Аналитическая машина Ч. Бэббиджа. История создания и принципы устройства

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

 

КРЫМСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. В. И. ВЕРНАДСКОГО

 

 

факультет экономический

кафедра экономической кибернетики

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

по дисциплине «Инновации в сфере ИКТ»

 

на тему:

«Аналитическая машина Ч. Бэббиджа. История создания и принципы устройства»

 

 

 

 

 

 

Выполнила

Студентка 2 курса, группы 201-БИ

Специальность – бизнес-

информатика

Броцкая Л.О.

 

Проверил

Иванов С.В.

 

 

 

 

 

 

 

Симферополь, 2015 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….3

ГЛАВА 1. БИОГРАФИЯ Ч. БЭББИДЖА……………………………………....4

ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ РАЗНОСТНОЙ МАШИНЫ Ч. БЭББИДЖА И ИДЕЯ СОЗДАНИЯ АНАЛИТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ………………………………...7

2.1. Предпосылки появления  вычислительных машин………………………...7

2.2. Создание разностной  машины Ч. Бэббиджа……………………………....10

2.3. Создание аналитической машины…………………………………………14

2.4. Реализация  проекта благодарными потомками………………………….18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….19

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………….20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Имя этого человека, которому суждено было открыть новую и, пожалуй, наиболее яркую страницу в истории вычислительной техники – Чарльз Бэббидж. За свою долгую жизнь (1792-1871) кембриджский профессор математики сделал немало открытий и изобретений, значительно опередивших его время. Круг интересов Бэббиджа был чрезвычайно широк, и все же главным делом его жизни, по словам самого ученого, были вычислительные машины, над созданием которых он работал около 50 лет.

Разностная машина Ч. Бэббиджа - механический аппарат, предназначенный для автоматизации вычислений путем аппроксимации функций многочленами и вычисления конечных разностей. Возможность приближенного представления в многочленах логарифмов и тригонометрических функций позволяет рассматривать эту машину как довольно универсальный вычислительный прибор.

Аналитическую машину Чарльза Бэббиджа считают первым прообразом современного компьютера. Эта машина фактически на века опередила прогресс. Но как и многие колоссы, опережавшие своё время, так и не была воплощена в металле.

Как всякое великое изобретение она не могла родиться на пустом месте, а её создатель не мог быть заурядным человеком.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1. БИОГРАФИЯ Ч. БЭББИДЖА

Родился Чарльз Бэббидж в семье банкира Бенджамина Бэббиджа, 26 декабря 1791 года. В связи со слабым здоровьем, Чарльз не посещал школы, однако рос весьма любознательным ребёнком. Получая новую игрушку, он неизменно задавал вопрос «Мама, а что находится внутри?» и пока не получал ответ, не давал покоя ни игрушке ни окружающим. Если ответ его не устраивал, игрушка подвергалась вскрытию.

 

 К одиннадцати годам родители, всё таки, решаются отправить Чарльза в частную школу и помещают под опеку священника, содержащего школу в городке Алфингтон в Девоншире. Бенджамин Бэббидж попросил священника не давать сыну сильных учебных нагрузок, дабы не подорвать его слабое здоровье.  
По окончанию этой школы у Чарльза начинается настоящее обучение — его отправляют в академию в Энфилде, где он знакомится с учебником, определившим увлечение всей его дальнейшей жизни. Это было «Руководство Уорда для юных математиков». Он настолько увлёкся алгеброй, что поступив в Кэмбридж с удивлением обнаружил, что знает о ней куда больше, чем его репетитор.

В 1811 году Чарльз становится студентом Тринити Коледжа — самого знаменитого коледжа Кембриджа. На тот момент из дверей этого учебного заведения уже вышли такие знаменитые личности как Исаак Барроу и его ученик Исаак Ньютон. Ближе к нашим дням данный колледж оканчивали такие личности как Бертран Рассел, ряд британских монархов и принцев (включая принца Чарльза).

Обучаясь в Кэмбридже, Чарльз пришёл к выводу, что Британия сильно отстала от континентальной Европы по уровню математической подготовки. Как результат родилось «Аналитическое общество», куда входили его друзья — Джон Гершель и Джордж Пикок. На встречах общества друзья обсуждают труды континентальных коллег, издают «Записки Аналитического общества».

Чарльз считал способности своих друзей куда выше собственных и дабы не быть третьим в Тринити колледже, он переходит в колледж святого Петра.

