Що таке чорний ящик з інформатики. Принцип роботи методу «чорний ящик. Модель «чорного ящика»: системний аналіз
Чорний ящик - об'єкт, внутрішня структура якого невідома або неважлива в рамках розв'язуваної задачі, але про функції, якого можна судити по його реакцій на зовнішній вплив.
Повний опис функцій «чорного ящика» називається його канонічним поданням. «Чорні ящики», що характеризуються однаковими канонічними уявленнями, вважаються еквівалентними.
На відміну від «чорного ящика» «білий ящик» - це об'єкт, внутрішня структура якого нам повністю відома, наприклад, будь-яке створене нами технічний пристрій або комп'ютерна програма.
Поняття «чорний ящик» широко використовується в багатьох наукових дисциплінах, в першу чергу технічних, при вивченні і / або описі будь-яких об'єктів, що володіють відносно стійким характером (без урахування розвитку або зміни самого об'єкта). Це обумовлено тим, що «чорний ящик» є наочною формою подання результату основного процесу людського мислення - абстрагування, і використання «чорного ящика» при описі об'єкта значно полегшує розуміння сенсу. Філософський словник / За ред. І. Т. Фролова. - 4-е изд. - М .: Политиздат, 1981. - 445 с.
Кібернетика, як уже зазначалося вище, займається, головним чином, дослідженням механізмів управління і передачі інформації в складних стохастичних системах. Для вивчення процесу управління кібернетики використовують поняття зворотнього зв'язкуі гомеостазу; для аналізу імовірнісних характеристик систем вони застосовують статистичну теорію інформації; нарешті, дослідження комплексності систем вони здійснюють за допомогою поняття чорного ящика. Представляючи систему в якості чорного ящика, кібернетики за замовчуванням погоджуються з когнітивними обмеженнями свого розуміння величезного числа можливих станів, доступних складній системі в будь-який момент часу. Однак при цьому вони визнають можливості маніпулювання деякими вхідними сигналами і спостереження деяких результатів роботи системи на виході. Якщо вихідні сигнали безперервно порівнюються з конкретними бажаними величинами, то деякі реакції системи можуть бути визначені з точки зору їх впливу на вхідні сигнали чорного ящика з тим, щоб зберегти систему «в керованому стані».
При моделюванні системи у вигляді чорного ящика ідентифікуються чотири набори змінних: набір можливих станів системи (S); набір збурень, здатних вплинути на поточне її стан (Р); набір реакцій на ці обурення (R); набір цілей, що визначають прийнятні стану відповідно до встановлених критеріїв (Т). Вважається, що система знаходиться в "керованому стані" якщо в будь-який момент часу її стан відповідає стану з набору Т. За допомогою цієї моделі встановлюється надзвичайно важливий кібернетичний принцип: якщо система знаходиться в керованому стані, то необхідно, щоб для будь-якого обурення, що прагне вивести систему з допустимих станів, існувала така її реакція, яка після свого здійснення приводила б систему в один зі станів з сукупності Т. Даний принцип був розроблений англійським кібернетиком Россом Ешбі і отримав назву «закону необхідного різноманіття», зазвичай формульованого наступним чином: «тільки різноманіття здатне поглинути різноманіття ». Вільям Росс Ешбі, Введення в кібернетику, «Іноземна література», Москва, 1959
«Процеси інформації» - Стародавні мудреці про отримання інформації людиною і іншими розумними істотами. Пошук їжі тваринами в незнайомій місцевості. Саме вивчати інформаційні процеси в природі-моя мета. Дитину нічого не цікавить, крім іграшок і материнської ласки. Потім коло збільшується, і коло інтересів, отже, розширюється.
«Правова інформація» - Нормативи і стандарти. Федеральний закон від 10 січня 2002 N 1-ФЗ "Про електронний цифровий підпис". Реквізити ідентифікації документа. Правова база. Указ Президента від 4 серпня 1995 "Про президентських програмах з правової інформатизації". МІЕМП-ПН Кафедра інформатики і математики Ст. викладач Барашкин С.А.
Кримінальна відповідальність. Відповідальність за розкриття таємниці джерела інформації. Примітка. Спроби поліпшення ситуації в області захисту джерел інформації на законодавчому рівні в РК. На обговорення. Стаття 353. Які засоби захисту є у журналіста? Міжнародні стандарти. Упк рк. Що розуміється під «вимогою суду»?
