Чарльз бэббидж биография. Разностная машина чарльза бэббиджа

Чарльз Бэббидж - английский математик и изобретатель, который спроектировал первый автоматический цифровой компьютер. Кроме того, он помог создать современную английскую почтовую систему и составил первые надежные актуарные таблицы, изобрел разновидность спидометра и железнодорожный путеочиститель.

Биография Чарльза Бэббиджа

Родился в Лондоне 26 декабря 1791 года в семье партнера банка Praeds Бенджамина Бэббиджа, владельца Биттон-эстейт в Тинмуте, и Бетси Пламли Тип. В 1808 году семья решила переехать в старый Роуден-хаус, расположенный в Ист-Тинмуте, и отец стал старостой соседней церкви Святого Михаила.

Отец Чарльза был богатым человеком, поэтому он мог учиться в нескольких элитных школах. В 8 лет ему пришлось перейти в сельскую школу, чтобы оправиться от опасной болезни. Его родители решили, что мозг ребенка «не стоило слишком напрягать». По словам Бэббиджа, «это великое безделье, возможно, привело к некоторым из его детских рассуждений».

Затем он поступил в гимназию короля в Тотнесе, Саут-Девон, процветающую общеобразовательную школу, которая действует и по сей день, но состояние здоровья вынудило Чарльза на время обратиться к частным преподавателям. Наконец он попал в закрытую академию на 30 учеников, которой руководил преподобный Стивен Фриман. Учреждение располагало обширной библиотекой, которую Бэббидж использовал для самостоятельного изучения математики и научился любить ее. После ухода из академии у него было еще два личных наставника. Один из них был клириком Кембриджа, о преподавании которого Чарльз отозвался следующим образом: «Боюсь, что я не извлек всех преимуществ, которые мог бы получить». Другой был преподавателем Оксфорда. Он обучал Чарльза Бэббиджа классике, чтобы тот мог быть принят в Кембридж.

Учеба в университете

В октябре 1810 года Бэббидж прибыл в Кембридж и поступил в Тринити-колледж. Он имел блестящее образование - знал Лагранжа, Лейбница, Лакруа, Симпсона и был серьезно разочарован доступными математическими программами. Поэтому он вместе с Джоном Гершелем, Джорджем Пикоком и другими друзьями решил сформировать Аналитической общество.

Когда в 1812 году Бэббидж перевелся в кембриджский Петерхаус, он был лучшим математиком; но он не окончил его с отличием. Почетную степень он получил позже, даже не сдавая экзаменов, в 1814 году.

В 1814-м Чарльз Бэббидж женился на Джорджиане Уитмор. Его отец по каким-то причинам так никогда и не благословил его. Семья жила в спокойствии в Лондоне, на Девоншир-стрит, 5. Только трое из их восьмерых детей дожили до взрослого возраста.

Отец Чарльза, его жена и один из его сыновей трагически погибли в 1827 году.

Проект компьютера

Во времена Чарльза Бэббиджа при расчете математических таблиц часто допускались ошибки, поэтому он решил найти новый метод, который бы делал это механически, устраняя фактор человеческой ошибки. Эта идея зародилась у него его очень рано, еще в 1812 году.

Три различных фактора повлияли на принятие им такого решения:

он не любил неаккуратность и неточность;
ему легко давались логарифмические таблицы;
его вдохновили существующие работы по У. Шикарда, Б. Паскаля и Г. Лейбница.

Основные принципы расчета устройства он обсудил в письме сэру Х. Дэви в начале 1822 года.

Разностная машина

Бэббидж представил то, что он назвал «разностной машиной», Королевскому астрономическому обществу 14 июня 1822 года в работе, озаглавленной «Замечания о применении машинного вычисления астрономических и математических таблиц». Он мог вычислять многочлены с помощью численного метода, называемого разностным.

Общество одобрило идею, и в 1823 году правительство предоставило ему 1500 фунтов на ее постройку. Бэббидж сделал в одной из комнат своего дома мастерскую и нанял Джозефа Клемента надзирать за постройкой устройства. Каждую часть нужно было делать вручную с помощью специальных инструментов, многие из которых разработал он сам. Чарльз совершил множество поездок по промышленным предприятиям, чтобы лучше понять производственные процессы. На основании этих путешествий и своего личного опыта создания машины в 1832 году Бэббидж опубликовал работу «Об экономике машин и производства». Это была первая публикация о том, что сегодня называется "научная организация производства".

