ボトムアップとトップダウンの設計

ボトムアップとトップダウンはどちらも情報処理と知識の整理の戦略であり、ソフトウェア、人文科学理論（システム論を参照）、管理と組織など、さまざまな分野で使用されています。実際には、思考、教育、リーダーシップのスタイルとして見ることができます。

トップダウンアプローチ（段階的設計や段階的改良とも呼ばれ、分解の同義語として使用される場合もある）は、本質的には、リバースエンジニアリングの方法で、システムを分解してその構成サブシステムへの洞察を得ることである。トップダウンアプローチでは、システムの概要が定式化され、第1レベルのサブシステムは指定されるが詳細は指定されない。次に、各サブシステムがさらに詳細に改良され、場合によっては多くの追加サブシステムレベルで改良され、最終的に仕様全体が基本要素にまで縮小される。トップダウンモデルは、操作しやすいようにブラックボックスの助けを借りて指定されることが多い。しかし、ブラックボックスでは基本的なメカニズムが明確にならなかったり、モデルを現実的に検証するのに十分な詳細さがなかったりすることがある。トップダウンアプローチは、全体像から始まり、小さなセグメントに分解される。^[1]

ボトムアップアプローチとは、システムをつなぎ合わせてより複雑なシステムを生み出し、元のシステムを新たなシステムのサブシステムにすることです。ボトムアップ処理は、環境から入ってくるデータに基づいて知覚を形成する情報処理の一種です。認知心理学の観点からは、情報は一方向 (感覚入力、つまり「ボトム」) から目に入り、その後、脳によって画像に変換され、知覚 (処理から最終的な認知まで「構築」される出力) として解釈および認識されます。ボトムアップ アプローチでは、システムの個々の基本要素が最初に詳細に指定されます。次に、これらの要素がリンクされてより大きなサブシステムが形成され、さらに、場合によっては多くのレベルでリンクされて、完全なトップレベル システムが形成されます。この戦略は、多くの場合、「シード」モデルに似ています。このモデルでは、最初は小さいですが、最終的には複雑さと完全性が増します。ただし、「有機戦略」では、要素とサブシステムが絡み合い、孤立して開発され、グローバルな目的を満たすのではなく、ローカルな最適化の対象になる場合があります。

新製品の開発中、設計者やエンジニアはボトムアップとトップダウンの両方のアプローチを採用しています。ボトムアップのアプローチは、既製の部品や既存の部品を選択して製品に組み込む場合に使用されます。例としては、ボルトなどの特定の留め具を選択し、その留め具が適切にフィットするように受け入れ側の部品を設計することが挙げられます。トップダウンのアプローチでは、カスタム留め具は受け入れ側の部品に適切にフィットするように設計されます。^[2]ちなみに、宇宙服など、要件（重量、形状、安全性、環境など）がより厳しい製品の場合は、よりトップダウンのアプローチが採用され、ほぼすべてがカスタム設計されます。

このセクションの一部は、Perl Design Patterns Bookからの抜粋です。

ソフトウェア開発プロセスでは、トップダウンとボトムアップのアプローチが重要な役割を果たします。

トップダウン アプローチでは、計画とシステムの完全な理解を重視します。システムの少なくとも一部の設計が十分なレベルの詳細に達するまで、コーディングを開始できないのは当然です。トップダウン アプローチは、モジュールの代わりにスタブを添付することで実装されます。ただし、このアプローチでは、システムの最終的な機能ユニットのテストは、重要な設計が完了するまで延期されます。

ボトムアップはコーディングと早期テストを重視しており、最初のモジュールが指定されるとすぐに開始できます。しかし、このアプローチでは、モジュールがシステムの他の部分とどのようにリンクするかを明確に理解せずにコーディングされる可能性があり、そのようなリンクが最初に考えていたほど簡単ではない可能性があります。コードの再利用性は、ボトムアップアプローチの主な利点の1つです。^{[3] [検証失敗]}