«Інформація та комп'ютер» - Мова - як спосіб вираження інформації. Гіпертекст-. Повернутися до пана. Пристрій комп'ютерної мережі. Система зчислення-. Образна інформація-. Інформатіка-. Мова-. Модель-.
«Інформація 5 клас урок» - Котушковий магнітофон. Свою домашню адресу. Архітектурні твори. Інші знання, отримані в школі. Отримувати. 5 клас Учитель інформатики Олена Геннадіївна Лопатіна. Оперативна пам'ять. Зберігати. Винахід кінематографа 1895 рік. Інші зовнішні сховища інформації. Винахід фотографії 1839 рік.
«Зберігання інформації» - Нарешті, був винайдений друкарський верстат, і з'явилися книги. Людський розум є найдосконалішим інструментом пізнання навколишнього світу. Презентація з інформатики на тему: МОУ «Спаська основна загальноосвітня школа». А пам'ять людини - прекрасним пристроєм для зберігання отриманої інформації.
Всього в темі 11 презентацій
Модель «чорного ящика», приклади якої будуть наведені далі, являє собою ілюстрацію об'єкта, для якого задані вихід і вхід. При цьому його вміст невідомо. Розглянемо далі, як побудувати модель «чорного ящика».
Перший етап
В якості вихідного дії, необхідного для складання моделі абсолютно будь-якої системи, виступає відділення об'єкта від навколишнього його середовища. Ця найпростіша операція відображає два найважливіших властивості: відособленість і цілісність предмета. Об'єктом дослідження є якийсь об'єкт, вміст якого невідомо.
Взаємодії із середовищем
Будь-яка модель складу системи не є повністю ізольованою. Вона підтримує з навколишнім середовищемпевні зв'язки. З їх допомогою відбувається взаємний вплив об'єкта і умов, в яких він знаходиться. Відповідно, при вибудовуванні моделі «чорного ящика» на наступному етапі відношення зображують стрілками і описуються словами. Ті, які спрямовані в середу, є виходами. Відповідно, зворотні стрілки будуть входами.
На цьому рівні представлення системи дослідник має справу з декларативною моделлю. Тобто виходи і входи визначаються за шкалою найменувань. Як правило, достатньо такого відображення. Однак в ряді випадків необхідно дати кількісний опис деяких або всіх виходів і входів.
безлічі
Вони задаються для того, щоб модель «чорного ящика» була максимально формалізована. В результаті дослідник приходить до завдання 2 множин Y і Х вихідних і вхідних змінних. При цьому ніякі відносини між ними на даному етапі не фіксуються. В іншому випадку вийде модель прозорого, а не «чорного ящика». Так, для телевізора безліччю Х можуть бути граничні діапазони напруги і радіохвиль трансляції.
Модель «чорного ящика»: системний аналіз
На заключному етапі досліджуються і відображаються зміни об'єкта. Наприклад, вони можуть відбуватися протягом певного часу. Тобто дослідник ілюструє стан об'єкта в динаміці. Опис моделі «чорного ящика» має показувати відповідності, по-перше, компонентів безлічі Х ймовірних величин вхідних параметрів і елементів упорядкованого Т-безлічі часових відрізків. Крім цього, має бути відображено аналогічне співвідношення для вихідних показників.
специфіка
Ключовим гідністю даного об'єкту виступає його простота. Тим часом, вона в багатьох випадках дуже оманлива. Досить часто перерахування виходів і входів є досить складне завдання. Якщо розглянути автомобіль як модель типу «чорний ящик», то цей висновок підтвердиться. при дослідженні цього об'єкта перевищить два десятка. При цьому перелік параметрів буде далеко не повним.
Така множинність виходів і входів обумовлюється неограниченностью варіантів взаємодії розглянутого предмета із середовищем.
нюанси
Структурна модель системи застосовується в тих випадках, коли потрібно ілюструвати складний об'єкт, в якому міститься кілька елементів. У найпростіших ситуаціях в ній присутній набір компонентів. Всі вони включені в сам об'єкт. У цих випадках застосовується поняття «модель складу системи».