Личная трагедия и путешествие по Европе

Смерть жены Джорджианы, отца Чарльза Бэббиджа и его малолетнего сына прервали строительство в 1827 году. Работа сильно обременяла его, и он был на грани срыва. Джон Гершель и несколько других друзей убедили Бэббиджа совершить поездку в Европу, чтобы восстановить силы. Он проехал через Нидерланды, Бельгию, Германию, Италию, посещая университеты и производства.

В Италии он узнал, что его назначили Лукасовским профессором математики Кембриджского университета. Первоначально он хотел отказаться, но друзья убедили его в обратном. По возвращении в Англию в 1828 году он переехал на Дорсет-стрит, 1.

Возобновление работы

Во время отсутствия Бэббиджа проект разностной машины попал под огонь критики. Распространились слухи, что он впустую потратил деньги правительства, что машина не работает и что она не имела бы никакого практического значения, если бы была сделана. Джон Гершель и Королевское общество публично защищали проект. Правительство продолжило свою поддержку, предоставив 1500 фунтов 29 апреля 1829 года, 3000 фунтов 3 декабря и столько же 24 февраля 1830 года. Работа была продолжена, но Бэббидж постоянно испытывал затруднения с получением денег из казны.

Отказ от проекта

Финансовые проблемы Чарльза Бэббиджа совпали с обострением разногласий с Клементом. Бэббидж за своим домом построил двухэтажную, 15-метровой длины мастерскую. У нее была стеклянная крыша для освещения, а также несгораемая чистая комната для хранения машины. Клемент отказался переезжать в новую мастерскую и потребовал денег на переезды по городу для наблюдения за работой. В ответ Бэббидж предложил ему получать плату непосредственно из казны. Клемент отказался и прекратил работу над проектом.

Более того, отказался передать чертежи и инструменты, используемые для создания разностной машины. После инвестирования 23 000 фунтов, в том числе 6000 фунтов собственных средств Бэббиджа, работа над незавершенным устройством прекратилась в 1834 г. В 1842 году правительство официально отказалось от этого проекта.

Чарльз Бэббидж и его аналитическая машина

В удалении от разностной машины изобретатель начал думать об ее улучшенном варианте. Между 1833 и 1842 годами Чарльз пытался построить устройство, которое можно бы было запрограммировать на производство любых вычислений, а не только относящихся к полиномиальным уравнениям. Первый прорыв произошел, когда он перенаправил вывод аппарата на его вход для решения дальнейших уравнений. Он описал это как машину, которая «ест свой собственный хвост». Ему не понадобилось много времени на определение основных элементов аналитического двигателя.

Чарльза Бэббиджа для ввода данных и указания порядка необходимых вычислений использовала перфокарты, заимствованные у жаккардового Устройство состояло из двух частей: мельницы и хранилища. Мельница, соответствующая процессору современного компьютера, выполняла операции над данными, полученными из хранилища, которое можно считать памятью. Это был первый в мире компьютер общего назначения.

Компьютер Чарльза Бэббиджа был спроектирован в 1835 году. Масштаб работы был поистине невероятным. Бэббидж и несколько помощников создали 500 крупных проектных чертежей, 1000 листов механических обозначений и 7000 листов описаний. Завершенная мельница была 4,6 м в высоту и 1,8 м в диаметре. Хранилище на 100 цифр простиралось на 7,6 м. Для своей новой машины Бэббидж построил лишь небольшие тестовые части. Полностью аппарат так и не был завершен. В 1842 году, после неоднократных неудачных попыток получить правительственное финансирование, он обратился к сэру Роберту Пилю. Тот отказал и вместо этого предложил ему рыцарское звание. Бэббидж отказался. Он продолжал изменять и совершенствовать конструкцию в течение многих последующих лет.

Графиня Лавлейс

В октябре 1842 года Федерико Луиджи, итальянский генерал и математик, опубликовал статью об аналитической машине. Августа Ада Кинг, графиня Лавлейс, давний друг Бэббиджа, перевела работу на английский язык. Чарльз предложил ей снабдить перевод примечаниями. Между 1842 и 1843 годами пара совместно написала 7 заметок, суммарная длина которых в три раза превысила фактический размер статей. В одной из них Ада подготовила таблицу выполнения программы, которую Бэббидж создал для вычисления чисел Бернулли. В другой она писала об обобщенной алгебраической машине, которая может выполнять операции с символами так же, как с цифрами. Лавлейс была, пожалуй, первой, кто понял более общие цели устройства Бэббиджа, а некоторые считают ее первым в мире компьютерным программистом. Она начала работать над книгой, описывающей аналитическую машину более детально, но не успела ее закончить.

