ブラックボックス

ブラックボックスシステム
システム
ブラックボックス、オラクルマシン
方法とテクニック
ブラックボックステスト、ブラックボックス化
関連技術
フィードフォワード、難読化、パターン認識、ホワイトボックス、ホワイトボックステスト、グレーボックステスト、システム識別
基礎
先験情報、制御システム、オープンシステム、オペレーションズリサーチ、熱力学システム
ヴ t e

科学、コンピューティング、エンジニアリングにおいて、ブラックボックスとは、内部の仕組みを知らなくても、入力と出力（または伝達特性）の観点から見ることができるシステムです。 ^{[1] [2]その実装は「不透明」（黒）です。この用語は}、トランジスタ、エンジン、アルゴリズム、人間の脳、機関や政府など、多くの内部の仕組みを指すために使用できます。

典型的な「ブラック ボックス アプローチ」を使用してオープン システムを分析するには、刺激/応答の動作のみを考慮して、(未知の)ボックスを推測します。この「ブラック ボックス システム」の通常の表現は、ボックスの中央に配置された データ フロー ダイアグラムです。

ブラック ボックスの反対は、内部のコンポーネントまたはロジックを検査できるシステムであり、通常はホワイト ボックス(「クリア ボックス」または「ガラス ボックス」と呼ばれることもあります) と呼ばれます。

「ブラックボックス」という用語の現代的な意味は、1945年頃に英語に入ってきたようです。電子回路理論では、伝達関数からネットワークを合成するプロセスにより、電子回路はポートに適用された信号への応答によって特徴付けられる「ブラックボックス」と見なされるようになりましたが、このプロセスは、1941年に最も発展した形でアイデアを発表したヴィルヘルム・カウアーにまで遡ることができます。 ^[3]カウアー自身はこの用語を使用していませんでしたが、彼に続く他の人々は確かにこの方法をブラックボックス分析と表現しました。^[4]ヴィトルド・ベレヴィッチ^{[5]は、ブラックボックスの概念をさらに古くから存在させ、} 2ポートネットワークをブラックボックスとして明示的に使用したのは1921年のフランツ・ブライジフであり、それ以前は2端子コンポーネントが暗黙的にブラックボックスとして扱われていたと主張しています。

サイバネティクスでは、 1956年にロス・アシュビーによって完全な扱いが行われました。^[6]ブラックボックスは、システム識別の技術を使用して識別される未知のシステムとして、1961年にノーバート・ウィーナーによって説明されました。^[7]彼は、自己組織化 の第一歩はブラックボックスの出力動作をコピーできるようにすることであると見なしました。マリオ・ブンゲ^[8]などの他の多くのエンジニア、科学者、認識論者も 1960年代にブラックボックス理論を使用し、完成させました。

システム理論では、ブラックボックスは、刺激の入力と出力の反応の観点からのみ見ることができる具体的なオープンシステムのクラスを表す抽象化です。

検討中のアプローチは純粋に外部的または現象論的であり、ボックスの構成と構造はまったく関係ありません。言い換えれば、システムの動作のみが説明されます。

— マリオ・ブンゲ^[8]

ブラックボックスの理解は、「説明原理」、つまり入力と出力の間に因果関係があるという仮説に基づいています。この原理は、入力と出力は別個であり、システムには観察可能な（そして関連付け可能な）入力と出力があり、システムは観察者にとって黒（開けられない）であると述べています。^[9]

観察者は時間経過とともに観察を行う。ブラックボックスの入力と出力に関するすべての観察結果は表に書き込むことができ、その表には一連の時間ごとにボックスのさまざまな部分、入力と出力の状態が記録される。したがって、アシュビーの例を使用すると、空飛ぶ円盤から落ちてきた箱を調べると、次のプロトコルが導かれる可能性がある。^[6]

したがって、すべてのシステムは、基本的に、時間的に引き伸ばされ、入力と出力の状態のシーケンスを示す長いプロトコルのコレクションによって調査されます。ここから、ブラックボックス（与えられた入力と出力）から取得できるすべての知識は、プロトコル（観測テーブル）を再コーディングすることによって取得できるものであり、それ以上のものではないという基本的な推論が続きます。^[6]

観察者が入力も制御する場合、調査は実験（図）に変わり、原因と結果に関する仮説を直接テストできます。

実験者もボックスを制御する動機を持っている場合、ボックスと観察者の関係にアクティブなフィードバックがあり、制御理論でフィードフォワードアーキテクチャと呼ばれるものが促進されます。

