巷で流行っているプロンプトテクニックを検証してみた

この記事はHTアドベントカレンダー8日目の記事です。

はじめに

はじめまして。博報堂テクノロジーズの開発第3センターでソフトウェアエンジニアをしている新卒2年目の岩根です。

業務では、クライアントとの数値共有や分析報告をスムーズに行うことを支援するダッシュボード・レポートツールの開発に携わっています。

近年生成AIの発展は凄まじく、開発を進めるにあたって生成AIのサポートが欠かせなくなりました。それだけ生成AIのインパクトは大きなものだと感じています。

最近、SNSなどで「生成AI活用講座」や「プロンプトテクニック」といった文言をよく目にするようになりました。その中で特に懐疑的に感じるのが、文章の先頭に役割を明示する方法です。具体的には 「あなたは〇〇の専門家です。」 のように伝えることです。

私が生成AIを活用する際は、「このような認識でここまで把握している」や「この領域に関して全く知識がない人に伝えるように教えて」などを伝えるようにはしていますが、「あなたの役割は〇〇です。」のような役割を付与する手法を試したことがなかったので、この機に、その効果を試してみようと思います。

問題設定

今回の検証では、広く利用されているOpenAIのChatGPTを使用しました。モデルはGPT-5です。

役割の指定が説明の文体や構成に与える影響を検証するため、同一テーマで解説を生成し、内容の正確性・わかりやすさ・表現の違いを比較します。

今回扱うテーマはドップラー効果です。ドップラー効果とは簡単にいうと、救急車のサイレンが近づいてくるときは高く聞こえ、遠ざかっていくときは低く聞こえる現象のことです。

検証結果

1. まずはそのまま

まずは単純なプロンプトを実行します。

プロンプト

ドップラー効果について教えてください。

出力結果

出力結果

ドップラー効果は、波の発生源（音源や光源）と観測者が相対的に運動しているとき、観測される波の周波数（音の高さや光の色）が変化して見える現象です。
救急車のサイレンが近づくと高く、遠ざかると低く聞こえるのが典型例です。

直感的なイメージ

• 波は一定の周期で出ていますが、源が近づいてくると前方側の波間隔が詰まり、後方側は広がります。
• 観測者が源に近づく場合も、自分が波をより頻繁に受け取るため周波数が上がります。
• 逆に遠ざかると周波数は下がります。

音のドップラー効果（空気など媒質がある波）

• 記号
  • f: 音源が出す本来の周波数
  • f': 観測される周波数
  • v: 音速（空気中で約 343 m/s、気温で変化）
  • vs: 音源の速度（観測者に向かう向きが正）
  • vo: 観測者の速度（音源に向かう向きが正）
• 一般式（古典的）
  • f' = f × (v + vo) / (v − vs)
  • 近づく向きはプラス、遠ざかる向きはマイナスで扱います。
• よく使うケース別
  • 観測者だけが動く（音源は静止）:
    • 近づく: f' = f × (1 + vo/v)
    • 遠ざかる: f' = f × (1 − vo/v)
  • 音源だけが動く（観測者は静止）:
    • 近づく: f' = f / (1 − vs/v)
    • 遠ざかる: f' = f / (1 + vs/v)
• 数値例
  • サイレン f = 700 Hz、音源が 20 m/s で近づく、v = 343 m/s
  • 近づくとき: f' ≈ 700 / (1 − 20/343) ≈ 744 Hz
  • 遠ざかるとき: f' ≈ 700 / (1 + 20/343) ≈ 661 Hz
  • つまり通過すると音程が「高い→低い」にパッと切り替わるように聞こえます。
• 注意
  • 風があると有効な音速が変わり、計算に影響します（風下では音速が増える）。
  • 音量の変化はドップラーそのものではなく、距離や指向性の効果です。
  • 音源が音速に近づくと波面が強く圧縮され、音速を超えるとソニックブーム（衝撃波）が発生します。

