Развитие вычислительной техники до Ч. Бэббиджа

План

1. Развитие вычислительной техники до Ч. Бэббиджа. 3

2. Юношеские годы Бэббиджа. 5

3. Разностная машина Бэббиджа. 9

4. Судьба разностной машины.. 12

5. Аналитическая машина Бэббиджа. 15

6. Теоретические возможности машины.. 18

7. Исследования Бэббиджа в различных областях знания. 26

8. Заключение. 33

9. Литература. 36

Развитие вычислительной техники до Ч. Бэббиджа

С необходимостью считать люди столкнулись в камен­ном веке. Имеются свидетельства, что в палеолите насеч­ками на костяных и каменных изделиях отмечали неко­торый счет.

С развитием общества счет стал еще более необходим, в обиходе появились большие числа, выкладки с которыми все усложнялись. Естественно возникла потребность в приборах, которые облегчили бы счет. Простейший из таких «приборов» был всегда с человеком — это 10 паль­цев его рук. Кроме того, считали с помощью зарубок на палках, костях и камнях, узлов на веревках и других примитивных приспособлений. Но уже в древности широ­кое распространение получили счетные приборы, которые объединяются одним общим названием — абак. Под абаком понимается любой счетный прибор, на котором отмечены места расположения отдельных разрядов, а числа представляются количеством различных мелких предметов (камешков, косточек и т. п.).

Греки, славяне и другие народы использовали для записи чисел буквы алфавита. Однако в алфавитной ну­мерации арифметические действия не проводились, она употреблялась в основном для записи дат и результатов вычислений. Сами вычисления выполнялись на счетной доске. Арифметика была воплощена в абаке, точнее, счет­ная доска с ее возможностями и представляла арифме­тику; так продолжалось до распространения удобных для вычисления цифр и позиционной системы счисления.

В Х—XII вв. в Европе появилось много работ, посвя­щенных вычислению на абаке. Но в связи с распростра­нением десятичной позиционной системы счисления на­чалось постепенное вытеснение вычислений на абаке пись­менными вычислениями. Этот процесс шел в острой борьбе, как тогда считали, двух наук: математики на абаке и математики без абака, на бумаге.

С развитием математики и ростом объема вычислений возникает стремление упростить и облегчить вычислитель­ную работу. Для этой цели создаются не только вычисли­тельные приборы, но и таблицы.

В начале XVII в. шотландский математик Д. Непер (1550—1617), используя один из распространенных в то время способов умножения (умножение решеткой), пред­ложил счетный прибор, представляющий собой по-осо­бому записанную таблицу умножения, который он на­звал счетными палочками. Действия умножения и деления производились при помощи выкладывания палочек по определенным правилам и считывания результата.

Создателем первой механической вычислительной ма­шины был профессор Тюбингенского университета В. Шикард (1592—1635).

Машина Шикарда состояла из трех частей: суммирую­щего устройства, множительного устройства и механизма для записи промежуточных результатов. Суммирующее устройство (шестиразрядная машина) представляло собой совокупность зубчатых передач. На каждой оси находи­лось по одной шестерне с десятью зубцами и по вспомога­тельному однозубому колесу-пальцу. Палец служил для дискретной передачи десятка в следующий разряд после накопления в предыдущем десяти единиц.

Сложение в машине выполнялось поворотом на нуж­ную величину наборных колес каждого разряда, вычита­ние — вращением шестерен в обратную сторону. В окош­ках машины (окошках считывания) было видно набранное число, а также все последующие результаты. Вычисление суммы и разности состояло только в наборе чисел и счи­тывании результата. Деление заменялось последователь­ным вычитанием делителя из делимого. Множительное устройство машины состояло из записанных на бумаге таблиц умножения, которые наматывались на шесть па­раллельных валиков. При умножении необходимо было повернуть соответствующим образом валики и прочесть по определенным правилам результат.

Третье устройство машины состояло из шести осей с нанесенными на них цифрами и панели с шестью окош­ками. Поворотом осей в окошках можно было поставить число, которое необходимо запомнить, например, какой-нибудь промежуточный результат. Таким образом в ма­шине Шикарда только суммирующая часть была механи­ческой, а остальные представляли собой подвижные таблицы.

Большую известность приобрела суммирующая ма­шина Б. Паскаля (1623—1662). Принципиально она не отличалась от суммирующей части машины Шикарда. Первый образец машины, построенный в 1641 г. имел много недостатков, и Паскаль после ее окончания начал строить новую машину, которую закончил через три года. Эта, вторая модель стала базовой: все последующие ма­шины, которые строил Паскаль, очень мало отличались от нее, хотя в каждую из них вносились некоторые изме­нения. Паскаль построил около 50 машин. Некоторые из них дошли до наших дней.