Чудо машиностроения

В период между октябрем 1846-го по март 1849-го Бэббидж приступил к проектированию второй разностной машины, используя знания, полученные им при создании аналитической. В ней использовалось лишь 8000 частей, в три раза меньше, чем в первой. Это было чудо машиностроения.

В отличие от аналитической, которую он постоянно отлаживал и модифицировал, вторая разностная машина Чарльза Бэббиджа после завершения первоначального этапа разработки изменениям не подвергалась. В дальнейшем изобретатель не предпринимал никаких попыток построить устройство.

24 чертежа оставались в архивах музея науки, пока идеи Чарльза Бэббиджа не были реализованы в 1985-1991 годах созданием полноразмерной реплики по случаю 200-й годовщины со дня его рождения. Размеры устройства составили 3,4 м в длину, 2,1 м в высоту и 46 см в глубину, а его вес - 2,6 тонны. Пределы точности были ограничены значениями, которых можно было достичь в то время.

Достижения

В 1824 году Бэббидж получил Золотую медаль Королевского астрономического общества «за его изобретение машины для вычисления математических и астрономических таблиц».

С 1828 по 1839 г. Бэббидж был Лукасовским профессором математики в Кембридже. Он много писал для ряда научных периодических изданий, а также сыграл важную роль в создании Астрономического общества в 1820 году и Статистического общества в 1834 году.

В 1837 году, отвечая на 8 официальных Бриджуотерских трактатов «О силе, мудрости и благости Бога, проявляющегося в творении», он опубликовал девятый Бриджуотерский трактат, выдвинув тезис о том, что Бог, обладая всемогуществом и дальновидностью, создал божественного законодателя, производящего законы (или программы), которые затем в соответствующие моменты времени создавали виды, тем самым устраняя необходимость совершать чудеса каждый раз, когда требовалось сотворить новый вид. Книга содержит отрывки из переписки автора с Джоном Гершелем на эту тему.

Чарльз Бэббидж также добился заметных результатов в криптографии. Он сломал шифр с автоключом, а также значительно более слабый шифр, который сегодня носит название Открытие Бэббиджа была использовано английскими военными и было опубликовано лишь через несколько лет. В результате право первенства перешло к Фридриху Касиски, который пришел к тому же результату на несколько лет позже.

В 1838 г. Бэббидж изобрел путеочиститель, металлический каркас, прикрепляемый к передней части локомотивов, очищающий пути от преград. Он также провел ряд исследований Большой западной железной дороги Изамбарда Кингдома Брюнеля.

Он лишь однажды попытался заняться политикой, когда в 1832 году участвовал в выборах в местечке Финсбери. По результатам голосования Бэббидж занял последнее место.

Части созданных им незавершенных механизмов вычислительных устройств доступны для посещения в музее науки в Лондоне. В 1991 году была построена разностная машина Чарльза Бэббиджа на основании его первоначальных планов, и она функционировала отлично.

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.

История знает немало людей, которые родились явно раньше, чем следовало. И, соответственно, опередили своё время. В смысле, вышли за пределы уровня научно-технического развития своей эпохи. В девятнадцатом веке одним из таких талантов был Чарльз Бэббидж, английский учёный, математик, изобретатель... компьютера. Да, именно вычислительной машины , пусть и механической.

Как всё начиналось

Чарльз Бэббидж (Charles Babbage) родился 26 декабря 1791-го года в Лондоне. Аккурат в то время, когда человечество едва созрело для покорения электричества и начало конструировать первые источники тока.

Сын успешного банкира, Чарльз учился сначала в частной школе, а затем в Энфилдской академии и в Кэмбридже. Об автоматизации вычислений юноша задумался ещё в 1812-м. Однако строить механизм взялся лишь через семь лет, предварительно изучив счётное устройство Блеза Паскаля («Паскалину») и механический калькулятор Готфрида Лейбница.

Три года упорного труда - и в 1822-м изумлённое Королевское Астрономическое сообщество слушает доклад молодого конструктора о новом аппарате, получившем название «разностный механизм» (Difference Engine).

Почему такое странное наименование? На самом деле в нём нет ничего странного, ведь использовался так называемый метод конечных разностей.

В общем, валики с шестерёнками пришли в движение, немножко покрутились - через несколько минут был готов результат. И астрономы, и математики возрадовались: больше не нужно тратить долгие часы на расчёты, корпеть над бумажками в свете свечей и потом искать ошибки, допущенные из-за усталости.

Большая разностная машина

«Ух ты!» - дружно воскликнуло вышеупомянутое Королевское Астрономическое сообщество. - «Вот это да! Держите золотую медаль!» Чарльз Бэббидж ответил примерно так: «Хочу построить такую же штуковину, но большую. Эта - всего лишь малая. Но требуется финансирование...» Сообщество успокоило: «Деньги нужны? Дадим! Как же не дать, прогресс ведь!» И работа закипела.