モデリングプロセスは、既存の履歴データ（観測表）を使用して予測数学モデルを構築することです。

開発されたブラックボックスモデルは、ブラックボックステスト方法^{[10]によって、}観測可能な要素のみに基づいて検証されたモデルであることが確認された場合、検証済みモデルとなります。

バックテストでは、ブラック ボックス モデルをテストするときに常に時間外データが使用されます。ブラック ボックスの入力用にデータを取得する前に、データを書き留めておく必要があります。

ブラックボックス理論とは、機能のみで定義された理論である。^{[11] [12]}この用語は、システムの外観の側面間の関係（ブラックボックスの外側）について何らかの調査が行われ、それらの関係が存在する理由（ブラックボックスの内部）を説明する試みが行われていないあらゆる分野に適用できる。この文脈では、ニュートンの万有引力の理論はブラックボックス理論と言える。^[13]

具体的には、調査は、すぐには目に見える特徴がなく、したがって、直接観察できない内部にのみ考慮要素があるシステムに焦点を当てています。利用可能なデータの大部分は、簡単に調査できない内部状況に保持されているため、観察者は最初は無知であると想定されています。定義のブラックボックス要素は、観察可能な要素がおそらく架空のボックスに入り、観察可能な一連の異なる出力が出現するシステムによって特徴付けられると示されています。^[14]

心の哲学や行動主義などの人文科学の分野では、ブラックボックス理論の用途の1つは、消費者行動の分析に適用してマーケティングなどの分野における心理的要因を記述し理解することです。^{[15] [16] [17]}

ブラックボックス理論は専門的な研究よりもさらに幅広く応用されています。

ドアを開けようとする子供は、ラッチ (出力) に望ましい動きを生じさせるためにハンドル (入力) を操作する必要があります。そして、それらをリンクする内部メカニズムを見ることができない状態で、一方を他方で制御する方法を学ばなければなりません。私たちの日常生活では、内部メカニズムが完全に検査されていないシステムに常に直面しており、ブラック ボックスに適した方法で処理する必要があります。

— アシュビー^[6]

(...) この単純なルールは非常に効果的であることが証明され、サイバネティクスにおけるブラック ボックスの原理が、深く掘り下げると非常に複雑に見える状況を制御するためにどのように使用できるかを示しています。
ブラック ボックスの原理のもう 1 つの例は、精神病患者の治療です。人間の脳は確かにブラック ボックスであり、脳のメカニズムを理解するために多くの神経学的研究が行われている一方で、刺激に対する患者の反応を観察することで治療の進歩も遂げられています。

— ダックワース、ギア、ロケット^[18]

• コンピュータプログラミングとソフトウェアエンジニアリングでは、ブラックボックステストは、特定の入力が与えられた場合にプログラムの出力が期待どおりであるかどうかを確認するために使用されます。 ^[19]「ブラックボックス」という用語は、実行される実際のプログラムが検査されないために使用されます。
• 一般的なコンピューティングでは、ブラック ボックス プログラムとは、ユーザーが内部の動作を見ることができないプログラム (クローズド ソースプログラムであるためなど)、または副作用がなく機能を検査する必要がないプログラム、つまり再利用に適したルーチンを指します。
• また、コンピューティングにおいて、ブラック ボックスとは、ベンダーの製品を使用する目的でベンダーが提供する機器を指します。ベンダーがこの機器の保守とサポートを行うことがほとんどで、ブラック ボックスを受け取る企業は、通常は介入しません。
• 数学的モデリングにおける、限界ケース。

• ニューラル ネットワーキングまたはヒューリスティック アルゴリズム(一般に「学習」コンピュータまたは「AI シミュレーション」を説明するために使用されるコンピュータ用語)では、ブラック ボックスは、プログラマーが簡単にテストできない、プログラム環境の絶えず変化するセクションを説明するために使用されます。プログラム コードは見えるものの、コードが非常に複雑なため機能的にはブラック ボックスと同等であるという文脈で、これはホワイト ボックスとも呼ばれます。
• 物理学において、ブラックボックスとは、内部構造が不明であるか、特定の目的のために考慮する必要がないシステムです。
• 暗号学において、ゼロ知識証明プロトコルなどの暗号プロトコルの実行を通じてアルゴリズムによって取得される知識の概念を捉えること。プロトコルと対話する際のアルゴリズムの出力が、何らかの入力を与えられたシミュレータの出力と一致する場合、アルゴリズムは入力のみを知る必要があります。

• 哲学と心理学において、行動主義学派は人間の心をブラックボックスとみなします。^[20]他の理論も参照してください。