光のドップラー効果（電磁波、媒質不要）

• 低速近似（相対速度が光速より十分小さいとき）
  • 波長の変化率 Δλ/λ ≈ vrel/c（遠ざかるとプラス、近づくとマイナス）
  • 周波数変化も同程度の比率で、遠ざかると周波数が下がります。
• 相対論的に正しい式（一直線方向）
  • 速度を c に対する比 β = vrel/c とすると、
  • 遠ざかるとき: f' = f × sqrt((1 − β)/(1 + β))
  • 近づくとき: f' = f × sqrt((1 + β)/(1 − β))
  • 真横方向（横ドップラー）でも時間の遅れにより f' = f/γ（γ = 1/√(1 − β²)）となります。
• 天文学では
  • 遠ざかる天体は赤方偏移（波長が長くなる）、近づく天体は青方偏移（波長が短くなる）。
  • 宇宙膨張による赤方偏移は厳密には「ドップラー」ではなく、時空の伸びによる効果ですが、観測上は似た形で現れます。

主な応用

• レーダー・スピードガン: 反射波の周波数偏移から対象物の速度を計測。
• 天気レーダー: 降水粒子の速度（風向・風速）を推定。
• 医用超音波（ドプラ法）: 血流速度の測定。
• 天文学: 銀河の後退速度、連星の軌道、系外惑星の検出（視線速度法）など。
• 音響: 移動体の音像や臨場感の再現、ゲーム・映画のサウンド設計。

よくあるポイントまとめ

• 観測される変化は「相対速度の視線方向成分」にのみ依存（横方向だけに動くと変化は小さい/ゼロ）。
• 音は媒質の影響を受けますが、光は真空で媒質不要です。
• 速度が小さい場合、近似式で十分。高速では相対論的式が必要です。

ミニ理解チェック

• Q1: サイレンが一定速度で近づき、目の前を通過した後に去っていくとき、音程はどう変わる？（高い→低い / 低い→高い）
• Q2: 遠ざかる銀河の光は赤方偏移と青方偏移のどちらになる？

必要なら、数式の導出や、あなたの興味分野（音、レーダー、天文、医用）に絞った詳しい解説や練習問題も用意できます。どのあたりを深掘りしますか？

所感

ドップラー効果について、全体像を丁寧に見渡してくれていると感じました。救急車の例から入って、音と光の両方を扱い、要点の箇条書きや理解チェックまで付いているので、最初の導入として入りやすいと感じました。また、ウェブで検索した際の情報をまとめてくれているような出力に感じます。まず大まかな知識の理解を目的として、出力から深掘る内容を見つけ出してやりとりを続けていく分には問題はないと思います。

2. 高校教師として

次に、ドップラー効果は高校物理の範囲なので高校教師の役割を与えて解説を行ってもらいます。

プロンプト

あなたは高校の物理教師です。
ドップラー効果について教えてください。

出力結果

出力結果

了解しました。高校物理のレベルで、ドップラー効果をわかりやすく説明します。

1. まずはイメージ

• 救急車が近づくとサイレンの音が高く（ピッチが上がり）、遠ざかると低くなる現象がドップラー効果です。
• 波（音や光）の源（音源）と観測者が互いに近づいたり遠ざかったりすると、観測される周波数（音の高さや光の色）が変わります。

1. 波の基本関係

• 波の速さ v、周波数 f、波長 λ には v = f × λ の関係があります。
• 音の場合、v は空気中の音速（約 340 m/s、温度で少し変わる）です。
• 音源が同じ周期で音を出しても、動くことで前方と後方で波長が変わり、その結果として観測周波数が変わります。

