Уроки 2 — 5
Системный анализ
Практическая работа № 1.1 «Модели систем»
Понятие системы, так же как и понятие информации, относится к числу фундаментальных научных понятий. Так же как и для информации, для системы нет единственного общепринятого определения. В то же время это понятие часто используется нами в бытовой речи, употребляется в научной терминологии. Вот ряд примеров употребления понятия системы: система образования, транспортная система, система связи, Солнечная система, нервная система, Периодическая система химических элементов, система счисления, операционная система, информационная система.
Обобщая все приведенные выше примеры, дадим следующее определение.
Система — это совокупность материальных или информационных объектов, обладающая определенной целостностью.
Состав системы — это совокупность входящих в нее частей (элементов). Рассматривая компьютер как систему, можно выделить следующие составляющие его части: процессор, память, устройства ввода, устройства вывода. Но, в свою очередь, процессор тоже является системой, в состав которой входят: арифметико- логическое устройство (АЛУ), устройство управления, регистры, кэш-память. Поскольку процессор входит в состав компьютера, подчеркивая его собственную системность, процессор следует назвать подсистемой компьютера.
Таким образом, подсистема — это система, входящая в состав другой, более крупной системы.
В свою очередь АЛУ процессора тоже является системой. В его состав входят сумматоры, полусумматоры и другие элементы. Следовательно, АЛУ — это подсистема процессора. Таким путем можно продолжать углубляться дальше. Отсюда следует вывод: всякая система представляет собой иерархию составляющих ее подсистем (рис. 1.1).
Вопрос о том, что считать системой (подсистемой), а что — простым (неделимым) элементом, субъективен и зависит от решаемой задачи. Например, описывая школу как систему, реализующую функцию обучения и воспитания учащихся, мы будем рассматривать людей (учеников, учителей) в качестве простых элементов. В то же время медицина рассматривает человека как сложную анатомическую систему.
Внешняя система по отношению к данной является средой ее существования. Средой существования Земли является Солнечная система; средой существования Солнечной системы является Галактика и т. д. Всякая система относительно обособлена от среды своего существования. Это значит, что, с одной стороны, ее можно выделить из среды (рассмотреть отдельно), но, с другой стороны, она постоянно связана со своей средой.
Системы бывают естественные и искусственные. Естественные системы — это природные системы. Примеры: системы звезд и планет, растительность и животный мир Земли, молекулы и атомы. Искусственные системы создаются людьми — это заводы, дороги, образование, культура, здравоохранение, компьютеры, самолеты и др. Некоторые системы объединяют в себе части естественного и искусственного происхождения. Например: гидроэлектростанция, городской парк.
Всякая система обладает свойством целостности, поскольку она существует в совокупности своих частей и выполняет свою отдельную функцию в среде своего существования.
Системный эффект. Система не является случайным набором частей. Ее состав подчиняется тому назначению, которое система имеет в природе или в обществе. Искусственные системы человек создает с определенной целью. В связи с этим существует следующее определение системы: система — это средство достижения цели. Вот примеры: транспортная система предназначена для перевозки людей и грузов, система здравоохранения — для лечения и укрепления здоровья людей, компьютер — для работы с информацией.
В науке о системах — системологии сформулирован закон, который называется принципом эмерджентности, или законом системного эффекта. Звучит он так: целое больше суммы своих частей. Говоря другими словами, свойства системы не сводятся к совокупности свойств ее частей и не выводятся из них. Слово «эмерджентность» происходит от английского emergence — внезапное появление. Например, сложная система организма животного или человека создает системный эффект, который называется жизнью. Выход из строя какой-либо подсистемы организма (кровооб-ращения, пищеварения и др.) приводит к утрате жизни.
Связи (отношения) в системе. Части системы всегда связаны между собой, находятся в определенных отношениях. Виды этих связей могут быть самыми разными. В естественных и технических системах они носят материальный характер. Например, планеты Солнечной системы связаны силами гравитации; детали автомобиля связаны между собой болтами, сваркой, шестеренками; части энергетической системы связаны линиями электропередач.
