Житомирський державний педагогічний університет імені Івана Франка

“Чарльз Бэббидж – человек, который опередил свою эпоху”

студентки 52 групи

фізико-математичного факультету

Куліш О.І.

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.

Английский эрудит, математик, философ, изобретатель и инженер-механик, в 19-м веке разработавший концепцию универсальной цифровой вычислительной машины, которая считается прообразом современных компьютеров.

Собственно, Чарльзу Бэббиджу приписывают изобретение первого механического компьютера, что, в конце концов, привело к более сложным разработкам. Кроме того, ему принадлежит множество выдающихся работ в других областях. Часть незавершенных механизмов Бэббиджа демонстрируются на выставке в лондонском Музее науки (London Science Museum). В 1991 году по чертежам изобретателя была построена прекрасно функционирующая так называемая разностная машина Чарльза Бэббиджа. Бэббидж часто упоминается в романах в жанре стимпанк. В 2008 о нем сняли короткометражный фильм "Babbage", показанный на Каннском фестивале (Cannes Film Festival).

Будущий изобретатель появился на свет 26 декабря 1791 года в Лондоне (London). Он был одним из четырех детей банкира Бенджамина Бэббиджа (Benjamin Babbage) и его жены Бетси Пламли Тип (Betsy Plumleigh Teape). Когда мальчику исполнилось восемь, его отослали в школу-интернат в сельской местности, чтобы набраться сил после опасной для жизни лихорадки. Какое-то время он учился в школе короля Эдуарда VI (King Edward VI Grammar School), но слабое здоровье вынудило родителей обратиться к услугам репетиторов. Позже Бэббидж стал учеником Академии Холмвуд (Holmwood academy) в Мидлсексе (Middlesex), располагавшей богатой научной библиотекой – именно там пробудилась его любовь к математике.

Так или иначе, учителя и репетиторы смогли подготовить юного Чарльза к экзаменам в Кембриджском Университете (University of Cambridge), и в октябре 1810 он стал студентом Тринити-колледжа (Trinity College). Увы, уровень математики в Кембридже разочаровал Бэббиджа, который к тому времени самостоятельно изучил многие работы современных ему выдающихся математиков. В 1812 вместе с несколькими друзьями он основал в университете Аналитическое общество (Analytical Society), а в 1814 получил степень без экзаменов. Он быстро добился определенного успеха – год спустя молодой Бэббидж читал лекции по астрономии в Королевском институте (Royal Institution), в 1816 он стал членом Лондонского королевского общества (Royal Society), в 1819 посетил Париж (Paris), где встречался с ведущими французскими математиками и физиками. С другой стороны, ему не слишком везло в плане карьеры – несмотря на несомненные способности и отличные рекомендации, выгодные и престижные преподавательские позиции все время доставались кому-то другому, и Чарльз был вынужден полагаться на поддержку отца. В 1827, после его смерти, Бэббидж унаследовал крупное по тем временам состояние, около 100 000 фунтов, что сделало его независимым в своих исследованиях.

Он рано женился, в 1814 году, у них с женой было восемь детей (хотя только четверо из них выжили), а после смерти жены, скончавшейся в 1827, много путешествовал. Он находился в Риме (Rome), когда узнал, что наконец-то получил профессорское место в Кембридже, который до этого трижды ему отказывал.

Основной страстью Бэббиджа было создание вычислительных машин, но всю свою жизнь он оставался человеком широких интересов. Бэббидж сыграл важную роль в создании Астрономического общества (Astronomical Society) в 1820 году, разработал требования к современной почтовой системе, с 1828 по 1939 год преподавал в Кембриджском Университете и опубликовал три важных научных труда в этот период, а в 1832 году был избран почетным иностранным членом Американской академии искусств и наук (American Academy of Arts and Sciences). Он испытывал большой интерес к политической экономии, пытался заниматься политикой (без особых успехов) и увлекался богословием, криптографией, металлообработкой в частности и технологиями вообще, а также участвовал в общественных кампаниях. Коллеги его не любили, поскольку Бэббиджу всегда интереснее были собственные исследования, чем преподавание, но всегда отдавали ему должное как ученому и изобретателю. В числе прочих известных изобретений Бэббиджа – такие необходимые в современной жизни предметы как сейсмограф, спидометр и офтальмоскоп.