1. ケース別の考え方と公式（音のドップラー）

• 記号の約束
  • v: 音速（空気中で約 340 m/s）
  • f: 音源が出す本来の周波数
  • vo: 観測者の速さ（音源に向かう方向を正、遠ざかる方向を負）
  • vs: 音源の速さ（観測者に近づく方向を正、遠ざかる方向を負）
• 一般公式
  • 観測周波数 f' = f × (v + vo) / (v − vs)
  • 近づくときは分子（v + vo）が大きくなる or 分母（v − vs）が小さくなるので、f' は大きく（高い音）なります。遠ざかると逆です。
• よく使う特別ケース
  1. 観測者だけが動く（音源は静止）:
     • 近づく: f' = f × (v + vo) / v
     • 遠ざかる: f' = f × (v − vo) / v
     • 直感: 自分から波に突っ込むと、1秒あたりに受け取る波の山の数が増える。
  2. 音源だけが動く（観測者は静止）:
     • 近づく（前方）: f' = f × v / (v − vs)
     • 遠ざかる（後方）: f' = f × v / (v + vs)
     • 直感: 前方では波長が詰まり（短く）、後方では広がる（長く）。

1. 身近な例

• 救急車・バイク・電車の通過時のピッチ変化
• スピードガン（交通取締り）、気象レーダー（降雨の速度）、医療の超音波（血流速度測定）
• 天文学（光のドップラー：星や銀河の近づく・遠ざかる）

1. 具体例（計算）

• 例1：音源が動く（救急車）
  • 条件: v = 340 m/s、f = 800 Hz、救急車の速さ vs = 20 m/s
  • 近づくとき（前方）: f' = 800 × 340 / (340 − 20) = 800 × 340 / 320 ≈ 800 × 1.0625 ≈ 850 Hz
  • 遠ざかるとき（後方）: f' = 800 × 340 / (340 + 20) = 800 × 340 / 360 ≈ 800 × 0.944... ≈ 755 Hz
• 例2：観測者が動く（自分が走る）
  • 条件: v = 340 m/s、f = 1000 Hz（スピーカーは静止）、自分の速さ vo = 10 m/s（音源へ）
  • f' = 1000 × (340 + 10) / 340 ≈ 1000 × 350 / 340 ≈ 1030 Hz
• 例3：両方動く
  • 条件: v = 340 m/s、f = 600 Hz、観測者 vo = +10 m/s（音源へ）、音源 vs = +15 m/s（観測者へ）
  • f' = 600 × (340 + 10) / (340 − 15) = 600 × 350 / 325 ≈ 646 Hz

1. 視覚的な理解（音源が動くときの波長）

• 音源が右へ動くと、右側（進行方向）では波面の間隔が狭くなり（λ短い）、左側（後方）では広くなる（λ長い）。
• v は空気中で一定、f は音源の出す本来の値なので、λの変化がそのまま観測周波数 f' = v / λ に反映されます。

1. 超音速とソニックブーム（発展）

• 音源の速さが音速を超える（vs > v）と、前方に波が溜まり円錐状の衝撃波（マッハコーン）を作ります。これが「ドカン」というソニックブーム。
• このとき通常の前方での連続的なピッチ上昇というより、衝撃波として一気に到来します。

1. 反射を使うドップラー（発展・医療やレーダー）

• 動く対象からの反射では「二段階」で周波数がずれます。
• 例：血流速度 u を超音波で測る場合（音速 v、送信周波数 f）
  • 近づく流れなら、受信周波数 f' ≈ f × (v + u) / (v − u)
  • u ≪ v なら周波数変化 Δf ≈ 2 f u / v（よく使う近似）

1. 光のドップラー（相対論的、要点だけ）

• 光は媒質を必要とせず、相対論の効果が効きます。低速近似では Δf / f ≈ ± v / c。
• 正確には、光源が遠ざかると f' = f × √[(1 − β)/(1 + β)]、近づくと f' = f × √[(1 + β)/(1 − β)]（β = v/c）。
• 遠ざかると赤方偏移（波長が長くなる）、近づくと青方偏移。

1. よくある誤解の整理

• 音源が動いても「音速」は変わりません。音速 v は空気（媒質）で決まります。変わるのは波長（前後で詰まる・広がる）です。
• 符号の取り違えに注意。近づくときに周波数が上がるように、分子・分母の符号を選びます。
• 速度は音速より十分小さい前提で上の式を使います（超音速ではショックの扱いが必要）。