Тим часом, існує ряд питань, які не можна вирішити за її допомогою. Зокрема, щоб зібрати велосипед, недостатньо наявності ящика з усіма його елементами. Потрібно знати, як правильно їх поєднати один з одним. Очевидно, що тільки лише модель складу системи в цьому випадку не допоможе. Більш того, в ряді випадків необхідно встановити між компонентами певні зв'язки. Їх характер показує Вона дає можливість вирішити більше завдань. Структурна схема відповідає на питання: «Що входить в об'єкт і які зв'язку між його елементами?»
пояснення
Особливе значення для людини мають наочні візуальні образи. Що використовується на практиці визначення системи не характеризує її внутрішній устрій. Це дозволяє виділити її з середовища. При цьому вона буде зображуватися як модель «чорного ящика» - цілісний і щодо відокремлений предмет. Досягнута мета являє собою заздалегідь заплановані зміни в середовищі, певні продукти роботи об'єкта, призначені для споживання поза ним. Іншими словами, модель чорного ящика встановлює певні зв'язки і впливає на зовнішні умови. Як вище було сказано, вони є виходами.
Разом з цим система виступає як засіб. Тому необхідні можливості для її застосування, впливу на неї. Відповідно, встановлюються зв'язки з середовища в об'єкт - входи. Використання моделі «чорний ящик» дозволяє вивчити тільки взаємодія предмета і середовища. У ній відображаються тільки вхідні і вихідні параметри. При цьому в ній навіть відсутні кордону між середовищем і об'єктом (стінки ящика). Вони тільки маються на увазі, вважаються існуючими.
Модель «чорного ящика»: приклади
Як говорилося вище, іноді досить словесного змістовного відображення виходів і входів. У цьому випадку модель чорного ящика буде їх переліком. Так, для телевізора відображення зв'язків буде наступним:
- Входи - кабель живлення, антена, елементи настройки і управління.
- Виходи - екран і динаміки.
В інших ситуаціях може знадобитися кількісне відображення зв'язків.
Візьмемо іншу систему - наручний годинник. Слід взяти до уваги, що виходи спрямовані на конкретизацію мети. Відповідно, в якості одного з них можна зафіксувати показання часу в будь-якої довільний момент. Далі слід врахувати, що виражена мета ставиться в цілому до всіх годинах, а не тільки до взятих наручним. Для їх диференціації можна внести наступне додавання - зручність носіння на зап'ясті. Воно буде виступати в якості входу. З цим додаванням виникає необхідність браслета або ремінця. З ним, в свою чергу, з'являється обов'язковість задоволення правилам гігієни (вихід), оскільки не кожне кріплення допустимо на руці. Потім, якщо уявити умови, в яких експлуатуються годинник, можна ввести ще кілька параметрів: пилевлагонепроніцаемость, міцність. Додатково можна застосувати ще два виходи. Ними будуть точність, необхідна в повсякденному житті, А також доступність інформації на циферблаті для прочитання при побіжному погляді. У процесі дослідження можна додати ще кілька вимог до годинника. Наприклад, вводяться такі виходи, як відповідність моді, співвідношення ціни з купівельною спроможністюспоживача.
Цілком очевидно, що цей перелік можна продовжувати. У нього допустимо включити вимогу про прочитання інформації з циферблата в темряві. Реалізація його призведе до значної зміни конструкції. У ній можуть передбачатися, наприклад, різні варіанти самосвеченія, зчитування на дотик, підсвічування, подачі сигналів та ін.
Характеристика господарюючого суспільства
Розглянемо специфіку побудови моделі на прикладі підприємства. Варто відразу сказати, що її створення базується на виділенні з нескінченної кількості взаємодій такого їх набору, який адекватно відображав би мету дослідження. Безумовно, таку модель не слід зводити до моносистемами. Тобто до такого об'єкта, у якого є тільки по одному входу і виходу.
Модель «чорний ящик» розглядає організацію як систему зв'язків підприємства з навколишнім середовищем. При аналізі для обґрунтування достатнього і необхідного набору параметрів множин виходів і входів широко застосовуються прийоми математичної статистики. Найчастіше до процесу залучаються і досвідчені експерти.
Що стосується відносин компанії і навколишнього середовища, то тут слід дати кілька пояснень. В першу чергу для ведення виробничої діяльності необхідний капітал. Він може бути представлений у формі позикових коштів або власних акцій фірми. За рахунок ліквідних активів підприємство отримує можливість задіяти в процесі виробничі фактори. Ними, як відомо, є матеріали, обладнання та інші ресурси, які перетворюються в готову продукцію.