Он интересовался актуальными и передовыми проблемами математики. Одной из таких проблем была проблема эффективного быстрого и точного составление различных таблиц — логарифмических, арифметических, таблиц процентов и т.п.

Продолжил образование он во Франции, где познакомился с великими математиками Пьером Лапласом и Жаном Батистом Фурье. Но чистая математика его не привлекла. Сильнейшее влияние на молодого математика оказал барон Гаспар де Прони, чьи работы натолкнули Бэббиджа на мысль о построении технологии вычислений.

Правительство обновлённой Франции решило создать новые логарифмические и тригонометрические таблицы. Эту работу и поручили барону де Прони, руководившему в ту пору Бюро переписи.

Де Прони перенёс идею разделения труда на вычислительный процесс. Он распределил исполнителей по трём уровням квалификации: высшую ступень занимали несколько выдающихся математиков, среди которых были Лежандр и Лазар Никола Карно, — они готовили математическое обеспечение. На втором уровне стояли образованные «технологи», которые организовывали рутинный процесс вычислительных работ. Последними в этой структуре были вычислители — computers (первое использование этого слова): их квалификационный максимум — умение складывать и вычитать (обычно вычислителей набирали из девушек легкого поведения, которые после революции решились сменить профессию).

Заслуга де Прони в том, что он нашёл алгоритмический и технологический подходы для сведения сложных вычислений к рутинным операциям, не требующим от большинства исполнителей творческого подхода. В принципе, де Прони создал первую вычислительную машину, где в качестве процессора использовались вычислители. Этот подход 150 лет успешно применялся при проведении сложных и даже очень сложных расчётов — от разработки конструкций кораблей до создания первых атомных бомб.

Распределение вычислительного труда у де Прони наводит Бэббиджа на мысль о замене человека-вычислителя (который неизбежно ошибается) машиной — которой, как полагал Бэббидж,  ошибки неведомы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ РАЗНОСТНОЙ МАШИНЫ Ч. БЭББИДЖА И ИДЕЯ СОЗДАНИЯ АНАЛИТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

2.1. Предпосылки появления вычислительных машин

Стоит вспомнить что на конец восемнадцатого — начало девятнадцатого века пришёлся пик промышленной революции, лидером которой была Британия. Переход от ручного труда к промышленным масштабам сопровождался, так сказать, бурным ростом других секторов экономики. Росло банковское и страховое дело, увеличивался объём морских перевозок, строительства — всё это требовало большого количества вычислений — расчёт сложных процентов, вычисление географических координат, инженерных расчётов и т.п. Уже в восемнадцатом веке мореходами активно использовались различные таблицы.

В 1776 году появился на свет «Морской календарь» (его автор — ученый доктор Маскелин, впоследствии королевский астроном). Календарь представлял из себя свод астрономических, навигационных и логарифмических таблиц, основанных на наблюдениях астронома Брэдли. Но данный труд имел немало ошибок и неточностей, порождённых малой точностью исходных данных, неточностью вычислений и ошибками при переписывании. 

После окончания Англо-Испанской войны в средиземном море встретились Английское и Испанское суда. Свежеиспечённые друзья решили оказать друг другу знаки почтения и обменятся подарками. На счастье Английского капитана, его Испанский коллега решил преподнести ему лишь серебряный поднос. А вот Испанскому капитану повезло меньше — Англичанин преподнёс ему, без всякого злого умысла, навигационные таблицы Томаса Юнга. Издание было высочайшего качества, однако таблицы были совершенно не верными, так как не учитывали високосных годов. Испанского капитана, принявшего такой дар, больше никто никогда не видел, а вот Английский капитан прекрасно добрался до места назначения, используя французские и итальянские таблицы.

 
 
(Навигационный прибор 18го века)

«Морской календарь» выходил ежегодно, издателям приходилось держать большой штат корректоров, но даже это не спасало от ошибок.

В конце 18го века был предложен оригинальный способ организации вычислительного труда, повышающий надежность вычислений. Его автором был математик Гаспар Клэр Франсуа маркиз де Прони.

Вычисления были организованны по «конвеерной системе» состоящей из трёх групп. Первая, наиболее малочисленная, наиболее квалифицированная состояла из 5-6 математиков. Она занималось выбором формул и составлением схем расчётов. Вторая из 7-8 математиков по выбранным формулам определяла значения функций с шагом 5-6 интервалов. Третья же, наиболее многочисленная, состояла из девяноста вычислителей низкой квалификации, которые занимались уплотнением таблицы, заполняя интервалы, вычисленные на предыдущем этапе. Две группы вычислителей работали параллельно, сверяя свои результаты. 