トップダウン設計は、1970年代にIBMの研究者であるハーラン・ミルズとニクラウス・ヴィルトによって推進されました。ミルズは構造化プログラミングの概念を実用化するために開発し、1969年にニューヨークタイムズ の死体安置所索引を自動化するプロジェクトでそれをテストしました。このプロジェクトのエンジニアリングと管理の成功により、トップダウンアプローチはIBMとコンピュータ業界の他の企業に広まりました。他の業績の中でも、Pascalプログラミング言語の開発者であるニクラウス・ヴィルトは、影響力のある論文「段階的改良によるプログラム開発」を執筆しました。ニクラウス・ヴィルトはその後、ModulaやOberon（プログラム仕様全体を知らなくてもモジュールを定義できる）などの言語を開発したことから、厳密には彼が推進していたのはトップダウンプログラミングではなかったと推測できます。トップダウン手法は1980年代後半までソフトウェアエンジニアリングで好まれていましたが、 ^{[3] [検証の失敗]}、オブジェクト指向プログラミングはトップダウンとボトムアッププログラミングの両方の側面を使用できるという考えを実証するのに役立ちました。

現代のソフトウェア設計アプローチでは、通常、トップダウン アプローチとボトムアップ アプローチが組み合わされています。優れた設計にはシステム全体の理解が不可欠であると考えられており、理論的にはトップダウン アプローチにつながりますが、ほとんどのソフトウェア プロジェクトでは、ある程度既存のコードを利用しようとします。既存のモジュールによって、設計にボトムアップの雰囲気が加わります。

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  統合テストへのトップダウンアプローチ
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  ボトムアップアプローチ
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  サンドイッチアプローチ
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  ビッグバンアプローチ

トップダウンは、従来の手続き型言語の主流であるプログラミング スタイルで、設計はまず複雑な部分を指定し、それを順次小さな部分に分割します。トップダウン方式を使用してプログラムを作成するテクニックは、必要なすべての主要な機能を指定するメイン プロシージャを作成することです。その後、プログラミング チームはそれらの各機能の要件を確認し、このプロセスが繰り返されます。これらの区分化されたサブルーチンは最終的に、簡単かつ簡潔にコーディングできるほど単純なアクションを実行します。さまざまなサブルーチンがすべてコーディングされると、プログラムはテストの準備が整います。アプリケーションが高レベルでどのように組み合わされるかを定義することで、低レベルの作業を自己完結的にすることができます。

ボトムアップ アプローチでは、システムの個々の基本要素が最初に詳細に指定されます。次に、これらの要素がリンクされてより大きなサブシステムが形成され、さらに、場合によっては多くのレベルでリンクされて、完全なトップレベル システムが形成されます。この戦略は、多くの場合、「シード」モデルに似ています。シード モデルでは、最初は小さいですが、最終的には複雑性と完全性が増します。オブジェクト指向プログラミング (OOP) は、「オブジェクト」を使用してアプリケーションやコンピュータ プログラムを設計するパラダイムです。Pro/ENGINEER、Solidworks、Autodesk Inventor などのソフトウェア プログラムを使用する機械工学では、ユーザーは製品を全体の一部ではなくピースとして設計し、後でそれらのピースを追加して、レゴで組み立てるようなアセンブリを形成できます。エンジニアはこれを「ピース パート設計」と呼びます。

構文解析は、入力シーケンス（ファイルやキーボードから読み込まれたものなど）を解析して文法構造を決定するプロセスです。この方法は、自然言語とコンピュータ言語の両方の解析で使用され、コンパイラで使用されます。ボトムアップ構文解析は、テキストの最下位レベルの細部を最初に認識してから中間レベルの構造を認識し、最上位レベルの全体構造を最後に残す構文解析戦略です。^[4]一方、トップダウン構文解析では、最初に構文解析ツリーの最上位レベルを確認し、形式文法の書き換え規則を使用して構文解析ツリーを下っていきます。^[5]