Ще одна зв'язок з навколишнім середовищем виражена в процесі збуту виробів. Реалізація продукції дає підприємству кошти, які, в свою чергу, спрямовуються на погашення заборгованостей, оплату праці і так далі. На позикові кошти нараховуються відсотки. Вони сплачуються кредитної організації. Крім цього, компанія відраховує обов'язкові платежі в бюджет. Разом з цим, держава надає фірмі дотації.
практичне значення
Найчастіше модель «чорного ящика» є не тільки вельми корисною, але і єдино доступною для використання при дослідженні. Наприклад, при аналізі психічних процесівв організмі людини або впливу медикаментів на пацієнта фахівці можуть втручатися у внутрішні процеситільки через входи. Відповідно, висновки робляться на підставі дослідження виходів.
В цілому дане положення відноситься до таких спостереженнями, в результаті яких необхідно отримати в звичних для неї умовах, в обстановці, де потрібно особливо піклуватися про те, щоб процес вимірювання надавав мінімальне на неї вплив.
Застосування такого «непрозорого» об'єкта обумовлюється також тим, що дослідник не має інформації про внутрішній його будові. Зокрема, невідомо, як влаштований електрон. Але встановлено, як він взаємодіє з магнітним, гравітаційним, електричним полями. Така характеристика і є опис електрона за принципом моделі «чорного ящика».
додатково
Необхідно відзначити ще одне важливе явище. Вже згадана модель вже структурована. У ній відомо, чи стосується зв'язок до категорії виходів або входів. Тим часом, на початкових етапах дослідження і ці відомості можуть бути відсутні. Дослідник має можливість виділити певний зв'язок об'єкта із середовищем, спостерігати і вимірювати будь-якої параметр, за яким вона характеризується. Однак при цьому не буде достатньо підстав безумовно встановити її спрямованість.
У таких ситуаціях доцільно досліджувати два конкуруючих чорні ящики. В одному зв'язок буде розглядатися як вхід, в іншому, відповідно, як вихід. Як приклад може виступати дослідження процесів, для яких не встановлено, який є наслідком, а який - причиною, або взагалі відноситься їхня зв'язок до категорії причинно-наслідкових.
критерії вибору
Множинність виходів і входів обумовлюється необмеженою кількістю взаємодій між об'єктом і середовищем. При вибудовуванні моделі вибирається певний набір зв'язків, які будуть включені в перелік виходів і входів. В якості критерію в такому випадку виступає цільове призначення об'єкта, істотність взаємодії щодо мети.
Відповідно, вибір робиться в такий спосіб. Все, що істотно, включається в модель, а все, що таким не є, - виключається з неї. Однак саме на цьому етапі можуть бути допущені помилки. Той факт, що в моделі не враховується певний набір зв'язків, не робить їх нереальними. Вони в будь-якому випадку існують і діють незалежно від волі дослідника, що робить вибір.
Найчастіше виявляється, що представлялися раніше невідомими або несуттєвими умови насправді дуже важливі і повинні бути враховані. Особливе значення даний момент має при визначенні мети системи. При встановленні виходів об'єкта основне завдання доводиться доповнювати допоміжними проблемами. Слід підкреслити, що виконання тільки ключової мети буде недостатньо. При цьому нереалізація додаткових завдань може зробити в одних випадках непотрібним, в інших - небезпечним - вирішення основної проблеми.
На даний момент необхідно звернути особливу увагу, оскільки на практиці часто виявляється нерозуміння, незнання або недооцінка значення цього положення. Насправді ж воно виступає в якості однієї з центральних ідей системологии.
висновок
Модель непрозорого вважається найпростішою в системологии. Тим часом, при її створенні часто виникають різноманітні складності. Вони обумовлюються головним чином різноманіттям можливих варіантів встановлення зв'язків між об'єктом і середовищем, в якій він розташований. При використанні моделі необхідно враховувати різноманітні фактори, чітко визначати кінцеві і додаткові цілі. Виконання останніх найчастіше вкрай важливо для отримання запланованих результатів спостереження.
Чорний ящик вміє перетворювати інформацію по якомусь правилу.
