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第1章コンピューターサイエンス入門

Information Science情報科学

Not only is computation interdisciplinary, but other disciplines are also becoming more and more computational. In The Invisible Future, Nobel Laureate biologist David Baltimore defines DNA in computational terms. He states that biology is an information science because DNA encodes for the outputs of biological systems. The interdisciplinary field studying information technologies and systems as they relate to people, organizations, and societies is called information science. The role of information in natural sciences can also be found in the physics of quantum waves that carry information about physical effects, in the chemical equations that specify information about chemical reactions, in the information flows that drive the evolution of economies and political organizations, and in the information processes underlying social, management, and communication sciences.13
英語のヒント
コンピューティングが学際的であるだけでなく、他の分野もますます計算を取り入れるようになっている。ノーベル賞受賞者の生物学者デイヴィッド・ボルティモアは、『The Invisible Future』でDNAを計算の言葉で定義する。DNAが生物システムの出力を符号化しているため、生物学は情報科学である、と述べている。情報技術や情報システムを、人々、組織、社会との関わりの中で研究する学際的な分野を、情報科学と呼ぶ。自然科学における情報の役割は、物理的効果についての情報を運ぶ量子波の物理学、化学反応についての情報を指定する化学方程式、経済や政治組織の進化を動かす情報の流れ、そして社会科学、経営科学、コミュニケーション科学の基礎にある情報過程にも見いだせる。13
CONCEPTS IN PRACTICE概念を実践する
Computer Science and DNAコンピューターサイエンスとDNA
Research into DNA sequencing and indexing is opening new ways of helping medical providers offer personalized treatments for patients. Large-scale genome sequencing of not only the human genome, but also the DNA signatures for viruses has made it possible for medical providers to take human fluid samples and analyze them for the presence of infectious diseases. This research requires computer science concepts, including specialized medical computer devices to sequence the billions of nucleotides that form a DNA sequence, data structures and algorithms to efficiently process and identify DNA signatures, and the miniaturization of computer hardware so that this technology is accessible (both in terms of price and physical size) in more and more care centers.
英語のヒント
DNAの配列決定と索引化の研究は、医療従事者が患者ごとに合わせた治療を提供する、新しい道を開いている。人のゲノムだけでなく、ウイルスのDNAに特有の配列も大規模に解読することで、人の体液を採取して、感染症の有無を分析できるようになった。この研究には、コンピューターサイエンスの概念が必要になる。例えば、DNA配列を構成する何十億ものヌクレオチドの順序を調べる専用の医療用コンピューター機器、DNAの特徴的な配列を効率よく処理・識別するデータ構造とアルゴリズム、そして価格と物理的な大きさの両面で、より多くの医療施設がこの技術を使えるようにするハードウェアの小型化が挙げられる。
Although information science has its roots in information classification, categorization, and management in the context of library systems, information science today is a broad field that encompasses the many diverse ways information shapes society. For example, today’s social media networks provide more personable and instantaneous information communication compared to traditional news outlets—billions of people around the world are using social media to engage with information about the world. For many people, social media may be the primary way that they learn about and make sense of the world (Figure 1.8). Yet, we’ve already seen risks associated with information technologies such as the Internet. In today’s “information age,” information has more power than ever before to reshape society. Information scientists, data scientists, computational scientists—and, therefore, computer scientists—have a social responsibility: “One cannot reap the reward when things go right but downplay the responsibility when things go wrong.”14
英語のヒント
情報科学の起源は、図書館システムにおける情報の分類、カテゴリー分け、管理にあるが、現在は、情報が社会を形づくる多様な方法を包括する、幅広い分野である。例えば、今日のソーシャルメディアは、従来の報道機関に比べ、より親しみやすく、即時性の高い情報伝達を提供する。世界中の何十億もの人々が、ソーシャルメディアで世界についての情報に触れている。多くの人にとって、それは世界について知り、理解するための主要な方法なのかもしれない(図1.8)。しかし、インターネットなどの情報技術に伴う危険は、すでに見てきたとおりである。今日の「情報化時代」では、情報はかつてないほど強い、社会を作り変える力を持つ。情報科学者、データサイエンティスト、計算科学者、したがってコンピューターサイエンティストには、社会的な責任がある。「うまくいったときの報酬は手にしながら、うまくいかなかったときの責任を小さく見せることはできない」のである。14
13 P. J. Denning, “Computing is a natural science,” Commun. ACM, vol. 50, no. 7, pp. 13–18, July 2007. https://doi.org/10.1145/ 1272516.1272529. 14 R. Benjamin, “Race after technology: Abolitionist tools for the new Jim code,” 2019, Polity.
13 P. J. Denning「Computing is a natural science」『Communications of the ACM』第50巻第7号、13–18頁、2007年7月。https://doi.org/10.1145/1272516.127252914 R. Benjamin『Race after technology: Abolitionist tools for the new Jim code』、Polity、2019年。
Figure 1.8