Чарльз был одним из четырёх детей у Бенджамина Бэббиджа и Бэтси Пламли. Его отец был банкиром и партнёром фирмы «Praed’s & Co», а также владельцем «Bitton Estate» в Тинмуте. В восемь лет его отослали в деревенскую школу в Альпингтоне, чтобы он оправился он угрожающей его здоровью лихорадки.

Учился в школах «King Edward VI Grammar School» в Южном Девоне, а после в «Holmwood academy» в Миддлсексе, под началом Преподобного Стивена Фримэна. Школьная библиотека привила ему любовь к математике.

Бэббидж оставил обучение в академии ради занятий с двумя частными преподавателями – священником из Кембриджа, у которого многому он не научился, и преподавателем из Оксфорда, который обучал Бэббиджа классическим знаниям. Бэббидж поступил в «Trinity College» в Кембридже в 1810 году. Со своими друзьями он основал «Аналитическое сообщество», «Клуб привидений», занимавшийся исследованием паранормальных явлений и клуб с названием «Щипцы» для амбулаторных больных психиатрических лечебниц. В 1912 году Бэббидж поступил в колледж святого Петра в Кембридже и, будучи самым лучшим математиком в учреждении, спустя два года получил степень без сдачи экзаменов, сумев одержать победу в дебатах на спорную тему.

Карьера

После окончания колледжа Бэббидж работал в различных местах, но почти не имел успеха. Он читал лекции по астрономии в Королевской ассоциации и в 1816 году получил должность действительного члена Британского научного Королевского общества.

В 1820 году при участии Бэббиджа было основано Астрономическое общество, члены которого обратились к Бэббиджу и его другу Гершелю с просьбой улучшить «Морской справочник» исправив ошибки в его таблицах. Именно это задание и привело его мысли к идее автоматизированных вычислений.

В 1822 году Бэббидж представил свой доклад «Замечания относительно применения машин к вычислению математических таблиц» в Астрономическом обществе, подкрепив доклад созданием малой разностной машины для вычисления таблицы квадратов.

В 1823 году, следуя рекомендации Королевского научного общества, Британское правительство проспонсировало создание разностной машины – автоматического механического калькулятора, созданного для сведения многочленов. Его друг и инженер Марк Брунел рекомендовал ремесленника Джозефа Клемента для создания механизма устройства.

Разностная машина не была построена из-за разногласий с Клементом по финансированию строительства. Вторая (большая) разностная машина не получила нужного финансирования от правительства и также не была завершена. Интересно, что в честь 200-летия со дня рождения Чарльза Бэббиджа, в период с 1989 по 1991 год, большая разностная машина
была сконструирована.

Вместе с другом и коллегой по колледжу, Джоном Гершелем, в 1825 году Бэббидж работал над магнетизмом вращения Араго и над возникающим вследствие феномена вопросом магнетизма. Их работа была взята за основу и расширена Майклом Фарадеем.

В 1826 году Бэббидж приобрёл таблицы смертности Джорджа Баретта, который умер так и не опубликовав свои работы. Используя за основу работу Баретта, Бэббидж опубликовал свою работу с названием «Сравнительный обзор различных систем страхования жизни».

Ему отказали в должности секретаря Королевского научного общества, несмотря на обещания. В 1826 году Бэббидж опубликовал схему погружной подводной лодки, запаса воздуха в которой хватало на четырёх человек на более чем два дня.

С 1828 по 1839 годы Бэббидж занимал почётную должность Лукасовского профессора математики в Кембридже, а также был избран почётным иностранным членом Американской академии искусств и наук.

Бэббидж дважды пытался попасть в парламент от округа Финсборо в 1830 году, но оба раза проиграл с минимальным отрывом. Его политические взгляды включали расширение выборного права и отделение государства от церкви.

В 1830 году Бэббидж публикует полемическую книгу «Размышления об упадке науки и некоторых причинах этого», что приводит к созданию Британской ассоциации содействия развитию науки.