Первый в мире механический компьютер планировался огромным, высотой с одноэтажный дом. Он должен был содержать 25 тысяч элементов и весить полтора десятка тонн. С оперативной памятью в тысячу ячеек вместимостью пятьдесят разрядов каждая.

Впрочем, строительство «большой разностной машины» затянулось на долгие годы. То здоровье подводило, то в личной жизни трагедии сыпались одна за одной. Ну а основная причина, конечно, заключалась в уровне технического развития той эпохи. В первой половине девятнадцатого века было не так уж легко изготовить тысячи деталей.

Видя такое дело, в 1842-м власть имущие махнули на проект рукой и прекратили финансирование.

Аналитическая машина

Мистер Бэббидж так просто не сдался и решил сделать другой компьютер - «аналитическую машину.» Причём, с архитектурой, похожей на принципиальные блок-схемы современных компьютеров. С оперативной памятью и кэшем (он назвал это store, «склад»), с процессором («мельницей», mill), контроллерами (control) и даже устройствами ввода-вывода . В общем, описал всё то, что через сто лет предоставил миру Фон Нейман, которому посчастливилось родиться вовремя.

Первые в истории человечества компьютерные программы создала дочь поэта Джорджа Байрона, Ада Августа Лавлейс, с которой сдружился мистер Бэббидж. Это были инструкции по осуществлению вычислений на аналитической машине. Она же ввела понятие «цикл».

Однако в 1851-м у мистера Бэббиджа банально закончились деньги. Работу завершил его сын, Генри Бэббидж, и то лишь в 1906-м, когда был запущен действующий экземпляр. Сам изобретатель до этого счастливого дня не дожил, умер 18 октября 1871-го года.

Другие изобретения

В общем-то, как бы ни складывались обстоятельства, одарённость всегда приносит хоть какие-нибудь плоды, даже если главную мечту всей жизни увидеть своими глазами не удаётся. Неполный, но довольно наглядный список полезных вещей, созданных Чарльзом Бэббиджем, можно оформить примерно так:

«малая разностная машина», механический калькулятор , предшественник арифмометров;
спидометр (изобрёл, когда работал над повышением безопасности железнодорожного транспорта);
поперечно-строгальный станок;
револьверный токарный станок;
сейсмограф;
офтальмоскоп для использования врачами-окулистами.

Последователи

В 1854-м швед Георг Шутц (Georg Scheutz) доработал калькулятор Бэббиджа и тоже получил золотую медаль за свою модификацию. Но не в Англии, а на выставке в Париже. И, по иронии судьбы, в 1859-м продал один экземпляр английским чиновникам из канцелярии правительства, отказавшимся помогать соотечественнику.

Другой швед, Мартин Виберг (Martin Wiberg), посмотрел на вариант Шутца и продолжил модернизацию в сторону более удобной работы с логарифмами.

Ну а там уже и до электромеханических вариантов было недалеко. Таковой создал в 1890-м американец Герман Холлерит. Его шкафы с железками внутри, умеющие считать, назывались табуляторами. Тогда же возникла идея применения перфокарты. Так зародилась фирма IBM.

Заключение

Можно ли считать Чарльза Бэббиджа изобретателем компьютера? Да, можно. Причём, даже по самым дотошным современным меркам. Во-первых, в 1822-м учёный предъявил действующий прототип. Во-вторых, самостоятельно разработал проект более мощного вычислительного устройства , которое по его чертежам было построено в начале двадцатого века.

Польза от других изобретений, «побочных мелочей» вроде станков и приборов, пожалуй, никаких сомнений не вызывает. Ну а воссозданную в 1991-м изначальную «разностную машину» выставили в лондонском Музее науки, чтобы каждый желающий мог увидеть материальное свидетельство одарённости по-настоящему талантливого человека.

Предыдущие публикации:

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

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.

Одно время его считали гением, потом чуть не посадили в долговую яму.
Да и вправду потраченные суммы были фантастичны для начала 19 века.
А обещанная машина так и не заработала. А он мечтал уже о следующей.
Попутно он изобрел тахометр. 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 он разработал немало оборудования для обработки металла.

Чарльз Бэббидж родился 26 декабря 1791 года в Лондоне. Его отец, Бенджамин Бэббидж, был банкиром. Мать звали Элизабет Бэббидж. Ее девичья фамилия Тип (Teape). В детстве у Чарльза было очень слабое здоровья. 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 вцелом 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 еще 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 переведенный 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 перешел в колледж Св. Петра (Peterhouse). А в 1814 году он получил степень бакалавра. В том же году Чарльз Бэббидж женился на Джорджии 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 течении 12 лет. После того, как он покинул этот пост, он большую часть своего времени посвятил делу его жизни - разработке вычислительных машин.