data source: Elisa Shearer and Amy Mitchell, Pew Research Center. "About Half of Americans Get News on Social Media at Least Sometimes." From Survey of U.S. adults conducted Aug. 31–Sept. 7, 2020. In: E. Shearer, A. Mitchell, "News Use Across Social Media Platforms in 2020," Jan 12, 2021.; attribution: Copyright Rice University, OpenStax, under CC BY 4.0 license · CC BY 4.0 · Source出典

Figure 1.8 While Americans used to primarily get their news from newspapers, as technology has advanced their primary source of news media has shifted. As of 2020, 53% of American adults surveyed stated they got their news from social media at least some of the time. (data source: Elisa Shearer and Amy Mitchell, Pew Research Center. "About Half of Americans Get News on Social Media at Least Sometimes." From Survey of U.S. adults conducted Aug. 31–Sept. 7, 2020. In: E. Shearer, A. Mitchell, "News Use Across Social Media Platforms in 2020," Jan 12, 2021.; attribution: Copyright Rice University, OpenStax, under CC BY 4.0 license)
図1.8 アメリカ人はかつて主に新聞からニュースを得ていたが、技術の進歩とともに、主要な情報源は変化してきた。2020年の調査では、アメリカの成人の53%が、少なくとも時々はソーシャルメディアからニュースを得ると回答した。(データ出典:Elisa Shearer、Amy Mitchell、Pew Research Center「About Half of Americans Get News on Social Media at Least Sometimes」。2020年8月31日~9月7日に実施したアメリカの成人調査。E. Shearer、A. Mitchell「News Use Across Social Media Platforms in 2020」、2021年1月12日所収。帰属表示:Copyright Rice University, OpenStax、CC BY 4.0)
Despite the centrality of information to decision-making and social change, dominant approaches to computer science tend to focus on computational structures, systems, and processes (such as algorithms) that describe one kind of information by focusing on the what or how of solving problems with computers, but less often the why or who questions. Information science broadly centers people, organizations, and society in the study of information technologies.
英語のヒント
情報は、意思決定や社会の変化の中心にある。それにもかかわらず、コンピューターサイエンスで主流のアプローチは、コンピューターで問題を解く際の「何を」「どのように」に焦点を当て、ある種の情報を記述する計算構造、システム、過程、例えばアルゴリズムに注目しがちである。「なぜ」「誰が」という問いが扱われることは、それほど多くない。情報科学は、情報技術の研究において、広く人々、組織、社会を中心に据える。