В 1832 году Бэббидж опубликовал книгу «Экономика технологий и производств», которая была одной из первых работ на тему операционного исследования. «Принцип Бэббиджа» подразумевал разделение труда по уровню квалификации. Книгу «Ninth Bridgewater Treatise» Бэббидж опубликовал с заголовком «Благодаря силе, мудрости и доброте Божьей». Он обозначил своё представление о сотворении человека как то, в котором преобладают законы природы.

Бэббидж также занимался криптологией, и в разгар Крымской войны в 1850 году смог взломать шифр Виженера, но его работу признали военной тайной и поэтому она не стала достоянием общественности.

Основные работы

Бэббидж создал сложное устройство с названием «Аналитическая машина», которое использовалось для общих математических вычислений и которым управляли перфокартами. Устройство постоянно дорабатывали и изменяли с 1833 года и до смерти Бэббиджа.

В 1838 году Бэббидж изобрёл путеочиститель – металлическую раму, которая крепилась на локомотиве и убирала препятствия с пути следования. Он также разработал динамометр, который записывал пройдённые локомотивом километры.

Личная жизнь и наследие

В 1814 году Бэббидж женился на Джорджиане Витмур. Лишь четыре из восьми детей пары с именами Бенджамин Гершель, Джорджиана Витмор, Дугалд Бромхед и Генри Превост, дожили до совершеннолетия.

Джордж Бэббидж умер от почечной недостаточности в возрасте 79 лет и похоронен на кладбище Кенсал Грин в Лондоне.

В честь Бэббиджа назван кратер на Луне и локомотив, а также Институт Чарльза Бэббиджа – информационный технологический центр при университете Миннесоты.

Друг и поклонник Бэббиджа – Ада Лавлэйс – считается первым в мире программистом, так как она создала алгоритм действий для выполнения машиной.

Чарльз Бэббидж был одним из четырёх учёных, которые независимо друг от друга раскрыли секрет дендрохронологии или науки о кольцах деревьев. Но отцом дендрохронологии считается Эндрю Элликот Дуглас.

Оценка по биографии

Новая функция! Средняя оценка, которую получила эта биография. Показать оценку

26 декабря 2015 в 22:44

Чарльз Бэббидж, математик и изобретатель первого в мире компьютера: 224 года со дня рождения

• История IT

Чарльз Бэббидж в 1860-м году

224 года назад, 26 декабря 1791 года, по адресу 44 Кросби Роу, Уолворт Роуд в Лондоне родился мальчик, которого назвали Чарльзом. Всего в семье банкира Бенджамина Бэббиджа было четверо детей.

Чарльз в детстве много болел, и в возрасте восьми лет был даже отправлен учиться в школу в сельской местности, чтобы поправить здоровье после сильной лихорадки, чуть не прервавшей его жизнь. И после этого по состоянию здоровья ему часто приходилось учиться дома с частными преподавателями.

Во время учёбы Чарльз всерьёз заинтересовался математикой. Поступив в академию Холмвуд, он много времени проводил в тамошней библиотеке за чтением книг по математике, а по его просьбе родители наняли дополнительных к институтской программе учителей, которые помогали ему постигать эту науку дома. Один из учителей подтянул образование Чарльза до степени, пригодной для поступления в Кембридж.

Поступив в Кембридж в октябре 1810 года, и отучившись там немного, Чарльз был разочарован местным уровнем преподавания математики. Чарльз познакомился с другими одарёнными студентами – Джорджем Пикоком (в будущем – известный математик), Джоном Гершелем (в будущем – математик, астроном, химик, ботаник, изобретатель и фотограф-экспериментатор), и другими.

Совместно они организовали в стенах университета т.н. «Аналитическое общество», к заслугам которого можно, в числе прочего, отнести пропаганду символики Лейбница для работы с дифференциальными уравнениями. До этого совместными усилиями они перевели учебник «Научные основы интегрального и дифференциального счисления» французского математика Сильвестра Лакруа. Начавшись в виде шуточного студенческого проекта, к 1830-х годам «Аналитическое общество» стало уже официальным подразделением университета, и существует там и поныне.

