En ciencia, informática e ingeniería, una caja negra es un sistema que puede verse en términos de sus entradas y salidas (o características de transferencia ), sin ningún conocimiento de su funcionamiento interno. Su implementación es "opaca" (negra). El término puede usarse para referirse a muchos trabajos internos, como los de un transistor , un motor , un algoritmo , el cerebro humano o una institución o gobierno.
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Para analizar un sistema abierto con un típico "enfoque de caja negra", solo se tendrá en cuenta el comportamiento del estímulo / respuesta, para inferir la caja (desconocida) . La representación habitual de este sistema de caja negra es un diagrama de flujo de datos centrado en la caja.
Lo opuesto a una caja negra es un sistema en el que los componentes internos o la lógica están disponibles para su inspección, lo que comúnmente se denomina caja blanca (a veces también se conoce como "caja transparente" o "caja de vidrio" [1] ). .
Historia
El significado moderno del término "caja negra" parece haber ingresado al idioma inglés alrededor de 1945. En la teoría de circuitos electrónicos , el proceso de síntesis de red a partir de funciones de transferencia , lo que llevó a que los circuitos electrónicos fueran considerados como "cajas negras" caracterizadas por su respuesta a señales aplicadas a sus puertos , se puede rastrear hasta Wilhelm Cauer, quien publicó sus ideas en su forma más desarrollada en 1941. [2] Aunque Cauer no usó el término, otros que lo siguieron ciertamente describieron el método como análisis de caja negra . [3] Vitold Belevitch [4] pone el concepto de cajas negras incluso antes, atribuyendo el uso explícito de redes de dos puertos como cajas negras a Franz Breisig en 1921 y argumenta que los componentes de 2 terminales se trataban implícitamente como cajas negras antes. que.
En cibernética , Ross Ashby dio un tratamiento completo en 1956. [5] Norbert Wiener describió una caja negra en 1961 como un sistema desconocido que debía identificarse utilizando las técnicas de identificación de sistemas . [6] Vio que el primer paso en la autoorganización era poder copiar el comportamiento de salida de una caja negra. Muchos otros ingenieros, científicos y epistemólogos, como Mario Bunge , [7] utilizaron y perfeccionaron la teoría de la caja negra en la década de 1960.
Teoría del sistema
En la teoría de sistemas , la caja negra es una abstracción que representa una clase de sistema abierto concreto que se puede ver únicamente en términos de sus entradas de estímulos y reacciones de salida :
La constitución y estructura de la caja son totalmente irrelevantes para el enfoque en consideración, que es puramente externo o fenomenológico. En otras palabras, solo se tendrá en cuenta el comportamiento del sistema.
- Mario Bunge [7]
La comprensión de una caja negra se basa en el "principio explicativo", la hipótesis de una relación causal entre la entrada y la salida . Este principio establece que la entrada y la salida son distintas, que el sistema tiene entradas y salidas observables (y relacionables) y que el sistema es negro para el observador (no se puede abrir). [8]
Registro de estados observados
Un observador hace observaciones a lo largo del tiempo. Todas las observaciones de las entradas y salidas de una caja negra se pueden escribir en una tabla, en la que, en cada una de una secuencia de tiempos , se registran los estados de las diversas partes de la caja , entrada y salida. Por lo tanto, utilizando un ejemplo de Ashby , examinar una caja que se ha caído de un platillo volante podría llevar a este protocolo: [5]
| Hora | Estados de entrada y salida |
|---|---|
| 11:18 | No hice nada, la caja emitía un zumbido constante a 240 Hz. |
| 11:19 | Pulsé el interruptor marcado con K: la nota subió a 480 Hz y se mantuvo estable. |
| 11:20 | Accidentalmente presioné el botón marcado “!” - la caja aumentó de temperatura en 20 ° C. |
| 11:21 | Etc. |
Por tanto, cada sistema, fundamentalmente, se investiga mediante la recopilación de un protocolo largo, trazado en el tiempo, que muestra la secuencia de estados de entrada y salida. De esto se sigue la deducción fundamental de que todo el conocimiento que se puede obtener de una Caja Negra (de entrada y salida dadas) es tal que se puede obtener al volver a codificar el protocolo (la tabla de observación ); todo eso y nada más. [5]
Si el observador también controla la entrada, la investigación se convierte en un experimento (ilustración) y las hipótesis sobre causa y efecto pueden probarse directamente.
Cuando el experimentador también está motivado para controlar la caja, hay una retroalimentación activa en la relación caja / observador, promoviendo lo que en la teoría del control se llama una arquitectura de avance .