トップダウンとボトムアップは、製品を製造する 2 つのアプローチです。これらの用語は、 1989 年にForesight Instituteによってナノテクノロジーの分野に初めて適用され、分子製造 (原子レベルで正確な大型物体を大量生産する) と従来型製造 (原子レベルで正確ではない大型物体を大量生産できる) を区別するために使用されました。ボトムアップ アプローチでは、より小さな (通常は分子) コンポーネントをより複雑なアセンブリに構築することを目指しますが、トップダウン アプローチでは、外部から制御される大型のコンポーネントを使用してアセンブリを誘導することにより、ナノスケールのデバイスを作成しようとします。シリコン ナノワイヤなどの特定の貴重なナノ構造は、どちらのアプローチを使用しても製造でき、対象とするアプリケーションに基づいて処理方法が選択されます。

トップダウンアプローチでは、従来のワークショップやマイクロファブリケーション法がよく使用され、外部制御ツールを使って材料を切断、粉砕、成形し、希望の形状や順序にします。フォトリソグラフィーやインクジェット印刷などのマイクロパターニング技術はこのカテゴリに属します。蒸気処理は、ナノ構造を設計するための新しいトップダウンの二次アプローチと見なすことができます。^[6]

対照的に、ボトムアップアプローチは、単一分子の化学的特性を利用して、単一分子成分を（a）自己組織化または自己集合させて何らかの有用な立体配座にするか、（b）位置アセンブリに依存させる。これらのアプローチは、分子自己組織化および/または分子認識の概念を使用する。超分子化学も参照。このようなボトムアップアプローチは、大まかに言えば、デバイスを並行して製造でき、トップダウン方式よりもはるかに安価であるはずだが、目的のアセンブリのサイズと複雑さが増すと、潜在的に圧倒される可能性がある。

これらの用語は、神経科学、認知神経科学、認知心理学などの認知科学でも、情報処理の流れを議論するために使用されています。^[7]通常、感覚入力はボトムアップと考えられ、他の情報源からより多くの情報を得る高次認知プロセスはトップダウンと考えられています。ボトムアッププロセスは、感覚処理における高次の指示が存在しないことが特徴であるのに対し、トップダウンプロセスは、目標やターゲットなどのより多くの認知によって感覚処理が高レベルで指示されることを特徴とする（Biederman、19）。^{[3] [検証に失敗]}

^{チャールズ・ラムスコフ[誰? ]}が書いた大学の授業ノートによると、アーヴィン・ロック、ネイザー、リチャード・グレゴリーは、トップダウンアプローチには、能動的で建設的なプロセスである知覚が含まれると主張しています。^{[8] [より良い情報源が必要]}さらに、それは刺激入力によって直接与えられるアプローチではなく、刺激、内部仮説、および期待の相互作用の結果です。理論的統合によると、「刺激が短く提示され、明確さが不確実で漠然とした刺激を与える場合、知覚はトップダウンアプローチになります。」^[9]

逆に、心理学ではボトムアップ処理を、個々の要素から全体へと進むアプローチと定義しています。ラムスコフによると、ボトムアップアプローチの提唱者の一人であるギブソンは、それは遠位刺激によって生成された近位刺激から得られる情報を必要とする視覚知覚を含むプロセスであると主張しています。^{[10] [より良い情報源が必要] [11]}理論的統合では、ボトムアップ処理は「刺激が十分に長く明確に提示されたとき」に発生するとも主張しています。^[9]

素早い反応や素早い視覚識別などの特定の認知プロセスは、主に感覚情報に依存するためボトムアッププロセスと見なされますが、運動制御や集中注意などのプロセスは目標指向性があるためトップダウンプロセスと見なされます。神経学的に言えば、脳の一部の領域、たとえばV1領域は主にボトムアップ接続です。^[9]紡錘状回などの他の領域は、より高次の脳領域からの入力があり、トップダウンの影響力があると考えられています。^{[12] [より良い情報源が必要]}