После Кембриджа Чарльз читал лекции, занимался совместно с Гершелем научной работой, связанной с электричеством. Писал книги и пробовал заниматься политикой. Его книга «Экономика механизмов и производств», посвящённая организации промышленных производств и изданная в 1832 году, оказала основополагающее влияние на математические методы исследования операций (разработку и применение методов нахождения оптимальных решений на основе математического моделирования, статистического моделирования и различных эвристических подходов). В частности, в книге активно пропагандировался принцип разделения труда, и доказывалось, что эта методика приводит к увеличению эффективности производства. Теперь этот принцип в Британии называют «Принципом Бэббиджа».

Кроме этого, Бэббидж интересовался инженерным делом, в частности работой поездов. Он изобрёл треугольное устройство «метельник» или «путеочиститель», которое часто называли «скотобойником» (по аналогии с этим можно вспомнить «кенгурятники» внедорожников) – оно помогало оперативно очищать железнодорожные пути от посторонних предметов (и существ). Также ему принадлежит разработка специального вагона-динамометра, измеряющего различные критичные параметры железнодорожного полотна.

Участвовал в создании Астрономического сообщества и в создании единого стандарта астрономических вычислений. Именно работа над исправлением ошибок в счётных таблицах натолкнула Бэббиджа на мысль о механизации рутинного труда по подсчётам.

Цитата из исторической биографии:

В 1812 году он сидел в одной из своих комнат, и смотрел на полные ошибок логарифмические таблицы. И внезапно ему пришла идея автоматических расчётов этих чисел при помощи машин. Французское правительство разработало новый метод подсчёта таблиц. 3-4 математика решали вопросы подсчётов, ещё десяток разбивал работу на более простые части, а сама рутинная работа, состоявшая из сложения и умножения, отдавалась на откуп 80-и работникам-счётчикам, которые и не смыслили в математике ничего больше, чем эти два простых действия. Таким образом массовое производство впервые было применено для математических целей. Бэббиджа захватила идея, что работу неопытных счетоводов можно полностью заменить механизмами, которые бы работали надёжнее и быстрее.

Идея разделения труда вычислителей принадлежала Гаспару де Прони, руководившего бюро переписи Франции с 1790 по 1800 года.

В 1822 году Бэббидж опубликовал статью с описанием машины, способной заменить людей-вычислителей, а вскоре приступил к её практическому созданию. Как математику, Бэббиджу был известен метод аппроксимации функций многочленами и вычислением конечных разностей. С целью автоматизации этого процесса он начал проектировать машину, которая так и называлась - разностная. Эта машина должна была уметь вычислять значения многочленов до шестой степени с точностью до 18-го знака.

К сожалению, изобретатель не смог при своей жизни построить полностью работающую версию задуманной им машины. Вместо трёх лет он потратил на неё более 9 лет, бюджет её создания вырос в 10 раз, но он не смог предвидеть всех трудностей, связанных с реализацией своей идеи.

После того, как правительство отказалось выделять дополнительные средства на финансирование неудавшегося проекта, Бэббидж занялся более общей версией механического компьютера, «аналитической машиной», которую он назвал «Разностная машина №2».

После его смерти во второй половине 19-го века другие изобретатели по его чертежам сумели построить работающие версии разностных машин, одна из которых даже использовалась по назначению, для расчёта и публикации логарифмических таблиц.

Одна из разностных машин, построенная другим изобретателем по чертежам Бэббиджа

В период 1989 по 1991 год к двухсотлетию со дня рождения Чарльза Бэббиджа на основе его оригинальных работ в лондонском Музее науки была собрана работающая копия разностной машины № 2. В 2000 году в том же музее заработал принтер, также придуманный Бэббиджем для своей машины. После устранения обнаруженных в старых чертежах небольших конструктивных неточностей, обе конструкции заработали безупречно.

Построенная в наше время по чертежам изобретателя разностная машина, находящаяся в лондонском музее

Аналитическая машина, придуманная изобретателем, является прямым прообразом современного цифрового компьютера. В единую логическую схему Бэббидж увязал арифметическое устройство (названное им «мельницей»), регистры памяти, объединённые в единое целое («склад»), и устройство ввода-вывода, реализованное с помощью перфокарт трёх типов. Перфокарты операций переключали машину между режимами сложения, вычитания, деления и умножения. Перфокарты переменных управляли передачей данных из памяти в арифметическое устройство и обратно. Числовые перфокарты могли быть использованы как для ввода данных в машину, так и для сохранения результатов вычислений, если памяти было недостаточно.