Computer Science Is an Interdisciplinary Fieldコンピューターサイエンスは学際的な分野である

In presenting data science, computational science, and information science, we’ve introduced the idea that computer science can shape other disciplines. But we’ve also raised questions about what computer science is today. If computer science is the study of all “phenomena surrounding computers,” it could also involve data science, computational science, bioinformatics, cheminformatics, computational social science, medical informatics, and information science. As you will learn in Chapter 13 Hybrid Multicloud Digital Solutions Development, another aspect of computer science is responsible computing, which includes the appropriate management of cyber resources as well as robust cybersecurity. It is difficult to define computer science today because it is so widely used by people across the world in diverse capacities. Definitions are about defining boundaries and excluding practices, which may be helpful for understanding the practices of a certain culture or group that is “doing” computer science, but it can never truly represent everyone and all the things that people are doing with computer science. However, computer science’s historical roots in mathematics shape the way it categorizes subfields:
英語のヒント
データサイエンス、計算科学、情報科学を紹介する中で、コンピューターサイエンスが他の学問分野を形づくりうるという考えを示した。同時に、今日のコンピューターサイエンスとは何か、という問いも投げかけてきた。それが「コンピューターを取り巻く現象」のすべてを研究する分野なら、データサイエンス、計算科学、バイオインフォマティクス、ケモインフォマティクス、計算社会科学、医療情報学、情報科学も含まれうる。第13章「ハイブリッドマルチクラウドのデジタルソリューション開発」で学ぶように、もう一つの側面は責任あるコンピューティングである。そこには、サイバー資源の適切な管理や、強固なサイバーセキュリティが含まれる。今日、この分野を定義することが難しいのは、世界中の人々が多様な立場や用途で、非常に広く利用しているからである。定義とは境界を定め、ある種の実践を除外することである。それは、コンピューターサイエンスを「行う」特定の文化や集団の実践を理解するには役立つかもしれないが、すべての人と、人々がコンピューターサイエンスで行うすべてのことを、完全に表すことはできない。それでも、数学にある歴史的な根が、各分野を次のように分類する方法を形づくっている。
• Theoretical computer science
• 理論コンピューターサイエンス
◦ Theory of computation
◦ 計算理論
◦ Information representation
◦ 情報の表現
◦ Data structures and algorithms
◦ データ構造とアルゴリズム
◦ Programming language and formal methods
◦ プログラミング言語と形式手法
• Computer systems
• コンピューターシステム
◦ Architecture
◦ アーキテクチャ
◦ Artificial intelligence
◦ 人工知能
◦ Networks
◦ ネットワーク
◦ Security
◦ セキュリティ
◦ Databases
◦ データベース
◦ Distributed computing
◦ 分散コンピューティング
◦ Graphics
◦ グラフィックス
• Applied computer science
• 応用コンピューターサイエンス
◦ Scientific computing
◦ 科学技術計算
◦ Human-computer interaction
◦ 人間とコンピューターの相互作用
◦ Software engineering
◦ ソフトウェア工学
In this hierarchy, theoretical computer science and computer systems are treated separately from applied computer science and human-computer interaction, suggesting that the mathematics of computing are pure and separate from social questions. Yet we’ve seen several examples that question this paradigm and instead point to a structure where human-computer interaction is infused throughout the study of computer science and all its subfields.
英語のヒント
この階層では、理論コンピューターサイエンスとコンピューターシステムが、応用コンピューターサイエンスや人間とコンピューターの相互作用とは別に扱われている。それは、計算の数学が純粋なもので、社会的な問いから切り離されていることを示唆する。しかし私たちは、この考え方に疑問を投げかける例をいくつも見てきた。それらが示すのは、人間とコンピューターの相互作用が、この分野とそのすべての下位分野の研究全体に行き渡るような構造である。
Today, computer science is a field that is just as much about people as it is about computer technology because each of these subfields is motivated by the real-world problems that people ultimately want to solve. The subfields of artificial intelligence and machine learning have applications that directly influence human decision-making, ranging from advertisement targeting to language translation to self-driving cars. Effective computational solutions to research or business problems require combining specific knowledge with computer science concepts from a combination of areas. For example, the computational science application of weather prediction combines knowledge about various subfields of computer science (algorithms, distributed computing, computer systems) with knowledge about climate systems. Theoretical computer scientists are increasingly interested in asking questions such as, “How do we design, analyze, and evaluate algorithms or information systems for fairness? How do we even define fairness in a computer system that strips away the complexities of the real world? What ideas or information are encoded in the data? And what are the limits of our approaches?” Computer science is a complex field, and its synergistic nature means that when computer science is used in an interdisciplinary manner that shapes other disciplines, its impact on society is much greater than when each discipline functions on its own.
英語のヒント
今日のコンピューターサイエンスは、コンピューター技術についての分野であるのと同じくらい、人間についての分野である。各下位分野を動機づけるものが、最終的には人々が解決したいと考える現実世界の問題だからである。人工知能や機械学習の応用は、広告の対象選定、言語の翻訳、自動運転車に至るまで、人間の意思決定に直接影響している。研究や事業の問題を計算によって有効に解決するには、対象に固有の知識を、複数領域のコンピューターサイエンスの概念と組み合わせなければならない。例えば計算科学の応用である天気予報では、アルゴリズム、分散コンピューティング、コンピューターシステムといった分野の知識を、気候システムの知識と組み合わせる。理論コンピューターサイエンスの研究者は、次のような問いにも、ますます関心を持つようになっている。「公正さの観点からアルゴリズムや情報システムをどう設計し、分析し、評価するか。現実世界の複雑さをそぎ落としたコンピューターシステムにおいて、そもそも公正さをどう定義すればよいのか。データにはどのような考えや情報が符号化されているのか。そして、私たちのアプローチにはどのような限界があるのか。」コンピューターサイエンスは複雑な分野である。その相乗的な性質により、学際的な方法で他分野を形づくるように利用されたとき、社会への影響は、各分野が単独で機能する場合よりもはるかに大きくなる。