視覚的注意の研究はその一例です。野原の花に注意が向いた場合、それは花の色や形が視覚的に目立つからかもしれません。花に注意を向けさせた情報はボトムアップ方式でもたらされました。つまり、注意は花の知識に左右されず、外部刺激だけで十分だったのです。この状況を、花を探している状況と比較してみましょう。探しているものの表現があります。探している物体を見ると、それが目立つのです。これはトップダウン情報の使用例です。

認知においては、2 つの思考アプローチが区別されます。「トップダウン」(または「大きな塊」) は、典型的には先見の明のある人、または全体像と概要を見る人です。そのような人は全体像に焦点を当て、そこからそれをサポートする詳細を導き出します。「ボトムアップ」(または「小さな塊」) 認知は、風景ではなく主に詳細に焦点を当てることに似ています。「木を見て森を見ず」という表現は、2 つの認知スタイルを指します。^[13]

タスク切り替えと応答選択に関する研究では、2種類の処理には違いがあることが示されています。トップダウン処理は、主にタスクの繰り返しなどの注意面に焦点を当てています。^[14]  ボトムアップ処理は、同じオブジェクトを何度も見つけるなど、アイテムベースの学習に焦点を当てています。^[14]対立状況での応答選択の注意制御を理解するための意味合いが議論されています。^{[15] [説明が必要]}

^{これは、我々 [誰? ]が}これらの処理を神経学的に構造化する方法にも当てはまります。手続き的学習のための神経学的プロセスにおける情報インターフェースの構造化により。これらのプロセスは、我々^{[誰? ]の}インターフェース設計で効果的であることが証明されました。しかし、トップダウンの原則は両方ともインターフェース設計を導くのに効果的でしたが、それだけでは十分ではありませんでした。反復的なボトムアップ方法と組み合わせて、使いやすいインターフェースを作成することができます。^{[16] [説明が必要]}

学部生（学士課程）は、プログラムの3年目頃にトップダウン・ボトムアップ処理の基礎を教わります。^[要出典]学習の観点から見ると、処理の4つの主要な部分を検討します。2つの主な定義は、ボトムアップ処理は個人の知識や期待ではなく、環境刺激によって直接決定されるというものです。^[17]

経営や組織の分野では、「トップダウン」と「ボトムアップ」という用語は、意思決定の方法や変更の実施方法を説明するために使用されます。^[18]

「トップダウン」アプローチとは、経営幹部やトップレベルの人物が物事の進め方について決定を下す方法です。このアプローチは、彼らの権限の下で下位の階層に伝えられ、下位の階層は多かれ少なかれ彼らの権限に拘束されます。たとえば、病院の改善を望む場合、病院の管理者は大きな変更（新しいプログラムの導入など）が必要であると判断し、計画的なアプローチを使用して、最前線のスタッフに変更を浸透させます。^[18]

ボトムアップの変革アプローチは、草の根レベルで活動し、人々が協力し合うフラットな構造から始まり、共同の関与から意思決定が生まれるアプローチです。活動家、学生、または何らかの事件の被害者が行動を起こすという決定は、「ボトムアップ」の意思決定です。ボトムアップのアプローチは、「主に最前線の労働者によって育まれ、維持される創発的なプロセスを表す漸進的な変革アプローチ」と考えることができます。^[18]

トップダウン方式のプラス面としては、効率性、上位レベルへの優れた概観、そして外部効果を内部化できる点が挙げられる。マイナス面としては、改革が「上から^」押し付けられていると認識されると、下位レベルでは受け入れがたいものとなる可能性がある。^[19]改革の内容にかかわらず、これは事実であるという証拠がある。^[20]ボトムアップ方式では、より多くの実験が可能になり、下位レベルで何が必要かをよりよく理解できる。他の証拠は、変革に対する第3の組み合わせ方式があることを示唆している。^[18]