Ещё одна современная копия машины находится в музее компьютерной истории в Маунтин Вью в Калифорнии:

Во время работы над аналитической машиной Бэббидж вёл переписку с британским математиком Адой Лавлейс . Они познакомились с Бэббиджем, когда ей было всего 17 лет. Впоследствии она не только давала ему идеи по конструкции машины, но и разработала алгоритм её работы для вычисления чисел Бернулли . В связи с этим её часто называют первым программистом в истории.

В 2011 году британские поклонники Бэббиджа разработали план постройки Аналитической машины полностью в том виде, в котором её задумал автор. Инициатива получила название «Plan 28». Пока что им не удалось найти несколько миллионов фунтов на финансирование своего проекта, но они надеются завершить его хотя бы в 2021 году, к 150-й годовщине со дня смерти изобретателя. В переводе на современные единицы, такая машина будет обладать 675 байтами памяти и работать с частотой 7 Гц.

Более 40 лет Бэббидж жил и работал в доме №1 по Дорсет Стрит квартала Мэрилебон на севере Вестминстера. Умер он там же, в возрасте 79 лет, 18 октября 1871 года. Сейчас по этому адресу можно найти круглую мемориальную табличку с его именем.

Теги:

• чарльз бэббидж
• разностная машина

Добавить метки

Чарльз Бэббидж родился 26 декабря 1791 года в Лондоне. Его отец, Бенджамин Бэббидж, был банкиром. Мать звали Элизабет Бэббидж, в девичестве - Тип (англ. Teape). В детстве у Чарльза было очень слабое здоровье. В 8 лет его отправили в частную школу в Альфингтоне на воспитание священнику. На тот момент его отец уже был достаточно обеспечен, чтобы позволить обучение Чарльза в частной школе. Бенджамин Бэббидж попросил священника не давать Чарльзу сильных учебных нагрузок из-за слабого здоровья.

После школы в Альфингтоне Чарльз был отправлен в академию в Энфилде, где по существу и началось его настоящее обучение. Именно там Бэббидж начал проявлять интерес к математике, чему поспособствовала большая библиотека в академии.

После обучения в академии Бэббидж обучался у двух репетиторов. Первый был священником, жившим возле Кембриджа. По словам Чарльза, священник не дал бы ему тех знаний, который он мог получить, обучаясь у более опытного репетитора. После священника у Бэббиджа был репетитор из Оксфорда. Он смог дать Бэббиджу основные классические знания, достаточные для поступления в колледж.

В 1810 году Бэббидж поступил в Тринити-колледж в Кембридже. Однако основам математики он обучался самостоятельно по книжкам. Он тщательно изучал труды Ньютона, Лейбница, Лагранжа, Лакруа, Эйлера и других математиков академий Санкт-Петербурга, Берлина и Парижа. Бэббидж очень быстро обогнал своих преподавателей по знаниям и был сильно разочарован уровнем преподавания математики в Кембридже. Более того, он заметил, что Британия в целом заметно отстала от континентальных стран по уровню математической подготовки.

В связи с этим он решил создать общество, целью которого являлось внесение современной европейской математики в Кембриджский университет. В 1812 году Чарльз Бэббидж, его друзья, Джон Гершель (John Herschel) и Джордж Пикок (George Peacock) и ещё несколько молодых математиков основали «Аналитическое общество». Они стали проводить собрания. Обсуждать различные вопросы, связанные с математикой. Начали публиковать свои труды. Например, в 1816 году они опубликовали переведённый ими на английский язык «Трактат по дифференциальному и интегральному исчислению» французского математика Лакруа, а в 1820 году опубликовали два тома примеров, дополняющих этот трактат. Аналитическое общество своей активностью инициировало реформу математического образования вначале в Кембридже, а затем и в других университетах Британии.