1. 家でもできる簡単実験

• スマホの発振アプリで一定の音（例: 800 Hz）を鳴らし、スピーカーを自転車のハンドルに付けて走る。近づく・遠ざかるときに録音アプリで周波数解析すると、ピッチの変化が見えます。
• 別案：メトロノーム音をスマホで流し、友人が走って近づいたり離れたりするのを録音して解析。

1. 練習問題（答え付き）

• 問1: f = 600 Hz のサイレン。音速 v = 340 m/s。救急車が観測者へ vs = 25 m/s で近づくときの f' と、通過後に遠ざかるときの f' を求めよ。
  • 解: 近づく f' = 600 × 340 / (340 − 25) = 600 × 340 / 315 ≈ 600 × 1.0794 ≈ 647 Hz
    遠ざかる f' = 600 × 340 / (340 + 25) = 600 × 340 / 365 ≈ 600 × 0.9315 ≈ 559 Hz
• 問2: 静止したスピーカー（f = 500 Hz）に向かって観測者が vo = 8 m/s で走る。v = 340 m/s として観測周波数は？
  • 解: f' = 500 × (340 + 8) / 340 = 500 × 348 / 340 ≈ 512 Hz
• 問3（反射・発展）: 自転車のベル f = 500 Hz を鳴らしながら、壁へ u = 8 m/s で進む。v = 340 m/s。自分の耳に返ってくる「こだま（反射音）」の周波数は？
  • 解: f_echo = f × (v + u) / (v − u) ≈ 500 × 348 / 332 ≈ 524 Hz

もっと演習したい、図で見たい、あるいは光のドップラーの詳しい式の導出を知りたい、など希望があれば教えてください。授業用のプリント風にもまとめられます。

所感

教科書的な構成（導入→公式→ケース→例題→演習）になっていて、高校物理を履修していた身として、馴染みのある構成で納得感のある解説だと感じました。最後に授業用のプリント風にまとめられるとの提案も出ているので、現場での利用を想定した出力だと感じました。

3. 小学校の先生として

先ほどは高校教師として解説を行ってもらいました。次はレベルを下げ、小学校の先生として解説を行ってもらいます。

プロンプト

あなたは小学校の先生です。
ドップラー効果について教えてください。

出力結果

出力結果

はい、先生としてやさしく説明しますね。

1. どんな現象？

• 救急車やパトカーのサイレンが近づいてくると音が高く、通り過ぎて遠ざかると音が低く聞こえますよね。これが「ドップラー効果」です。

1. どうして起こるの？

• 音は空気の中を伝わる「波」です。
• 音の出るもの（サイレンなど）が進む方向の前では、波の間隔がぎゅっとつまります。
  • 波がたくさん届く＝1秒間に届く波の数（周波数）が増える＝音が高く聞こえる。
• 反対に、後ろ側では波の間隔がひろがります。
  • 波が少なく届く＝周波数が減る＝音が低く聞こえる。
• たいせつなポイント：空気中での「音の速さ」そのものはほぼ同じです。変わるのは「波の間隔（届く速さの回数）」です。

1. どんなときに感じる？

• 救急車・パトカー・消防車のサイレン
• 通過する電車の汽笛や踏切のベル
• 近くを猛スピードで走る車や自転車のベル
• スポーツの試合で、走っているときのホイッスルの聞こえ方

1. かんたん実験（安全にやってみよう）

• 方法A：スマホの一定の音（例：電子音や笛のアプリ）を鳴らしながら、友だちに向かってゆっくり近づき、次に遠ざかってみる。聞く人は、近づくと少し高く、遠ざかると少し低く聞こえるはずです。
• 方法B：スマホで一定の音を出し、別のスマホで録音しながら、音の出るスマホを半径小さめでぐるっとゆっくり回す（落とさないようしっかり持つ）。録音を聞くと、高くなったり低くなったりが分かります。
• 安全の約束：
  • 人にぶつからない広い場所で。
  • 大きすぎる音は出さない。
  • 物を振り回すときはひもを使わず、手でしっかり持って落とさない。