Впервые пригодную для вычислений машину, на кото­рой можно было выполнять четыре арифметических дей­ствия, создал уроженец Эльзаса Карл Томас де Кольмар. Он же наладил впервые массовое производство своих машин. В 1818 г. Томас скон­струировал, а в 1820 г. построил счетную машину, кото­рую назвал арифмометром. В 1821 г. Томас представил свою машину на рассмотрение Парижской академии.

Таким образом к середине XIX в. имелся только один достаточно удовлетворительный для практики арифмо­метр — арифмометр Томаса. Все остальные вычислитель­ные машины были приспособлены либо только для сло­жения и вычитания, либо значительно уступали арифмометру Томаса. Только Бэббидж в том же XIX в. смог совершенно по-новому по­дойти к проектированию вычислительных машин, разра­ботать основные принципы их функционирования, в осо­бенности, в главном своем творении — аналитической машине, и положить начало решению основных проблем современной вычислительной техники, что позволило сто лет спустя назвать его «отцом вычислительных машин».

Юношеские годы Бэббиджа

Чарльз Бэббидж родился 26 декабря 1791 г. на юго-западе Англии в маленьком городке Тотнес, в графстве Девоншир. Отец его Бенджамин Бэббидж, банкир фирмы «Прэд, Макворт и Бэббидж» впоследствии оставил сыну довольно большое состояние. Чарльз был слабым ребен­ком и родители не спешили отдавать его в школу. До 11 лет его учила мать (урожденная Елизавета Тип), о ко­торой Чарльз всегда говорил с большим уважением. Будучи уже известным ученым, он часто советовался с ней по различным вопросам.

С 11 лет Бэббидж обучался в частных школах, вначале в Альфингтоне — небольшом городке в Девоншире, а за­тем недалеко от Лондона в городе Энфилде. В школе Чарльз увлекся математикой, занимался ею много и с особым удовольствием, в результате чего получил осно­вательную математическую подготовку. В это время он детально изучил книгу Уорда «Руководство для юных математиков», а также ряд более фундаментальных работ по математике: «Принципы аналитических вычислений» Вадхауза, «Флюксии» Дитона и даже «Теорию функций» Лагранжа.

Бэббидж с детского возраста проявлял интерес к раз­личным механическим автоматам, которые были широко распространены в XVIII и в начале XIX вв. При полу­чении каждой новой игрушки он неизменно спрашивал: «А что находится внутри ее?». Чарльз и сам очень рано начал пытаться строить механи­ческие игрушки, что, кстати сказать, ему не всегда хо­рошо удавалось.

В 1810 г. девятнадцатилетний Бэббидж поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета. В кол­ледже, к своему удивлению, Ч. Бэббидж обнаружил, что он знает математику лучше своих сверстников. Иногда своими вопросами он ставил в тупик даже преподавателей.

Чарльз был общительным человеком и имел большой круг знакомых, среди которых были молодые люди с до­вольно разносторонними интересами: любители и мате­матики, и шахмат, и верховой езды и т. п. Наиболее близ­кими его друзьями стали Джон Гершель (1792—1871), сын знаменитого астронома В. Гершеля, и Джордж Пикок (1791—1858). Друзья заключили соглашение «приложить все усилия, чтобы оставить мир мудрее, чем они нашли его».

В 1812 г. три друга (Бэббидж, Гершель и Пикок) сов­местно с другими молодыми кембриджскими математи­ками основали «Аналитическое общество», организация которого явилась поворотным пунктом для всей британ­ской математики.

«Аналитическое общество» стало проводить регуляр­ные заседания, на которых его члены выступали с науч­ными докладами, обсуждали появляющиеся в печати ра­боты. «Аналитическое общество» развило довольно боль­шую издательскую деятельность, в частности, стало публи­ковать свои труды. Бэббидж, Гершель и Пикок в 1816 г. перевели с французского языка «Трактат по дифферен­циальному и интегральному исчислению» профессора Политехнической школы в Париже С.Ф. Лакруа (1765 – 1843), дополнив его в 1820 г. двумя томами примеров. Все три друга в это время много занимались математикой.

Бэббидж был способным студентом и хорошо учился, однако он считал, что его друзья Гершель и Пикок до­стигли в математике больших успехов, чем он. Не желая по окончании быть третьим среди лучших студентов в Тринити-колледже, он в 1813 г. переходит в колледж Св. Петра. Действительно он там стал первым студентом и, окончив колледж, получил в 1814 г. степень бака­лавра.

В 1815 г. в возрасте 24 лет Бэббидж женится на 23-летней Джорджии Витмур и переезжает в Лондон.

В 1816 г. стала вакантной должность профессора в од­ном из колледжей Лондона. Бэббидж, снабженный хоро­шими рекомендациями, предполагал занять эту должность в том же году. Однако он не был избран и добился назна­чения только в следующем году. В 1817 г. Бэббидж стано­вится магистром наук.