В 1812 году Бэббидж перешёл в колледж Св. Петра (Peterhouse). А в 1814 году он получил степень бакалавра. В том же году Чарльз Бэббидж женился на Джорджиане Витмур (Georgiana Whitmore), и в 1815 году они переехали из Кембриджа в Лондон. За тринадцать лет брака у них было восемь детей, но пятеро из них умерли в детстве. В 1816 году он стал членом Королевского Общества Лондона. К тому времени он написал несколько больших научных статей в разных математических дисциплинах. В 1820 году он стал членом Королевского Общества Эдинбурга и Королевского Астрономического Общества. В 1827 году он похоронил отца, жену и двоих детей. В 1827 году он стал профессором математических наук в Кембридже, и занимал этот пост в течение 12 лет. После того, как он покинул этот пост, он большую часть своего времени посвятил делу его жизни - разработке вычислительных машин.

Последние годы жизни Бэббидж посвятил философии и политической экономии.

Изобретения Бэббиджа

Малая разностная машина

Впервые Бэббидж задумался о создании механизма, который позволил бы производить автоматически сложные вычисления с большой точностью в 1812 году. На эти мысли его натолкнуло изучение логарифмических таблиц, при пересчёте которых были выявлены многочисленные ошибки в вычислениях, обусловленные человеческим фактором. Ещё тогда он начал осмысливать возможность проведения сложных математических расчётов при помощи механических аппаратов.

Также очень большое влияние на Бэббиджа оказали работы французского учёного барона де Прони, который предложил идею разделения труда при вычислении больших таблиц (логарифмических, тригонометрических и др.). Он предлагал разделить процесс вычисления на три уровня. Первый уровень - несколько выдающихся математиков, подготавливающих математическое обеспечение. Второй уровень - образованные технологи, которые организовывали рутинный процесс вычислительных работ. А третий уровень занимали сами вычислители, от которых требовалось лишь умение складывать и вычитать. Идеи Прони навели Бэббиджа на мысль о замене третьего уровня (вычислителей) механическим устройством.

Однако Бэббидж не сразу начал заниматься развитием идеи построения вычислительного механизма. Лишь в 1819 году, когда он заинтересовался астрономией, он более точно определил свои идеи и сформулировал принципы вычисления таблиц разностным методом при помощи машины, которую он впоследствии назвал разностной. Эта машина должна была производить комплекс вычислений, используя только операцию сложения. В 1819 году Чарльз Бэббидж приступил к созданию малой разностной машины, а в 1822 году он закончил её строительство и выступил перед Королевским Астрономическим обществом с докладом о применении машинного механизма для вычисления астрономических и математических таблиц. Он продемонстрировал работу машины на примере вычисления членов последовательности. Работа разностной машины была основана на методе конечных разностей. Малая машина была полностью механической и состояла из множества шестерёнок и рычагов. В ней использовалась десятичная система счисления. Она оперировала 18-разрядными числами с точностью до восьмого знака после запятой и обеспечивала скорость вычислений 12 членов последовательности в 1 минуту. Малая разностная машина могла считать значения многочленов 7-й степени.

За создание разностной машины Бэббидж был награждён первой золотой медалью Астрономического общества. Однако малая разностная машина была экспериментальной, так как имела небольшую память и не могла быть использована для больших вычислений.

Большая разностная машина

В 1822 году Бэббидж задумался о создании большой разностной машины, которая позволила бы заменить огромное количество людей, занимающихся вычислением различных астрономических, навигационных и математических таблиц. Это позволило бы сэкономить затраты на оплату труда, а также избавиться от ошибок, связанных с человеческим фактором.

Со своим предложением профинансировать создание большой разностной машины Чарльз Бэббидж обратился в Королевское и Астрономическое общества. И те, и другие отозвались на это предложение положительно. В 1823 году Бэббидж получил 1500 фунтов стерлингов и приступил к разработке новой машины. Он планировал сконструировать машину за 3 года. Однако Бэббидж не учёл сложности конструкции, а также технические возможности того времени. И уже к 1827 году было затрачено 3500 фунтов стерлингов (более 1000 личных денег). Ход работы по созданию разностной машины сильно замедлился.

Кроме того, на процесс конструирования машины большое влияние оказали трагические события в жизни Бэббиджа в 1827 году. В этот год он похоронил отца, жену и двоих детей. После этих событий у него ухудшилось самочувствие, и он не мог заниматься конструированием машины. Чтобы восстановить здоровье, он поехал в путешествие по континенту.

