Caja negra

Sistemas de caja negra
Sistema
Caja negra, máquina Oracle
Métodos y técnicas
Prueba de caja negra , Blackboxing
Técnicas relacionadas
Retroalimentación , Ofuscación , Reconocimiento de patrones , Caja blanca , Pruebas de caja blanca , Pruebas de caja gris , Identificación del sistema
Fundamentos
Información a priori , Sistemas de control , Sistemas abiertos , Investigación de operaciones , Sistemas termodinámicos
en a mi

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. ^{[1] [2]} Su implementación es "opaca" (negra). El término puede usarse para referirse a muchos funcionamientos internos, como los de un transistor , un motor , un algoritmo , el cerebro humano o una institución o gobierno .

Para analizar un sistema abierto con un enfoque típico 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 conoce como caja blanca (a veces también conocida como "caja transparente" o "caja de vidrio").

El significado moderno del término "caja negra" parece haber entrado en el idioma inglés alrededor de 1945. En la teoría de circuitos electrónicos, el proceso de síntesis de redes a partir de funciones de transferencia , que llevó a que los circuitos electrónicos se consideraran "cajas negras" caracterizadas por su respuesta a las señales aplicadas a sus puertos , se puede rastrear hasta Wilhelm Cauer , quien publicó sus ideas en su forma más desarrollada en 1941. ^[3] Aunque Cauer no utilizó el término, otros que lo siguieron ciertamente describieron el método como análisis de caja negra. ^[4] Vitold Belevitch ^[5] sitúa 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 de eso.

En cibernética , Ross Ashby le dio un tratamiento completo en 1956. ^[6] Norbert Wiener describió una caja negra en 1961 como un sistema desconocido que debía identificarse utilizando las técnicas de identificación de sistemas . ^[7] Consideró 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 , ^[8] utilizaron y perfeccionaron la teoría de la caja negra en la década de 1960.

En la teoría de sistemas , la caja negra es una abstracción que representa una clase de sistema abierto concreto que puede verse únicamente en términos de sus entradas de estímulos y reacciones de salida :

La constitución y la estructura de la caja son totalmente irrelevantes para el enfoque en cuestión, que es puramente externo o fenomenológico. En otras palabras, sólo se tendrá en cuenta el comportamiento del sistema.

—Mario  Bunge ^[8]

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). ^[9]

Un observador realiza 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 momentos, se registran los estados de las distintas partes de la caja , de entrada y de salida. Así, utilizando un ejemplo de Ashby , examinar una caja que ha caído de un platillo volante podría llevar a este protocolo: ^[6]

Así, cada sistema se investiga, fundamentalmente, mediante la recopilación de un largo protocolo, 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 el que se puede obtener recodificando el protocolo (la tabla de observación ); todo eso, y nada más. ^[6]

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 denomina una arquitectura de retroalimentación progresiva .

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El proceso de modelado es la construcción de un modelo matemático predictivo , utilizando datos históricos existentes (tabla de observación).

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Un modelo de caja negra desarrollado es un modelo validado cuando los métodos de prueba de caja negra ^[10] garantizan que lo es, basándose únicamente en elementos observables .

En las pruebas retrospectivas, siempre se utilizan datos fuera de tiempo al probar el modelo de caja negra. Los datos deben anotarse antes de extraerse para las entradas de caja negra.

Las teorías de caja negra son aquellas teorías definidas únicamente en términos de su función. ^{[11] [12]} El término puede aplicarse en cualquier campo en el que se realice alguna investigación sobre las relaciones entre los aspectos de la apariencia de un sistema (exterior de la caja negra), sin intentar explicar por qué deberían existir esas relaciones (interior de la caja negra). En este contexto, la teoría de la gravitación de Newton puede describirse como una teoría de caja negra. ^[13]

En concreto, la investigación se centra en un sistema que no tiene características inmediatamente aparentes y, por lo tanto, solo tiene factores a considerar que se encuentran en su interior y que están ocultos a la observación inmediata. Se supone que el observador es ignorante en primera instancia, ya que la mayoría de los datos disponibles se encuentran en una situación interna alejada de las investigaciones fáciles. El elemento de caja negra de la definición se muestra como caracterizado por un sistema en el que los elementos observables entran en una caja tal vez imaginaria de la que emerge un conjunto de resultados diferentes que también son observables. ^[14]

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 factores psicológicos en campos como el marketing cuando se aplica a un análisis del comportamiento del consumidor . ^{[15] [16] [17]}

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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 el picaporte (entrada) para producir el movimiento deseado en el pestillo (salida); y tiene que aprender a controlar uno por el otro sin ser capaz de ver el mecanismo interno que los vincula. En nuestra vida cotidiana nos enfrentamos a cada paso con sistemas cuyos mecanismos internos no están totalmente abiertos a la inspección y que deben ser tratados con los métodos apropiados de la Caja Negra.

—Ashby  ^[6 ]

(...) Esta sencilla regla resultó muy eficaz y es una ilustración de cómo el principio de la Caja Negra en cibernética puede utilizarse para controlar situaciones que, si se analizan en profundidad, pueden parecer muy complejas.
Otro ejemplo del principio de la Caja Negra es el tratamiento de los pacientes mentales. El cerebro humano es sin duda una Caja Negra, y aunque se están realizando muchas investigaciones neurológicas 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]

• En programación informática e ingeniería de software , la prueba de caja negra se utiliza para verificar que el resultado de un programa sea el esperado, 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 aquel cuyo funcionamiento interno el usuario no puede ver (quizás porque es un programa de código cerrado ) o aquel que no tiene efectos secundarios y cuya función no necesita ser examinada, una rutina adecuada para su reutilización.
• 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, el proveedor realiza el mantenimiento y el soporte de este equipo, y la empresa que recibe la caja negra normalmente no interviene.
• En modelado matemático , caso límite.

• En las redes neuronales o algoritmos heurísticos (términos informáticos que se utilizan generalmente para describir computadoras que "aprenden" o "simulaciones de IA"), se utiliza una caja negra para describir la sección del entorno del programa que cambia constantemente y que los programadores no pueden probar fácilmente. También se denomina caja blanca en el contexto de que el código del programa se puede ver, 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 es desconocida o no necesita ser considerada para un propósito particular.
• En criptografía, se trata de captar la noción de conocimiento obtenido por un algoritmo mediante 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.

• En filosofía y psicología , la escuela del conductismo ve la mente humana como una caja negra; ^[20] véanse otras teorías .