Musta laatikko (systeemiteoria)

Musta laatikko (engl. black box) on luonnontieteessä ja tekniikassa laite, järjestelmä tai olio, jota voidaan tarkastella ainoastaan sen syöttö- (input), tuloste- (output) tai siirto-ominaisuuksien (transfer) perusteella. Mitään tietoa ”mustan laatikon” sisällöstä ei ole, mikä tarkoittaa, että sen toiminta on läpinäkymätöntä (mustaa). Musta laatikko voi olla tapauskohtaisesti esimerkiksi transistori, algoritmi tai jopa ihmismieli.[1]

Mustan laatikon käsitettä on käytetty systeemikuvauksissa 1940-luvulta lähtien. Kybernetiikassa sen tekivät tunnetuksi Ross Ashby ja Norbert Wiener. Musta laatikko oli heille väline kuvata itseorganisoituvia järjestelmiä. Käsite on lainattu tähän yhteyteen fyysikko James Clerk Maxwellilta.[2][3]

Esimerkiksi ohjelmistotuotannossa mustalaatikkotestauksella kokeillaan, ovatko annetuilla syötteillä saatavat tulokset odotetun kaltaisia. Testaus perustuu ohjelmiston ulkoisesti havaittavan toiminnan tarkasteluun. Itse mustaa laatikkoa eli ohjelmistoa ei tarkastella.[4]

Historia

"Musta laatikko" -termi katsotaan tulleen englannin kieleen noin vuonna 1945. Sähköpiiriteoriassa verkkojen synteesiprosessi siirtofunktioista johti sähköpiirien pitämiseen "mustina laatikoina". Nämä teoriat voidaan jäljittää Wilhelm Caueriin, joka julkaisi ideansa kehittyneimmässä muodossaan vuonna 1941.[5] Vaikka Cauer ei itse käyttänyt tätä termiä, hänen jälkeensä muut kuitenkin kuvailivat menetelmää mustan laatikon analyysinä.[6]

Vitold Belevitch sijoittaa mustan laatikon käsitteen vielä varhaisemmaksi, liittäen eksplisiittisen kahden portin verkkojen käytön mustina laatikoina Franz Breisigiin vuonna 1921 ja väittää, että kahden liitintermin komponentteja käsiteltiin implisiittisesti mustina laatikoina jo ennen sitä.

Kybernetiikassa täydellisen käsittelyn antoi Ross Ashby vuonna 1956.[7] Norbert Wiener kuvaili vuonna 1961 mustaa laatikkoa tuntemattomana järjestelmänä, joka tuli tunnistaa järjestelmän tunnistamisen tekniikoiden avulla.[8] Hän näki itseorganisaation ensimmäisenä askeleena kyvyn kopioida mustan laatikon ulostulokäyttäytymistä. Monet muut insinöörit, tiedemiehet ja tietoteoreetikot, kuten Mario Bunge,[9] käyttivät ja täydensivät mustan laatikon teoriaa 1960-luvulla.

Sovelluksia

Tietojenkäsittely ja matematiikka

  • Tietokoneohjelmoinnissa ja ohjelmistotekniikassa musta laatikko testausta käytetään tarkistamaan, että ohjelman tuottama tulos on odotusten mukainen tiettyjen syötteiden perusteella.[10] Termiä "musta laatikko" käytetään, koska varsinaista suoritettavaa ohjelmaa ei tutkita.
  • Yleisesti tietojenkäsittelyssä mustan laatikon ohjelma on sellainen, jossa käyttäjä ei näe sisäisiä toimintoja (ehkä siksi, että se on suljetun lähdekoodin ohjelma) tai sellainen, jolla ei ole sivuvaikutuksia ja jonka toimintaa ei tarvitse tutkia, ja joka soveltuu uudelleenkäytettäväksi rutiiniksi.
  • Myös tietojenkäsittelyssä mustalla laatikolla viitataan laitteeseen, jonka myyjä toimittaa omien tuotteidensa käyttämistä varten. Usein myyjä huoltaa ja tukee tätä laitetta, ja yritys, joka saa mustan laatikon, on tyypillisesti passiivinen sen suhteen.
  • Matemaattisessa mallinnuksessa musta laatikko tarkoittaa rajoittavaa tapausta.