1. まとめ

• 音の出るものや、聞く人が動くと、前では波がつまって高い音、後ろでは波がひろがって低い音に聞こえる。
• これがドップラー効果です。

おまけ（ちょっと発展）

• ドップラー効果は音だけでなく「光」でも起きます。星や銀河が私たちから遠ざかると、光が少し赤っぽく（赤方偏移）見えるので、宇宙の研究にも使われています。
• パトカーの速度計（レーダー）や病院のエコー（超音波）でも、このしくみが役立っています。

ほかにも知りたいことがあれば、何でも聞いてくださいね。

所感

小学校の先生ということで、対象が小学生であることを想定してくれています。そのため、出力の口調が柔らかくなりました。先ほどまでは式を用いて解説を行っていましたが、式は用いず、比喩中心の言葉で簡潔にまとめるスタイルへと変わりました。

4. アナウンサーとして

最後に教師を離れ、別の観点から解説を行ってもらいます。

プロンプト

あなたはテレビ局のアナウンサーです。
ドップラー効果について教えてください。

出力結果

出力結果

こんばんは。スタジオからお伝えします。本日のテーマは「ドップラー効果」。走り去る救急車のサイレンを思い浮かべてください。近づいてくるときはピィーッと高く、遠ざかるとビューンと低く聞こえますよね。まさにあれがドップラー効果です。

一言で言うと、音や光など「波」を出すものと私たちの間で、近づいたり遠ざかったりする動きがあると、波の間隔（波長）と回数（周波数）がずれ、聞こえる高さや見える色が変わる現象です。

仕組みはこうです。

• 近づくとき: 波が押し縮められて波長が短くなり、周波数が上がる＝高い音に聞こえる
• 遠ざかるとき: 波が引き伸ばされて波長が長くなり、周波数が下がる＝低い音に聞こえる
  ポイントは「音量」ではなく「音程（周波数）」が変わること。横を通り過ぎる瞬間に音が急に変わって聞こえるのも、その切り替わりのためです。

この現象は光でも起きます。

• 近づく天体の光は「青方偏移」、遠ざかる天体は「赤方偏移」
• 天文学では、このずれを手がかりに星や銀河が私たちに対してどれくらいの速さで動いているかを測ります（宇宙膨張による赤方偏移も広く観測されています）

身近な活用例もたくさんあります。

• 速度取締りのレーダー: 反射した電波の周波数のずれから車の速度を測定
• 気象ドップラーレーダー: 雨粒や風の動きを捉えて豪雨や竜巻の兆しを解析
• 医療の超音波ドプラ: 血流の速さや向きを測って心臓や血管の状態を評価

まとめると、ドップラー効果は「相対的な動きが波のリズムを変え、音の高さや光の色をずらす」現象。救急車のサイレンから宇宙の観測、医療や防災まで、私たちの暮らしを支える重要な原理です。

所感

先ほどの小学校の先生と同様に、式を使用しない出力です。やはりアナウンサーということで人に伝える少し硬い原稿風の出力になったと感じます。また、文章の構成(導入→解説→締め)がはっきりと出ているようにも感じます。

おわりに

今回はプロンプトの初めに「あなたは〇〇です。」のように役割を与えて出力させる効果について試してみました。確かに生成AIはその役割になりきって解説をしてくれていました。その役割になることで自然と対象者を絞る出力にしてくれていました。ここで、試しにプロンプトの途中に「高校生 or 小学生を対象として」や「アナウンサーの原稿みたいに」と記述しても似たような出力を得ることはできました。なりきりごっこをするのか、対象者を指定するのかどうかは、利用者の好みのようにも感じます。

私自身、生成AIと自然な会話でのやり取りを行いたいので、不自然に「あなたの役割は〇〇です」と指示するよりも「対象者は〇〇を想定しています。」といった指示の仕方が好みではあります。