Житомирський державний педагогічний університет імені Івана Франка

[pic]

“Чарльз Бэббидж – человек, который опередил свою эпоху”

студентки 52 групи фізико-математичного факультету

Куліш О.І.

2000 р.

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.