Отношения между частями социальных систем бывают различными. Это могут быть отношения подчинения (начальник — подчиненный, министерство — предприятие), отношения вхождения (университет — факультет — кафедра — преподаватель), отноше-ния родственных связей членов семьи. Решающее значение для функционирования таких систем играют информационные связи внутри системы, а также с внешней средой. Такие связи реализуются через прямое общение, переписку, технические средства связи, средства массовой информации. Человек является частью многих систем: семьи, класса, производственного коллектива, команды, государства и др. Во всех этих системах он находится в состоянии информационного взаимодействия с другими людьми.
Большое значение информационные связи имеют для деятельности производственных коллективов. Если распоряжение руководителя не доходит до подчиненных или искажается в процессе передачи, то может быть нарушен производственный процесс с самыми серьезными последствиями, вплоть до катастрофы. Во время боевых действий в армии от работы информационной связи зависят жизни людей. Армия, лишенная связи, не может выполнять свое назначение — эффективно вести военные действия.
Из приведенных примеров следует, что системный эффект обеспечивается не только наличием нужного состава частей системы, но и существованием необходимых связей между ними.
Структурой системы называется совокупность связей, существующих между частями системы. Наглядным примером отображения структуры системы являются схемы электрических цепей. Элементы электрического устройства соединяются между собой двумя способами: последовательным и параллельным соединением. От способа соединения зависит свойство всей цепи. Например, если три проводника, имеющие сопротивления R1, R2, R3, соединить последовательно, то общее сопротивление цепи будет равно R1 + R2 + R3. А если их соединить параллельно, то сопротивление цепи будет равно: (R1*R2*R3)/(R1*R2 + R1*RЗ + R2*R3). Первое сопротивление больше второго. Поэтому, например, при пропускании электрического тока в первой цепи будет выделяться больше тепла, чем во второй.
В науке существует много примеров, когда для понимания свойств каких-то систем требовалось понять их структуру. Например, открытие немецким химиком Ф. Кекуле структуры молекулы бензола (бензольного кольца) помогло понять химические свойства этого органического вещества. Свойства атома стали лучше понятны физикам после того, как Эрнест Резерфорд открыл «планетарную» структуру атома, а Нильс Бор сформулировал свои знаменитые постулаты.
Для любой социальной системы, объединенной информационными связями, также характерна определенная структура. Эффективность функционирования системы существенно зависит от ее структуры. Структурная организация любой социальной системы определяется законами, уставами, правилами, инструкциями. Структура государства описана в конституции, структура армии — в уставе.
Обобщая всё сказанное о системах, сформулируем следующее определение.
Система — целостная, взаимосвязанная совокупность частей, существующая в некоторой среде и обладающая определенным назначением, подчиненная некоторой цели. Система обладает внутренней структурой, относительной обособленностью от окружающей среды, наличием связей со средой.
Системным подходом называется научный метод изучения действительности, при котором любой объект исследования рассматривается как система, при этом учитываются его существенные связи с внешней средой.
Вопросы и задания
1. Что такое система? Приведите примеры.
2. Что такое структура системы? Приведите примеры.
3. Приведите примеры систем, имеющих одинаковый состав (одинаковые элементы), но разную структуру.
4. В чем суть системного эффекта? Приведите примеры.
5. Что такое подсистема?
6. Выделите подсистемы в следующих объектах, рассматриваемых в качестве систем:
7. Удаление каких элементов из систем, названных в задании 6, приведет к потере системного эффекта, т. е. к невозможности выполнения основного назначения систем? Попробуйте выделить существенные и несущественные с позиции системного эффекта элементы этих систем.
Первый этап
В качестве исходного действия, необходимого для составления модели абсолютно любой системы, выступает отделение объекта от окружающей его среды. Эта простейшая операция отражает два важнейших свойства: обособленность и целостность предмета. Объектом исследования является некий объект, содержимое которого неизвестно.