В результаті вивчення роботи «чорного ящика» отримано список відповідних значень параметрів на вході і на виході.
Визначити, що робить система, аналізуючи результати її роботи, тобто за яким принципом значення вхідних параметрів пов'язані з вихідними. Уявити цей зв'язок у вигляді функції.
приклад 1
|
вхідна інформація |
вихідна інформація |
Що відповість чорний ящик, якщо йому подати на число 12?
відповідь: Система подвоює значення параметра на вході; у = 2х.
Правило може бути і більш складним.
приклад 2
|
вхідна інформація |
вихідна інформація |
Що відповість чорний ящик, якщо йому подати на число 9?
відповідь: Система зводить в квадрат значення параметра на вході, а потім переставляє цифри числа у зворотному порядку.
Список деяких найбільш відомих "Чорних скриньок":
- За кількістю обчислюється залишок від ділення його на якийсь заданий число.
- Сума цифр числа.
- Будь-яка формула: квадрат числа, число плюс три і т.д. ...
- Можна до числа додавати номер ходу.
- Три - три, два - три, один - чотири, (число - скільки букв в його записи).
- Номер першої літери "а" в слові: тобто бомба - 5, 2 - 3, банан - 2, 1 - не можу (в даному випадку так само можна сказати 0)
Завдання для самостійного рішення
Якийсь «чорний ящик» можна налаштувати на десять програм перетворення інформації. В результаті вивчення його роботи отримані протоколи випробувань, що описують входи і відповідні їм виходи системи. Необхідно визначити тип вхідної інформації (числова, текстова, символьна) і правило її перетворення.
Шкільний тур олімпіади школьніковпо інформатики ІКТ
2014-2015 навчальний рік
5-6 класи
(5 балів) Знайдіть закономірність і продовжите ряд:
1, 2, 3, 4, 5, 6,…
а Б В Г Д Є, …
1, 2, 4, 8, 16,…
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1, 0, 1, 1,…
о, д, т, ч, п, ш, ...
(10 балів)
У слові «ПАРУС» заміни букви за наведеним алгоритмом.
Отримане слово позначає:
1) файл, який зберігає інформацію про систему;
2) спосіб обробки інформації;
3) швидкість передачі даних в комп'ютері;
4) файл, який заважає роботі комп'ютера.
Всі люди в цій будівлі або піднімаються на четвертий поверх, або спускаються на перший. Скільки людей буде на четвертому поверсі, а скільки на першому?
1) 8 і 7; 2) 7 і 8; 3) 1 і 3; 4) 1 і 0.
(5 балів) У цій таблиці заховані обривки записок
Зайця (А2, Г6, Г1, А6, В3, Б1, Б4);
Вовка (А3, Г2, Б3, Г5, Б2, Б6, В2, В6);
і записки для тебе (В5, А1, Г3, А4, В1).
Віднови ці записки (не забудь розділити текст на слова).
(5 балів) Використовуючи шифр, знайдіть слова, які ховаються за цими цифрами:
1 2 10 8 9 1 5 5 4 ШИФР
7 1 2 4 3 1 10 8 9
1 5 5 4 3 1 10 8 9
6. (5 балів) Визнач прислів'я.Циферблат - ключ:
|
3, 2, 11, 8, 6, 10, 2 |
|
7, 9, 5, 8, 11, 4 |
(15 балів) Визначте принцип перетворення інформації в «чорному ящику».
|
Вхід |
вихід |
відповідь |
|
|
приклад: РАНОК |
Вранці - сніданок (З) відповідь: Про |
||
|
ЗЕМЛЯ |
|||
|
ВІДЕНЬ |
|||
|
ЗИМА |
|||
|
ОКРУГУ |
|||
|
ЛЯЛЬКА |
|||
|
(5 балів) Коник може виконувати команди: |
|||
|
9. (15 балів)У казці А. С. Пушкіна «Казка про попа і про працівника його Балду» поп вибирав працівника за такими ознаками: «Чи потрібен мені працівник: Кухар, Конюх і Тесля. А де знайти мені такого Служителі не надто дорогого? » Яке з наступних перетинів множин вірно відображає вимоги попа? |
|||
10. (30 балів) Робот.Роджер Вілко хоче добути ключ з лабіринту, в який сам потрапити не може, однак може запустити туди маленького робота. Робот знає команди.