Modelado
El proceso de modelado es la construcción de un modelo matemático predictivo , utilizando datos históricos existentes (tabla de observación).
Probando el modelo de caja negra
Un modelo de caja negra desarrollado es un modelo validado cuando los métodos de prueba de caja negra [9] aseguran que lo está, basado únicamente en elementos observables .
Con backtesting, los datos fuera de tiempo siempre se utilizan al probar el modelo de caja negra. Los datos deben escribirse antes de extraerlos para las entradas de caja negra.
Otras teorías
Las teorías de caja negra son teorías definidas solo en términos de su función. [10] [11] El término teoría de la caja negra se aplica a cualquier campo, filosofía y ciencia o de otro modo, donde se realiza alguna investigación o definición de las relaciones entre la apariencia de un sistema (exterior / exterior), es decir, aquí específicamente el sistema negro estado de caja, relacionado con sus características y comportamiento dentro (interior / interior). [12] [13]
Específicamente, la investigación se centra en un sistema que no tiene características aparentes de inmediato y, por lo tanto, solo tiene factores de consideración que se mantienen ocultos a la observación inmediata. Se supone que el observador es ignorante en primera instancia, ya que la mayoría de los datos disponibles se mantienen en una situación interna lejos de las investigaciones fáciles . Se muestra que el elemento de caja negra de la definición se caracteriza por un sistema en el que los elementos observables entran en una caja quizás imaginaria con un conjunto de salidas diferentes que emergen y que también son observables. [14]
Adopción en humanidades
En disciplinas de humanidades como la filosofía de la mente y el conductismo , uno de los usos de la teoría de la caja negra es describir y comprender los factores psicológicos en campos como el marketing cuando se aplica a un análisis del comportamiento del consumidor . [15] [16] [17]
Teoría de la caja negra
La teoría de la caja negra tiene una aplicación aún más amplia que los estudios profesionales:
El niño que intenta abrir una puerta tiene que manipular la manija (la entrada) para producir el movimiento deseado en el pestillo (la salida); y tiene que aprender a controlar unos por otros sin poder ver el mecanismo interno que los une. En nuestra vida diaria nos enfrentamos a cada paso con sistemas cuyos mecanismos internos no están completamente abiertos a la inspección, y que deben ser tratados con los métodos adecuados a la Caja Negra.
- Ashby [5]
(...) Esta simple regla resultó muy efectiva y es una ilustración de cómo el principio de la Caja Negra en la cibernética puede usarse para controlar situaciones que, si se profundizan, pueden parecer muy complejas.
Otro ejemplo del principio de la caja negra es el tratamiento de pacientes mentales. El cerebro humano es ciertamente una caja negra, y aunque se está llevando a cabo una gran cantidad de investigación neurológica para comprender el mecanismo del cerebro, también se están logrando avances en el tratamiento mediante la observación de las respuestas de los pacientes a los estímulos.- Duckworth, Gear y Lockett [18]
Aplicaciones
Computación y matemáticas
- En programación de computadoras e ingeniería de software , las pruebas de caja negra se utilizan para verificar que la salida de un programa sea la esperada, dadas ciertas entradas. [19] El término "caja negra" se utiliza porque no se examina el programa real que se está ejecutando.
- En informática en general, un programa de caja negra es uno en el que el usuario no puede ver el funcionamiento interno (tal vez porque es un programa de código cerrado ) o uno que no tiene efectos secundarios y cuya función no necesita ser examinada, una rutina adecuada para reutilizar.
- También en informática , una caja negra se refiere a un equipo proporcionado por un proveedor con el fin de utilizar el producto de ese proveedor. A menudo ocurre que el proveedor mantiene y respalda este equipo, y la empresa que recibe la caja negra generalmente no interviene.
- En modelización matemática , un caso límite.
Ciencia y Tecnología
- En redes neuronales o algoritmos heurísticos (términos informáticos que se utilizan generalmente para describir computadoras de 'aprendizaje' o 'simulaciones de IA'), se usa una caja negra para describir la sección en constante cambio del entorno del programa que los programadores no pueden probar fácilmente. Esto también se denomina caja blanca en el contexto en que se puede ver el código del programa, pero el código es tan complejo que es funcionalmente equivalente a una caja negra.
- En física , una caja negra es un sistema cuya estructura interna se desconoce o no necesita ser considerada para un propósito particular.
- En criptografía para capturar la noción de conocimiento obtenida por un algoritmo a través de la ejecución de un protocolo criptográfico como un protocolo de prueba de conocimiento cero . Si la salida de un algoritmo al interactuar con el protocolo coincide con la de un simulador dadas algunas entradas, solo necesita conocer las entradas.