Бэббидж заинтересовался данной схемой и у него родилась идея заменить последний этап ручных вычислений, механической машиной, которая позволяла бы автоматизировать, как он писал «самые примитивные действия человеческого интеллекта».

Машины, способные производить простые операции сложения, вычитания и даже умножения к тому времени создавались уже не первый век различными математиками и механиками, хотя большого распространения на тот момент не получили. Бэббидж же задумал не просто «механические счёты». У него родилась идея специализированного вычислительного устройства, заточенного под создание таблиц, позволявшего вычислять их быстро, эффективно, требовавших невысокой квалификации персонала, а также (что немаловажно) позволявших фиксировать результаты проведённых вычислений на бумаге.

Для второго десятилетия девятнадцатого века это была весьма смелая задумка. Однако даже сам Бэббидж ещё не догадывался как далеко его заведёт, родившаяся в его голове в 1812-м году идея.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Создание разностной машины Ч. Бэббиджа

В 1822 г. Бэббидж приступил к осуществлению проекта так называемой разностной машины, предназначенной для расчета навигационных и астрономических таблиц.

 

Аргумент (n)	Значение (R1)	Разность №1 (R2)	Разность №2 (R3)	Разность №3 (R4)	Разность №4 (R5)
1	1	15	50	60	24
2	16	65	110	84	24
3	81	175	194	108	24
4	256	369	302	132	24
5	625	571	434	156	24
6	1296	1105	590	180
7	2401	1695	770
8	4096	2465
9	6561

 

Первый столбец — это аргумент функции, второй — это значение функции для данного аргумента. Третий столбец — это разность последующих значений функции и предыдущих. То есть строка №1 = 16 – 1, строка №2 = 81-16 и так далее. Проделаем то же самое несколько раз (столбцы «Разность №2», «Разность №3»). Нетрудно заметить, что четвёртые разницы у нас полностью совпали. И это неспроста — если функция является многочленом n-ой степени, то в таблице с постоянным шагом (в нашем примере шаг равен единице) её n-е разности постоянны.

 Бэббидж предполагал  вычислять функции с постоянными  шестыми разностями. Для этого  машина должна была иметь семь  регистров — по регистру для  каждой разности и один для  результата, и результат должен  был получаться в результате  семи сложений. Весьма затратный  по времени вариант, и Бэббидж  придумал способ как его оптимизировать. Он предложил записывать разности  нечётного порядка из предыдущей строки, тогда вычислить следующее значение функции можно в два приёма, вычисляя сначала параллельно нечётные разницы, а затем уже чётные и значение функции.

Например, рассчитываем для N=8 на первом этапе R2 = 1105 + 590 = 1695, R4 = 132 + 24 = 156, на втором этапе R1 = 2401 + 1695 = 4096, R3 = 434 + 156 = 590.

 
 
(Механизм передачи  десятков в машине Паскаля)

Каждый регистр представлял собой набор из восемнадцати десятичных счётных колёс, аналогичных колёсам машины Паскаля. Вычисление происходило в два этапа — первый этапа сложение без учёта переноса, второй этап — сложение с переносом от младшего разряда к старшему (последовательный перенос). Такая схема переноса требует последовательного сложения всех разрядов с учётом переноса, который мог возникнуть на предыдущей ячейке. Это наиболее простая, но самая неэффективная схема переноса, и Бэббиджа она не устроила. В дальнейшем, работая над аналитической машиной, он разработал схему сквозного переноса.

Для табулирования логарифмической, тригонометрической и прочих функций, таблицу предполагалось разбивать на участки, каждый из которых приближался своим многочленом. Переходя от одного участка к другому, оператор должен был вручную изменить значения разностей. Машина была снабжена звонком, который звонил после выполнения определённого числа шагов. Также разностная машина была снабжена печатающим механизмом, который запечатлил результат на медной пластине. Такую пластину можно было использовать для неограниченного числа оттисков, при этом исключалась возможность внесения ошибки наборщиком.

Стоит заметить, что идея разностной машины была высказана ещё 1786 году Иоганном Гельфрейхом Мюллером, но он даже не приступал к её постройке, и по всей вероятности Бэббидж ни чего не знал об этой идеи.