Tiede ja teknologia

  • Neuraaliverkoissa tai heuristisissa algoritmeissa (tietokonetermit, joita käytetään yleisesti kuvaamaan "oppivia" tietokoneita tai "tekoälysimulaatioita"), musta laatikko kuvaa ohjelmaympäristön jatkuvasti muuttuvaa osaa, jota ohjelmoijat eivät helposti pysty testaamaan. Tätä kutsutaan myös valkoiseksi laatikoksi siinä mielessä, että ohjelmakoodi on nähtävissä, mutta koodi on niin monimutkainen, että se on toiminnallisesti vastaava mustaa laatikkoa.
  • Fysiikassa musta laatikko on järjestelmä, jonka sisäinen rakenne on tuntematon tai jota ei tarvitse huomioida tiettyä tarkoitusta varten.
  • Kryptografiassa musta laatikko kuvaa tietoa, jonka algoritmi saa suorittamalla kryptografisen protokollan, kuten nollatiedon todistusprotokollan. Jos algoritmin tuotos, kun se on vuorovaikutuksessa protokollan kanssa, vastaa simulaattorin tiettyjen syötteiden perusteella antamaa tulosta, algoritmin tarvitsee tietää vain syötteet.

Muut sovellukset

Katso myös

Lähteet

  • Glanville, Ranulph: Black boxes. Cybernetics & Human Knowing, 2009, 16. vsk, nro 1-2, s. 153-167.
  • Kämäräinen, Juha: Tiedonkäytön ilmiöitä ammattikorkeakoulujen opinnäytetöissä: aineistolähtöinen tarkastelu ja käsitteellinen mallinnus. väitöskirja, Oulun yliopisto, informaatiotutkimus. Oulu: Oulun yliopisto, 2018. ISBN 978-952-62-1753-6.
  • Paakki, Jukka: Ohjelmistotuotanto: Ohjelmistojen testaus 1 (pdf) (Ohjelmistotuotanto -kurssimateriaali) cs.helsinki.fi. 2003. Helsingin yliopisto. Viitattu 2.11.2010.

Viitteet

  1. ↑ Glanville 2009
  2. ↑ Glanville 2009, 153
  3. ↑ Kämäräinen 2018, 61
  4. ↑ Paakki, Jukka: Ohjelmistotuotanto: Ohjelmistojen testaus 1 (pdf) (Ohjelmistotuotanto -kurssimateriaali) cs.helsinki.fi. 2003. Helsingin yliopisto. Viitattu 2.11.2010.
  5. ↑ Cauer, Wilhelm: Theorie der linearen Wechselstromschaltungen, Vol.I. Akademische Verlags-Gesellschaft Becker und Erler, Leipzig, 1941..
  6. ↑ Cauer, Emil; Mathis, Wolfgang; and Pauli, Rainer: "Life and Work of Wilhelm Cauer (1900 – 1945)", Proceedings of the Fourteenth International Symposium of Mathematical Theory of Networks and Systems, s. 4. Perpignan, 2000.
  7. ↑ Ashby, W. Ross: An introduction to cybernetics, London, s. 86–117. Chapman & Hall, 1956.
  8. ↑ Norbert Wiener: Cybernetics or control and communication in the animal and the machine. Cambridge, MA, USA: MIT Press, 2007. ISBN 978-0-262-73009-9.
  9. ↑ Bunge, Mario: "A general black-box theory", s. 346-358. Philosophy of Science, 1963.
  10. ↑ Beizer, Boris: Black-Box Testing: Techniques for Functional Testing of Software and Systems. , 1995. ISBN 0-471-12094-4.
  11. ↑ Friedenberg, Jay and Silverman, Gordon: Mind as a Black Box: The Behaviorist Approach, s. 85-88. Sage Publications, 2006.