com seu escoamento (vermelho) a uma entrada de chuva (azul).

As teorias da caixa preta são aquelas teorias definidas apenas em termos de sua função. [9] [10] O termo pode ser aplicado em qualquer campo onde alguma investigação é feita sobre as relações entre os aspectos da aparência de um sistema (exterior da caixa preta), sem nenhuma tentativa de explicar por que essas relações devem existir ( interior da caixa preta). Nesse contexto, a teoria da gravitação de Newton pode ser descrita como uma teoria da caixa preta. [11]

Especificamente, a investigação é focada em um sistema que não possui características imediatamente aparentes e, portanto, possui apenas fatores para consideração mantidos dentro de si, ocultos à observação imediata. O observador é considerado ignorante em primeira instância, pois a maioria dos dados disponíveis é mantida em uma situação interna, longe de investigações fáceis . O elemento de caixa preta da definição é mostrado como sendo caracterizado por um sistema onde os elementos observáveis ​​entram em uma caixa talvez imaginária com um conjunto de saídas diferentes emergentes que também são observáveis. [12]

Adoção em humanidades

Nas disciplinas de humanidades como a filosofia da mente e o behaviorismo , um dos usos da teoria da caixa preta é descrever e entender fatores psicológicos em áreas como marketing quando aplicado a uma análise do comportamento do consumidor . [13] [14] [15]

Teoria da caixa preta

A teoria da caixa preta é ainda mais ampla na aplicação do que os estudos profissionais:

A criança que tenta abrir uma porta tem que manipular a maçaneta (a entrada) para produzir o movimento desejado na trava (a saída); e tem que aprender a controlar um pelo outro sem poder ver o mecanismo interno que os liga. No nosso quotidiano somos confrontados a todo o momento com sistemas cujos mecanismos internos não estão totalmente abertos à inspecção, e que devem ser tratados pelos métodos próprios da Caixa Preta.

—Ashby  [ 4]

(...) Esta regra simples provou ser muito eficaz e é uma ilustração de como o princípio da caixa preta na cibernética pode ser usado para controlar situações que, se aprofundadas, podem parecer muito complexas.
Outro exemplo do princípio da Caixa Preta é o tratamento de pacientes mentais. O cérebro humano é certamente uma caixa-preta e, enquanto uma grande quantidade de pesquisas neurológicas está em andamento para entender o mecanismo do cérebro, o progresso no tratamento também está sendo feito observando as respostas dos pacientes aos estímulos.

—  Duckworth, Engrenagem e Lockett [16]

Aplicações

Quando o observador (um agente ) também pode fazer algum estímulo (input), a relação com a caixa preta não é apenas uma observação, mas um experimento .

Computação e matemática

  • Em programação de computadores e engenharia de software , o teste de caixa preta é usado para verificar se a saída de um programa é a esperada, dadas certas entradas. [17] O termo "caixa preta" é usado porque o programa real que está sendo executado não é examinado.
  • Na computação em geral, um programa de caixa preta é aquele em que o usuário não pode ver o funcionamento interno (talvez por ser um programa de código fechado ) ou aquele que não tem efeitos colaterais e cuja função não precisa ser examinada, uma rotina adequada para reuso.
  • Também na computação , uma caixa preta se refere a um equipamento fornecido por um fornecedor com a finalidade de usar o produto desse fornecedor. Muitas vezes, o fornecedor mantém e oferece suporte a esse equipamento, e a empresa que recebe a caixa preta normalmente não interfere.
  • Na modelagem matemática , um caso limite.