Любая модель состава системы не является полностью изолированной. Она поддерживает с окружающей средой определенные связи. С их помощью происходит взаимное воздействие объекта и условий, в которых он находится. Соответственно, при выстраивании модели «черного ящика» на следующем этапе связи изображаются стрелками и описываются словами. Те, которые направлены в среду, являются выходами. Соответственно, обратные стрелки будут входами.
На этом уровне представления системы исследователь имеет дело с декларативной моделью. То есть выходы и входы определяются по шкале наименований. Как правило, достаточно такого отображения. Однако в ряде случаев необходимо дать количественное описание некоторых либо всех выходов и входов.
Самовольный алгоритм
По каким алгоритмам работает ИИ?
Мы давно используем алгоритмы, но проблема черного ящика не имеет прецедентов. Первые алгоритмы были простыми и прозрачными. Многие из них мы до сих пор используем — например, для оценки кредитоспособности. При каждом новом использовании в дело вступает регулирование.
«Люди использовали алгоритмы для оценки кредитоспособности на протяжении десятилетий, но в этих областях были довольно сильные урегулирования, которые росли параллельно с использованием предиктивных алгоритмов», говорит Каруана. Правила регулирования гарантируют, что алгоритмы прогнозирования дают объяснение каждому баллу: вам было отказано, потому что у вас большой кредит либо слишком низкий доход.
В других областях, таких как правовая система и реклама, отсутствуют правила, запрещающие использование заведомо непросчитываемых алгоритмов. Вы можете не знать, почему вам отказали в займе или не взяли на работу, потому что никто не заставляет владельца алгоритма объяснять, как это работает. «Но мы знаем, что поскольку алгоритмы обучаются на данных реального мира, они должны быть предвзятыми — потому что реальный мир предвзят», говорит Каруана.
Рассмотрим, к примеру, язык — один из самых очевидных источников предвзятости. Когда алгоритмы обучаются на написанном тексте, они формуют некоторые ассоциации между словами, которые появляются вместе чаще. Например, они учатся тому, что «для мужчины быть компьютерным программистом — это то же, что для женщины быть домохозяйкой». Когда этому алгоритму поручат найти подходящее резюме для работы программистом, вероятнее всего, он выберет среди мужчин-кандидатов.
Подобные проблемы довольно легко исправить, но многие компании на это просто не пойдут. Вместо этого они будут скрывать подобные несоответствия за щитом защищенной информации. Без доступа к деталям работы алгоритма, эксперты во многих случаях не смогут определить, есть предубеждение или нет.
Поскольку эти алгоритмы являются секретными и остаются вне юрисдикции регулирующих органов, гражданам практически невозможно засудить создателей алгоритмов. В 2016 году высший суд Висконсина отклонил просьбу человека рассмотреть внутреннюю работу COMPAS. Мужчина, Эрик Лумис, был приговорен к шести годам тюремного заключения отчасти потому, что COMPAS посчитал его «высокорисковым». Лумис говорит, что его право на надлежащую процедуру было нарушено зависимостью судьи от непрозрачного алгоритма. Окончательная заявка на рассмотрение дела в Верховном суде США потерпела неудачу в июне 2017 года.
Но скрытные компании не будут пользоваться своей свободой в течение неограниченного времени. К марту Евросоюз примет законы, которые потребуют от компаний возможности объяснить заинтересованным клиентам, как работают их алгоритмы и как принимают решения. У США нет такого законодательства в разработке.
Программа XAI от DARPA
Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) Министерства обороны Соединенных Штатов, ответственное за разработку новых технологий, постоянно проводит программу Explainable AI (XAI).
Программа eXplainable AI (XAI) направлена на создание набора методов машинного обучения, которые:
- Создают более объяснимые модели, сохраняя при этом высокий уровень обучаемости (точности прогнозов);
- Дают людям возможность взвешенно доверять и эффективно управлять новым поколением партнеров с искусственным интеллектом.
Разработчики системы XAI, подходы и проблемные области
Это постоянная программа, и потребуется несколько лет, чтобы ее результаты были поняты, приняты и доступны на популярных языках программирования, таких как Python и R.