После путешествия в 1828 году Бэббидж продолжил разработку, но денег уже не было. Он обращался ко многим обществам и правительству с просьбой о помощи. Только в 1830 году он получил от правительства ещё 9000 фунтов стерлингов, после чего продолжил конструирование разностной машины.

В 1834 году работы по созданию машины были приостановлены. На тот момент уже было затрачено 17000 фунтов государственных денег и 6000 личных. С 1834 по 1842 год правительство обдумывало, оказывать поддержку проекту или нет. А в 1842 году отказалось финансировать проект. Разностная машина так и не была достроена.

Большая разностная машина должна была состоять из 25 000 деталей, весить почти 14 тонн и быть 2,5 метра высотой. Кроме того, разностная машина должна была быть оснащена печатным устройством для вывода результатов. Память была рассчитана на 1000 50-разрядных чисел.

Возможно, причиной неудачи создания разностной машиной, наряду с трагическими событиями 1827 года и недостаточным уровнем технологий того времени, стала излишняя разносторонность Бэббиджа. Он поднимался с экспедицией на Везувий, погружался на дно озера в водолазном колоколе, участвовал в археологических раскопках, изучал залегание руд, спускаясь в шахты. Почти год он занимался безопасностью железнодорожного движения и сделал очень много специального оборудования - в том числе создал спидометр. Кроме того, при конструировании разностной машины он разработал немало оборудования для обработки металла. В 1851 году Чарльз Бэббидж предпринял попытку сконструировать улучшенную версию разностной машины - «Разностную машину 2». Но и этот проект не был удачным.

Однако труды Бэббиджа по созданию разностной машины не пропали даром. В 1854 году шведский изобретатель Шойц по работам Бэббиджа построил несколько разностных машин. А ещё через некоторое время Мартин Виберг усовершенствовал машину Шойца и использовал её для расчётов и публикации логарифмических таблиц.

В 1891 году была построена «Разностная машина 2», которая находится сейчас в Лондонском научном музее.

Аналитическая машина

Несмотря на неудачу с разностной машиной, Бэббидж в 1834 году задумался о создании программируемой вычислительной машины, которую он назвал аналитической (прообраз современного компьютера). В отличие от разностной машины, аналитическая машина позволяла решать более широкий ряд задач. Именно эта машина стала делом его жизни и принесла посмертную славу. Он предполагал, что построение новой машины потребует меньше времени и средств, чем доработка разностной машины, так как она должна была состоять из более простых механических элементов. С 1834 года Бэббидж начал проектировать аналитическую машину.

Архитектура современного компьютера во многом схожа с архитектурой аналитической машины. В аналитической машине Бэббидж предусмотрел следующие части: склад (store), фабрика или мельница (mill), управляющий элемент (control) и устройства ввода/вывода информации.

Склад предназначался для хранения как значений переменных, с которыми производятся операции, так и результатов операций. В современной терминологии это называется памятью.

Мельница (арифметико-логическое устройство, часть современного процессора) должна была производить операции над переменными, а также хранить в регистрах значение переменных, с которыми в данный момент осуществляет операцию.

Третье устройство, которому Бэббидж не дал названия, осуществляло управление последовательностью операций, помещением переменных в склад и извлечением их из склада, а также выводом результатов. Оно считывало последовательность операций и переменные с перфокарт. Перфокарты были двух видов: операционные карты и карты переменных. Из операционных карт можно было составить библиотеку функций. Кроме того, по замыслу Бэббиджа, Аналитическая машина должна была содержать устройство печати и устройство вывода результатов на перфокарты для последующего использования.

Для создания компьютера в современном понимании оставалось лишь придумать схему с хранимой программой, что было сделано 100 лет спустя Эккертом, Мочли и Фон Нейманом.