Otras aplicaciones
- En filosofía y psicología , la escuela del conductismo ve la mente humana como una caja negra; [20] ver otras teorías .
Ver también
- Grupo de caja negra
- Blackboxing
- Grabador de vuelo
- Modelo caja gris
- Histéresis
- Sistema abierto :
- en teoría de sistemas (general)
- en termodinámica
- en la teoría del control
- Sistema de agentes múltiples
- Predicción / Retrodicción
- Teorías relacionadas
- Máquina de Oracle
- Reconocimiento de patrones
- Teoría de sistemas
- Procesamiento de la señal
- Identificación del sistema
- Modelo de estímulo-respuesta
Referencias
- ^ Holzinger, Andreas; Plass, Markus; Holzinger, Katharina; Crisan, Gloria Cerasela; Pintea, Camelia-M .; Palade, Vasile (3 de agosto de 2017). "Un enfoque de aprendizaje automático interactivo de caja de vidrio para resolver problemas NP-difíciles con el humano en el circuito". arXiv : 1708.01104 [ cs.AI ].
- ^ Cauer, Wilhelm; Theorie der linearen Wechselstromschaltungen , Vol . I , Akademische Verlags-Gesellschaft Becker und Erler, Leipzig, 1941.
- ^ Cauer, Emil; Mathis, Wolfgang; y Pauli, Rainer; "Life and Work of Wilhelm Cauer (1900 - 1945)", Actas del XIV Simposio Internacional de Teoría Matemática de Redes y Sistemas (MTNS2000) , p4, Perpignan, junio de 2000. Recuperado en línea el 19 de septiembre de 2008.
- ^ Belevitch, Vitold; "Resumen de la historia de la teoría de circuitos", Proceedings of the IRE , vol 50 , Iss 5, pp. 848-855, mayo de 1962.
- ↑ a b c d Ashby, W. Ross; Una introducción a la cibernética , Londres: Chapman & Hall, 1956, capítulo 6: La caja negra , págs. 86-117.
- ^ Wiener, Norbert; Cibernética: o el control y la comunicación en el animal y la máquina , MIT Press, 1961, ISBN 0-262-73009-X , página xi
- ^ a b Bunge, Mario; "Una teoría general de la caja negra", Filosofía de la ciencia, vol. 30, núm. 4, 1963, págs. 346-358. jstor / 186066
- ^ Glanville, Ranulph; "Black Boxes", Cybernetics and Human Knowing, 2009, págs. 153-167.
- ^ Ver por ej. el estándar británico BS 7925-2 (pruebas de componentes de software), o su borrador de trabajo de 2001,
BCS SIGIST (Grupo de interés especializado en pruebas de software de la Sociedad Británica de Computación), "Estándar para pruebas de componentes de software", Borrador de trabajo 3.4, página web del 27 de abril de 2001. - ^ Definición de Answers.com
- ^ Clara, Parker. "Una teoría general de la caja negra" . Revistas de prensa de la Universidad de Chicago . Mario Bunge . Consultado el 23 de diciembre de 2020 .
- ^ Teoría de la caja negra aplicada brevemente a Isaac Newton
- ^ Feshbach, D (1979). "¿Qué hay dentro de la caja negra: un estudio de caso de la política de asignación en el programa Hill-Burton". Int J Health Serv . 9 (2): 313–39. doi : 10.2190 / ltd9-c9c7-x1lf-pmnm . PMID 374288 . S2CID 10957919 .
- ^ Departamento de física, Universidad de Temple, Filadelfia
- ^ Instituto para futuros laborales Archivado el 26 de junio de 2012 en la parte Wayback Machine del Diploma avanzado en logística y gestión. Consultado el 11/09/2011
- ^ Teoría de la caja negra utilizada para comprender el marketing del comportamiento del consumidor Por Richard L. Sandhusen. Consultado el 11/09/2011
- ^ diseño de sitios web Consultado el 09/11/2011
- ^ WE Duckworth, AE Gear y AG Lockett (1977), "Una guía para la investigación operativa". doi : 10.1007 / 978-94-011-6910-3
- ^ Beizer, Boris; Pruebas de caja negra: técnicas para pruebas funcionales de software y sistemas , 1995, ISBN 0-471-12094-4
- ^ "La mente como una caja negra: el enfoque conductista", págs. 85-88, en Friedenberg, Jay; y Silverman, Gordon; Ciencia cognitiva: Introducción al estudio de la mente , Publicaciones Sage, 2006.