В 1819 г. Бэббидж хотел занять освободившееся место профессора на кафедре математики Эдинбургского универ­ситета. И здесь Бэббидж не был принят сразу: причиной отказа стало его нешотландское происхождение. Его утвер­дили в должности профессора только через два года после многочисленных просьб и рекомендаций влиятельных лиц.

Бэббидж, будучи очень энергичной натурой, интере­совался широким кругом научных вопросов и проявил себя в различных областях деятельности. Еще совсем в мо­лодые годы он начал писать грамматику и словарь миро­вого универсального языка. Но эта работа осталась не­завершенной, как и целая серия словарей для самых раз­личных целей. Во время поездок и путешествий он никогда не упускал возможности измерить пульс и частоту дыхания животных. В результате этих наблюдений он подготовил «Таблицу констант класса млекопитающих». Еще в студенческие годы Бэббидж начал задумываться о том, как избежать ошибок при составлении различных таблиц. Впервые в Англии навигационные таблицы были опубликованы в 1766 г. Трудоемкие расчеты этих таблиц велись в течение многих лет. Несмотря на все старания составителей, они содержали ошибки. Исследуя причины возникновения этих ошибок, Бэббидж пришел к мысли о возможности расчета различных таб­лиц на машине. Бэббидж приводит две версии обстоятельств, побудивших его начать работу над созданием вычис­лительной машины. Одну он изложил в 1822 г., другую — 40 лет спустя.

Согласно первой версии, изложенной Бэббиджем, од­нажды Гершель принес ему расчеты, выполненные вы­числителями Астрономического общества. Однако у Бэббиджа и Гершеля возникли сомнения относительно каче­ства работы вычислителей. Они принялись за утомительную проверку и обнаружили большое число ошибок. Бэббидж сказал: «Я хотел бы, чтобы эти расчеты выполнялись с по­мощью источника энергии», на что Гершель ответил: «Это вполне возможно». По словам Бэббиджа, этот разговор породил идею, воплощением которой он занимался всю жизнь.

По второй версии, изложенной Бэббиджем, дело обстояло несколько иначе. Однажды вечером Бэббидж сидел в комнате Аналитического общества и размышлял о сложности расчета логарифмических таблиц. В это время в комнату вошел один из его друзей и спросил: «Ну, Чарльз, о чем ты меч­таешь?» Указывая на таблицу логарифмов, Бэббидж отве­тил: «Я думаю, что все эти таблицы можно рассчитать на машине». Бэббидж пишет, что «это событие, должно быть, произошло в 1812 или 1813 году».

Конечно, обе версии несут в себе оттенок легенды. Фактом остается то, что еще в студенческие годы Бэббидж заинтересовался возможностями производства различных математических расчетов при помощи вычислительных машин. Со временем эти мысли полностью овладели Бэббиджем. Он не переставал заниматься проблемами, свя­занными с вычислительными машинами в течение всей своей долгой жизни. Более того, он посвятил им свою жизнь.

12 января 1820 г. в Лондоне было создано Астрономи­ческое общество, в организации которого большое участие принимал Бэббидж. Во главе общества стал доктор У. Пир­сон, его активным помощником был Бэббидж, сыгравший значительную роль в этом обществе. Он последовательно был одним из секретарей общества, вице-президентом, секретарем по иностранным делам и членом Совета.

Став членом Королевского общества и ознакомившись с его работой, Бэббидж выступил с резкой критикой царив­ших там порядков. Он представил на рассмотрение общества план обширных реформ, которые должны были оздоровить общество, создать лучшие условия для научной работы его членов. В своем проекте Бэббидж требовал установления демократической процедуры выборов в члены общества, при этом он считал необходимым публикацию научных статей в качестве испытания для вступающих в члены. Он требовал свободы дискуссий по политическим вопро­сам на заседаниях общества. В своем проекте он выдви­нул и много других требований, которые были направ­лены в сторону демократизации общества.

Королевское общество отвергло проект Бэббиджа без обсуждения. Рассерженный этим отказом Бэббидж про­должал осуждать порядки в Королевском обществе.

В 1828 г. Бэббидж был избран профессором математики Люкасовской кафедры Кембриджского университета. Спустя много лет Бэббидж отмечал, что избрание на эту кафедру было единственной честью, которой он удо­стоился в собственной стране. Он считал, что избрание объясняется интересом, который вызвала его работа над вычислительной машиной.

За 11 лет пребывания в должности профессора Бэббидж не прочел ни одной лекции в университете, стремясь как можно больше внимания уделять разработке вычислитель­ных машин. Но кафедра все же отнимала некоторое время, поэтому в 1839 г. Бэббидж оставляет весьма почетную долж­ность, чтобы полностью посвятить себя работе над вычис­лительными машинами.