Бэббидж разрабатывал конструкцию аналитической машины в одиночку. Он часто посещал промышленные выставки, где были представлены различные новинки науки и техники. Именно там состоялось его знакомство с Адой Августой Лавлейс (дочерью Джорджа Байрона), которая стала его очень близким другом, помощником и единственным единомышленником. В 1840 году Бэббидж ездил по приглашению итальянских математиков в Турин, где читал лекции о своей машине. Луиджи Менабреа, преподаватель туринской артиллерийской академии, создал и опубликовал конспект лекций на французском языке. Позже Ада Лавлейс перевела эти лекции на английский язык, дополнив их комментариями по объёму превосходящими исходный текст. В комментариях Ада сделала описание ЦВМ и инструкции по программированию к ней. Это были первые в мире программы. Именно поэтому Аду Лавлейс справедливо называют первым программистом. Однако, аналитическая машина так и не была закончена. Вот, что писал Бэббидж в 1851 году: «Все разработки, связанные с Аналитической машиной, выполнены за мой счёт. Я провёл целый ряд экспериментов и дошёл до черты, за которой моих возможностей не хватает. В связи с этим я вынужден отказаться от дальнейшей работы». Несмотря на то, что Бэббидж подробно описал конструкцию аналитической машины и принципы её работы, она так и не была построена при его жизни. Причин этому было много. Но основными стали полное отсутствие финансирования проекта по созданию аналитической машины и низкий уровень технологий того времени. Бэббидж не стал в этот раз просить помощи у правительства, так как понимал, что после неудачи с разностной машиной ему всё равно откажут.

Только после смерти Чарльза Бэббиджа его сын, Генри Бэббидж, продолжил начатое отцом дело. В 1888 году Генри сумел построить по чертежам отца центральный узел аналитической машины. А в 1906 году Генри совместно с фирмой Монро построил действующую модель аналитической машины, включающую арифметическое устройство и устройство для печатания результатов. Машина Бэббиджа оказалась работоспособной, но Чарльз не дожил до этих дней.

В 1864 году Чарльз Бэббидж написал: «Пройдёт, вероятно, полстолетия, прежде чем люди убедятся, что без тех средств, которые я оставляю после себя, нельзя будет обойтись». В своём предположении он ошибся на 30 лет. Только через 80 лет после этого высказывания была построена машина МАРК-I, которую назвали «осуществлённой мечтой Бэббиджа». Архитектура МАРК-I была очень схожа с архитектурой аналитической машины. Говард Айкен на самом деле серьёзно изучал публикации Бэббиджа и Ады Лавлейс перед созданием своей машины, причём его машина идеологически незначительно ушла вперёд по сравнению с недостроенной аналитической машиной. Производительность МАРК-I оказалась всего в десять раз выше, чем расчётная скорость работы аналитической машины.

Прочие заслуги Чарльза Бэббиджа

Несмотря на то, что Чарльз Бэббидж считается изобретателем вычислительных машин, на самом деле он был очень разносторонний человек. Бэббидж занимался безопасностью железнодорожного движения, для чего оборудовал вагон-лабораторию всевозможными датчиками, показания которых фиксировались самописцами. Изобрёл спидометр. Участвовал в изобретении тахометра. Создал приспособление, сбрасывающее случайные предметы с путей перед локомотивом.

В ходе работ над созданием вычислительных машин, сделал большой прогресс в металлообработке. Сконструировал поперечно-строгальный и токарно-револьверный станки, придумал методы изготовления зубчатых колес. Предложил новый метод заточки инструментов и литья под давлением.

Он содействовал реформированию почтовой системы в Англии. Составил первые надёжные страховые таблицы. Занимался теорией функционального анализа, экспериментальными исследованиями электромагнетизма, вопросами шифрования, оптикой, геологией, религиозно-философскими вопросами.

В 1834 году Бэббидж написал одну из самых важных работ «Экономика технологий и производств», в которой он предлагал то, что сейчас называется «Исследованием операций».

Он был одним из основателей Лондонского статистического общества. В числе его изобретений были спидометр, офтальмоскоп, сейсмограф, устройство для наведения артиллерийского орудия.

Кроме того, Бэббидж был очень общительным человеком. Часто по субботам он собирал в доме гостей. Иногда приходило от 200 до 300 гостей, среди которых были такие знаменитые люди того времени: Жан Фуко, Пьер Лаплас, Чарльз Дарвин, Чарльз Диккенс, Александр Гумбольдт. Помимо этого он поддерживал близкие отношения с Юнгом, Фурье, Пуассоном, Бесселем, Мальтусом.

Бэббидж оставил огромный след в истории XIX века. И сделал переворот не только в математике и вычислительной технике, но и в науке в целом.