Ciência e tecnologia

  • Em redes neurais ou algoritmos heurísticos (termos de computador geralmente usados ​​para descrever computadores de 'aprendizagem' ou 'simulações de IA'), uma caixa preta é usada para descrever a seção em constante mudança do ambiente do programa que não pode ser facilmente testada pelos programadores. Isso também é chamado de caixa branca no contexto em que o código do programa pode ser visto, mas o código é tão complexo que é funcionalmente equivalente a uma caixa preta.
  • Na física , uma caixa preta é um sistema cuja estrutura interna é desconhecida ou não precisa ser considerada para um propósito específico.
  • Em criptografia , para capturar a noção de conhecimento obtido por um algoritmo por meio da execução de um protocolo criptográfico , como um protocolo de prova de conhecimento zero . Se a saída de um algoritmo ao interagir com o protocolo corresponder à de um simulador dadas algumas entradas, ele só precisa conhecer as entradas.

Outras aplicações

Veja também

Referências

  1. ^ Cauer, Wilhelm; Theorie der linearen Wechselstromschaltungen , Vol.I , Akademische Verlags-Gesellschaft Becker und Erler, Leipzig, 1941.
  2. ^ Cauer, Emil; Mathis, Wolfgang; e Pauli, Rainer; "Life and Work of Wilhelm Cauer (1900 – 1945)", Proceedings of the Fourteenth International Symposium of Mathematical Theory of Networks and Systems (MTNS2000) , p4, Perpignan, junho de 2000. Recuperado online em 19 de setembro de 2008.
  3. ^ Belevitch, Vitold; "Resumo da história da teoria dos circuitos", Proceedings of the IRE , vol 50 , Iss 5, pp. 848-855, maio de 1962.
  4. ^ a b c d Ashby, W. Ross; Uma introdução à cibernética , Londres: Chapman & Hall, 1956, capítulo 6: A caixa preta , pp. 86–117.
  5. ^ Wiener, Norberto; Cybernetics: or the Control and Communication in the Animal and the Machine , MIT Press, 1961, ISBN  0-262-73009-X , página xi
  6. ^ a b Bunge, Mário; "Uma teoria geral da caixa-preta", Philosophy of Science, vol. 30, nº 4, 1963, pp. 346-358. jstor/186066
  7. ^ Glanville, Ranulph; "Caixas Pretas", Cibernética e Conhecimento Humano, 2009, pp. 153-167.
  8. ^ Veja por ex. o padrão britânico BS 7925-2 (teste de componente de software), ou seu rascunho de trabalho de 2001,
    BCS SIGIST (British Computer Society Specialist Interest Group in Software Testing), "Standard for Software Component Testing", Working Draft 3.4, 27 de abril de 2001 página da web .
  9. ^ Definição de Answers.com
  10. ^ Clara, Parker (1963). "Uma Teoria Geral da Caixa Preta" . Filosofia da Ciência . Mário Bunge. 30 (4): 346–358. doi : 10.1086/287954 . S2CID 123014360 . Acesso em 23 de dezembro de 2020 . 
  11. ^ Vincent Wilmot, "Sir Isaac Newton - leis matemáticas teoria da caixa preta" , new-science-theory.com, acessado em 13 de outubro de 2022.
  12. Departamento de Física, Temple University, Filadélfia
  13. ^ Institute for working futures Arquivado em 26 de junho de 2012 na Wayback Machine , parte do Diploma Avançado em Logística e Gerenciamento. Recuperado em 11/09/2011
  14. ^ Teoria da caixa-preta usada para entender o comportamento do consumidor Marketing Por Richard L. Sandhusen. Recuperado em 11/09/2011
  15. ^ design de websites Recuperado 11/09/2011
  16. ^ WE Duckworth, AE Gear e AG Lockett (1977), "A Guide to Operational Research". doi : 10.1007/978-94-011-6910-3
  17. ^ Beizer, Boris; Teste de Caixa Preta: Técnicas para Teste Funcional de Software e Sistemas , 1995, ISBN 0-471-12094-4 
  18. ^ "Mind as a Black Box: The Behaviorist Approach", pp. 85-88, em Friedenberg, Jay; e Silverman, Gordon; Ciência Cognitiva: Uma Introdução ao Estudo da Mente , Sage Publications, 2006.