公衆衛生では、トップダウンとボトムアップの両方のアプローチが使用されています。トップダウン プログラムの例は数多くあり、多くの場合、政府または大規模な政府間組織によって運営されています。これらの多くは、 HIV制御や天然痘 根絶など、特定の疾患または問題を対象としています。ボトムアップ プログラムの例としては、地域の医療へのアクセスを改善するために設立された多くの小規模 NGO が挙げられます。ただし、多くのプログラムは両方のアプローチを組み合わせようとしています。たとえば、現在カーター センターによって運営されている単一疾患の国際プログラムであるギニア虫根絶では、多くの地元ボランティアのトレーニングが行われ、ボトムアップの能力が強化されています。これは、衛生、衛生設備、および一次医療へのアクセスに関する国際プログラムでも同様です。

エコール・デ・ボザールのデザイン学校は、建築デザインはプロジェクト全体の基本的な計画図であるパー​​ティから始まるべきだと教えたため、主にトップダウン設計を推進したと言われることが多い。 ^[21]

対照的に、バウハウスはボトムアップのデザインに重点を置きました。この手法は、小規模な組織システムを、より大規模で建築的なスケールに転換する研究に現れました (木製パネルの彫刻や家具のデザインなど)。

生態学では、トップダウン制御とは、頂点捕食者が生態系の構造や個体群動態を制御することを指します。これらの頂点捕食者とその獲物との相互作用が、下位の栄養段階に影響を与えます。最上位の栄養段階の変化は、下位の栄養段階に逆の効果をもたらします。捕食者の数に劇的な変化がある場合、トップダウン制御は周囲の生態系に悪影響を及ぼす可能性があります。典型的な例は、ケルプの森の生態系です。このような生態系では、ラッコがキーストーン捕食者です。ラッコはウニを捕食し、ウニはケルプを食べます。ラッコがいなくなると、ウニの個体数が増加してケルプの森が減少し、ウニ荒地が形成されます。これにより、生態系全体の多様性が低下し、他のすべての生物に悪影響を与える可能性があります。言い換えれば、このような生態系はケルプの生産性ではなく、頂点捕食者によって制御されています。この例では、トップダウン制御が逆の効果をもたらすことがわかります。つまり、カワウソの個体数が減少すると、ウニの個体数が増加します。

生態系におけるボトムアップ制御とは、栄養供給、生産性、および一次生産者（植物および植物プランクトン）の種類が生態系構造を制御する生態系を指します。生態系に十分な資源または生産者がいない場合は、生物濃縮と生態学的効率のため、食物連鎖内の他の動物に十分なエネルギーが残されません。一例として、プランクトンの個体数が栄養素の利用可能性によって制御される方法が挙げられます。湧昇によって栄養素が表面に運ばれる 地域では、プランクトンの個体数が多くなり、より複雑になる傾向があります。

これらの概念にはさまざまな例があります。個体群が両方のタイプの制御の影響を受けるのは一般的であり、特定の生態系の食物網にどのタイプの制御が影響を与えるかについては、まだ議論が続いています。

倫理学におけるトップダウン推論とは、推論者が抽象的で普遍化可能な原理から出発し、それを特定の状況に推論することです。ボトムアップ推論は、推論者が直感的な特定の状況判断から出発し、原理に推論することで発生します。^[22] 反省的均衡は、トップダウン推論とボトムアップ推論が相互作用し、両者が調和したときに発生します。^[23]つまり、普遍化可能な抽象的な原理が、反省的に特定の直観的判断と均衡していることが判明したときです。このプロセスは、推論者がトップダウン推論をボトムアップ推論で解決しようとし、どちらか一方を調整して、原理と状況判断の最適な組み合わせを見つけたと納得したときに、認知的不協和が発生したときに発生します。

• 大聖堂とバザール
• 擬似コード

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