Множества
Они задаются для того, чтобы модель «черного ящика» была максимально формализована. В результате исследователь приходит к заданию 2 множеств Y и Х выходных и входных переменных. При этом никакие отношения между ними на данном этапе не фиксируются. В противном случае получится модель прозрачного, а не «черного ящика». Так, для телевизора множеством Х могут являться предельные диапазоны сетевого напряжения и радиоволн трансляции.
На заключительном этапе исследуются и отражаются изменения объекта. К примеру, они могут происходить в течение определенного времени. То есть исследователь иллюстрирует состояние объекта в динамике. Описание модели «черного ящика» должно показывать соответствия, во-первых, компонентов множества Х вероятных величин входных параметров и элементов упорядоченного Т-множества временных отрезков. Кроме этого, должно быть отображено аналогичное соотношение для выходных показателей.
Пояснения
Особое значение для человека имеют наглядные визуальные образы. Используемое на практике определение системы не характеризует ее внутреннее устройство. Это позволяет выделить ее из среды. При этом она будет изображаться как модель «черного ящика» – целостный и относительно обособленный предмет. Достигнутая цель представляет собой заранее запланированные изменения в среде, определенные продукты работы объекта, предназначенные для потребления вне его. Другими словами, модель черного ящика устанавливает определенные связи и влияет на внешние условия. Как выше было сказано, они являются выходами.
Вместе с этим система выступает как средство. Поэтому необходимы возможности для ее применения, воздействия на нее. Соответственно, устанавливаются связи из среды в объект – входы. Использование модели «черный ящик» позволяет изучить только взаимодействие предмета и среды. В ней отображаются только входные и выходные параметры. При этом в ней даже отсутствуют границы между средой и объектом (стенки ящика). Они только подразумеваются, считаются существующими.
Краткое описание документа:
Практическая работа «Обработка информации»Вариант 1Задание №1 «Черные ящики»Черным ящиком будем называть объект, устройство и алгоритм действий которого заранее неизвестны. Чтобы понять алгоритм его работы, надо поставить ряд опытов – подать информацию на вход и посмотреть, что получится на выходе в результате ее обработки. На основании нескольких опытов можно выдвинуть гипотезу об алгоритме и работы черного ящика. Гипотезу необходимо проверить и подтвердить новыми опытами. Вход ВходИсполнитель после постановки опыта выдает либо выходную информацию, либо одно из двух сообщений:Не понимаю – в случае, если на вход подана информация не того типа (допустим, этот алгоритм обрабатывает числовую информацию, а на вход было подано буквосочетание, и наоборот)Не могу – в случае, если Исполнитель не может выполнить алгоритм с введенной информацией (например, Исполнитель работает только с целыми положительными числами и делит введенное число на 2, а введено число 3).Пример 1. Вход А 1 3 7 16 23 34 42 57 Выход Не могу 2 4 8 15 22 35 41 58 Гипотеза: Исполнитель к нечетным числам добавляет 1, а из четных вычитает.Пример 2. Вход Пар Коля Кркркркрк Ru true Выход 3 4 9 2 4 Гипотеза: Исполнитель считает количество букв во введенных словах.Найти алгоритм работы «черного ящика»Принять во внимание, что в алгоритмах со словами используется русский алфавит без буквы «ё», т.е. из 32 букв.№1 Вход 23 5 12 21 132 56 9 20 100 24 3 11 выход 47 11 25 43 265 113 19 41 201 49 №2 Вход Корона Село Винт Молоко Революция Доктор пуля Выход 2 1 0 3 1 №3 Вход Квас Змея Мама Коля три Труд фокус выход Лгбт Инеа Нбнб Лпма усй №4 Вход 26 33 21 8 126 39 9 Выход Не могу 11 7 Не могу 42 №5 Вход 12 327 500 66 1234 41 3355 98 89 809 901 58 Выход 1 5 5 0 3 3 2 1 1 9 Задание №2. Чему будет равно значение переменной Х после выполнения следующей последовательности операторов? 