Часть разностной машины Чарльза Бэббиджа, собранная после смерти учёного его сыном из деталей, найденных в лаборатории отца.

Малая разностная машина

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-ой 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.

Работающая копия разностной машины в лондонском Музее науки

В 1823 году правительство Великобритании предоставило ему субсидию в размере 1500 фунтов стерлингов (общая сумма правительственных субсидий, полученных Бэббиджем на реализацию проекта, составила в конечном счёте 17 000 фунтов стерлингов).

Разрабатывая машину, Бэббидж и не представлял всех трудностей, связанных с её реализацией, и не только не уложился в обещанные три года, но и спустя девять лет вынужден был приостановить свою работу. Однако часть машины все же начала функционировать и производила вычисления даже с большей точностью, чем ожидалось.

Конструкция разностной машины основывалась на использовании десятичной системы счисления. Механизм приводился в действие специальными рукоятками. Когда финансирование создания разностной машины прекратилось, Бэббидж занялся проектированием гораздо более общей аналитической машины , но затем всё-таки вернулся к первоначальной разработке. Улучшенный проект, над которым он работал между 1847 и 1849 годами, носил название «Разностная машина № 2» (англ. Difference Engine No. 2 ).

Основываясь на работах и советах Бэббиджа, шведский издатель, изобретатель и переводчик Георг Шутц (швед. Georg Scheutz ) начиная с 1854 года сумел построить несколько разностных машин и даже сумел продать одну из них канцелярии английского правительства в 1859 году. В 1855 году разностная машина Шутца получила золотую медаль Всемирной выставки в Париже. Спустя некоторое время другой изобретатель, Мартин Виберг (швед. Martin Wiberg ), улучшил конструкцию машины Шутца и использовал её для расчёта и публикации печатных логарифмических таблиц.

Разностный калькулятор Шутца

Аналитическая машина Бэббиджа:

Несмотря на то что разностная машина не была построена её изобретателем, для будущего развития вычислительной техники главным явилось другое: в ходе работы у Бэббиджа возникла идея создания универсальной вычислительной машины, которую он назвал аналитической и которая стала 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.

В целом Беббиджа подвела недостаточная точность металлообработки того времени и конечно недостаток финансирования

В дальнейшем на протяжении почти столетия ничего похожего на Аналитическую машину не появилось, однако идея использования перфокарт для обработки данных была опробирована довольно скоро. Спустя 20 лет после смерти Бэббиджа американский изобретатель Герман Холлерит создал электромеханическую счетную машину - табулятор, в которой перфокарты использовались для обработки результатов переписи населения, проводившейся в США в 1890 г.

Принтер! для машины Бэббиджа:

Последние годы жизни Бэббидж посвятил философии и политической экономии.
Чарльз Бэббидж умер в возрасте 79 лет 18 октября 1871 года.

Машина различий Бэббиджа:

PS.

Многое из того, что известно об этой машине, дошло до нас благодаря научным трудам одаренного математика-любителя Огасты Ады Байрон (графини Лавлейс), дочери поэта лорда Байрона. В 1843 г. она перевела статью об Аналитической машине, написанную одним итальянским математиком, снабдив ее собственными подробными комментариями, которые касались потенциальных возможностей машины.

Аду Лавлейс, одну из немногих современников Чарлза Бэббиджа, кто сумел оценить Аналитическую машину, иногда называют первым в мире про граммистом. Она разработала теоретически некоторые приемы управления последовательностью вычислений, которые используются в программировании и по сей день. Например, она описала команды, обеспечивающие повторение определенной последовательности шагов до тех пор, пока не выполнено заданное условие. Теперь такая конструкция называется циклом.

В честь Ады Лавлейс назван один из языков программирования...

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 конструкционных неточностей, обе конструкции заработали безупречно. Эти эксперименты подвели черту под долгими дебатами о принципиальной работоспособности конструкций Чарльза Бэббиджа (некоторые исследователи полагают, что Бэббидж умышленно вносил неточности в свои чертежи, пытаясь таким образом защитить свои творения от несанкционированного копирования).

Источники:

1. Биография Чарльза Бэббиджа
2. Чарльз Бэббидж — изобретатель и… политэконом
3. Нас переехали колеса Бэббиджа
4. http://www.sciencemuseum.org.uk/onlinestuff/stories/babbage.aspx