1)a:=25; b:=a — 4;x:=(a — b)*2-2;ответ: х= 2)x:=5;y:=x*2;x:=y*y+y;x:=x+y;ответ: х= Задание №3Составить программу на алгоритмическом языке, вычисляющую значение Y, если:12 х2, если х =16,3х — х3, если х 16/ Практическая работа «Обработка информации»Вариант 2Задание № 1 «Черные ящики»Черным ящиком будем называть объект, устройство и алгоритм действий которого заранее неизвестны. Чтобы понять алгоритм его работы, надо поставить ряд опытов – подать информацию на вход и посмотреть, что получится на выходе в результате ее обработки. На основании нескольких опытов можно выдвинуть гипотезу об алгоритме и работы черного ящика. Гипотезу необходимо проверить и подтвердить новыми опытами. Вход ВходИсполнитель после постановки опыта выдает либо выходную информацию, либо одно из двух сообщений:Не понимаю – в случае, если на вход подана информация не того типа (допустим, этот алгоритм обрабатывает числовую информацию, а на вход было подано буквосочетание, и наоборот)Не могу – в случае, если Исполнитель не может выполнить алгоритм с введенной информацией (например, Исполнитель работает только с целыми положительными числами и делит введенное число на 2, а введено число 3).Пример 1. Вход А 1 3 7 16 23 34 42 57 Выход Не могу 2 4 8 15 22 35 41 58 Гипотеза: Исполнитель к нечетным числам добавляет 1, а из четных вычитает. Пример 2. Вход Пар Коля Кркркркрк Ru true Выход 3 4 9 2 4 Гипотеза: Исполнитель считает количество букв во введенных словах.Найти алгоритм работы «черного ящика»Принять во внимание, что в алгоритмах со словами используется русский алфавит без буквы «ё», т.е. из 32 букв.№1 Вход 23 5 12 21 132 56 9 20 100 24 3 11 выход 45 9 23 41 263 111 17 39 199 47 №2 Вход Доллар Зоопарк Клен Кооперация Рубль Тест класс Выход 1 1 0 1 0 №3 Вход У Жук Нога Арка Шалаш Мопс бит выход У Куж Агон Акра шалаш №4 Вход 10 13 40 100 54 59 42 Выход 4 Не могу 19 49 26 №5 Вход 12 327 500 66 1234 41 3355 98 89 809 901 58 Выход 1 5 5 0 3 3 2 1 1 9 Задание №2. Чему будет равно значение переменной Х после выполнения следующей последовательности операторов? 3)x:=8; y:=11;x:=x*y+y;ответ: х= 4)x:=2;y:=x*x+2*x;x:=x — y;x:=x+y;ответ: х= Задание №3Составить программу на алгоритмическом языке, вычисляющую значение Y, если:x3 — 2×2 + x, если х =1,2х — 5, если х 1
- подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
- по всем предметам 1-11 классов
Содержание
Современное значение термина «черный ящик», похоже, вошло в английский язык примерно в 1945 году. теория цепей процесс сетевой синтез из передаточные функции, что привело к тому, что электронные схемы стали рассматриваться как «черные ящики», характеризующиеся их реакцией на сигналы, подаваемые на их порты, можно проследить до Вильгельм Кауэр который опубликовал свои идеи в наиболее развитой форме в 1941 г. [2] Хотя Кауэр сам не использовал этот термин, другие, следовавшие за ним, определенно описали этот метод как анализ черного ящика. [3] Витольд Белевич [4] помещает концепцию черных ящиков еще раньше, объясняя явное использование двухпортовые сети как черные ящики для Франц Брайзиг в 1921 г. и утверждает, что до этого 2-терминальные компоненты неявно рассматривались как черные ящики.
В кибернетика, полное лечение было проведено Росс Эшби в 1956 г. [5] Черный ящик описал Норберт Винер в 1961 г. как неизвестная система, которая должна была быть идентифицирована с помощью методов идентификация системы. [6] Он увидел первый шаг в самоорганизация как возможность копировать поведение вывода черного ящика. Многие другие инженеры, ученые и эпистемологи, такие как Марио Бунге, [7] использовал и усовершенствовал теорию черного ящика в 1960-х.
