ИСТОРИЯ ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ ЭВМЛекция 9:Развитие вычислительных средств. Биография и достижения Чарльза Бэббиджа

План лекции
История вычислительных механизмов
Биография Чарльза Бэббиджа
Разностная машина
Аналитическая машина
Биография Ады Лавлайс

Исторический фон

Древнеримский абак
Абак (1)
Костяшки на прутьях для вычислений
Используется в Азии!

Русские счеты
Китайские счеты - «суаньпань»
Абак (2)

Джон Непер
(Napier, John;
1550-1617)
Титульный лист книги Непера «Описание удивительных таблиц логарифмов», 1614 г.
Логарифмическая линейка (1)

Логарифмическая линейка (2)
Логарифмическая Линейка 1630
Основана на правилах логарифмирования Нэпера
Использовалась до 1970
Логарифмическая Линейка

log (a*b) = log a + log b
Логарифмическая
линейка
Логарифмическая линейка (3)

Логарифмические Линейки

Цилиндрическая Логарифмическая Линейка

Спиральная Логарифмическая Линейка

Вильям Шиккард (1592-1635)
Первая работающая машина для сложения

Блез Паскаль (1623-1662)

Машина Паскаля (1623-1662)
Множество зубчатых колёс
Вычитание в дополнительном коде

Паскалина (1642 г.) Вид спереди
Машина Паскаля (1623-1662)

Паскалина. Вид сзади
Машина Паскаля (1623-1662)

Паскалина. Механизм передачи десятков
Машина Паскаля (1623-1662)

Готфрид Лейбниц (1646 – 1716)

Готфрид Лейбниц (1646 – 1716)
Механический калькулятор, выполняющий арифмитические действия

1526
* 312
=====
1526
+ 1526
+ 1526 <-
+ 1526 <-
+ 1526
+ 1526 =======
= 476112
1526
* 312
=====
1526
+ 1526
-----
= 3052
----- -> сдвиг каретки 3052 + 1526
------
= 18312
------ -> сдвиг каретки 18312
+ 1526
+ 1526
+ 1526
=======
= 476112
Для умножения чисел используется способ многократного сложения.
Слева - на бумаге и Паскалине,
справа - на арифмометре
Готфрид Лейбниц (1646 – 1716)

Для механизации операции умножения Лейбниц ввел в конструкцию вычислительной машины:
механизм многократного ввода слагаемого (ступенчатый валик Лейбница);
размещение механизма ввода на подвижной каретке
Машина Лейбница

Ступенчатый валик Лейбница

Арифмометр Лейбница (1673 г., реконструкция). Механизм ввода слагаемых размещен спереди на подвижной каретке, его ступенчатые валики вращаются правой рукояткой.
Суммирующий механизм расположен сзади, сдвиг каретки производится поворотом левой рукоятки
Реконструкция машины
Лейбница

Всего в течение XIX века было выпущено около 2000 томас-машин. Некоторые из них использовались вплоть до 30-х годов XX века.
Промышленное производство арифмометров с валиком Лейбница было налажено во Франции Карлом Томасом в 1821 г.
XIX Век

Ровно через 200 лет после изобретения ступенчатого валика, в 1873 г., петербургский изобретатель В. Т. Однер (1845-1905) предложил более простое и удобное устройство для ввода слагаемых – колесо Однера с переменным числом зубцов
XIX Век

Арифмометр
начала XX века
Арифмометр Однера
выпуска 1876 г.
Арифмометры Однера

После эмиграции Однера в Швецию в 1917 г. арифмометры его конструкции выпускались на заводе им. Дзержинского
под маркой «Феликс».
В 1969 г. их было произведено 300 000 шт.
“Железный” Феликс

Усовершенствование механического арифмометра продолжалось вплоть до 70-х годов XX века.
Были разработаны многочисленные конструкции с ручным и электрическим приводом
“Железный” Феликс

Электронные калькуляторы по своим функциональным возможностям соответствовали механическим, но работали быстрее и бесшумно. Одна из первых моделей электронного калькулятора фирмы Burroughs (1970-е годы)
От арифмометров к калькуляторам

Ткацкий Станок Жакарда
(1801)
Впервые сохраняется программа – металлические карты
Первый промышленный компьютер
Работает до сих пор!

Станок управлялся связанными в цепочку картонными перфокартами
Ткацкий Станок Жакарда
(1801)

Чарльз Бэббидж
(1791-1871)

Чарльз Бэббидж
Декабрь 26, 1791
Сын Бенджамина Бэббиджа (Лондонского банкира)
Поступил в Trinity College, Cambridge
Учился с Джоном Гершелем и Джорджем Пикоком.

Чарльз Бэббидж
В 1813 перешёл в колледж Св. Петра
1814 – бакалавр
1814 – женился на Джорджии Витмур
1816 – становится членом Королевского Общества Лондона
1817 - магистр
1819 – профессор Эдинбургского университета

Чарльз Бэббидж
В 1820 становится членом Королевского Астрономического Общества
1827 – умерли отец, жена и 2 детей
1827 – стал профессором математических наук в Кембридже
1832 – избран иностранным членом-корреспондентом Петербургской академии наук
В 1839 году уволился оттуда и до конца жизни занимался разработкой вычислительных машин

Основные результаты
Создал вагон-лабораторию безопасности движения
Придумал спидометр и тахометр
Сконструировал поперечно-строгальный и токарно-револьверный станки
Придумал методы изготовления зубчатых колес
Предложил новый метод заточки инструментов и литья под давлением
Содействовал реформированию почтовой системы в Англии
Составил первые надежные страховые таблицы
«Сравнительный обзор различных систем страхования жизни»

Основные результаты (2)
Занимался теорией функционального анализа
Вопросы шифрования
Грамматика и словарь мирового языка
«Таблица констант для млекопитающих»
Структурная лингвистика
Проверка формул для простых чисел
Придумал офтальмоскоп, сейсмограф, устройство для наведения артиллерийского орудия
Занимался экспериментальными исследованиями электромагнетизма
Проверка гипотез
Геология и геофизика

Основные результаты (3)
Участвовал в экспедиции на Везувий, погружался на дно озеро в водолазном колоколе, участвовал в археологических раскопках, изучал залегание руд, спускаясь в шахты
Книга «Экономика технологий и производств» 1834
Сглаживание противоречий между наукой и религией (“Девятый бриджуотерский трактат” 1837)
Статья “О принципах построения орудий для токарной обработки и строгания металлов”
Книга “Отрывки из жизни философа” 1864
Разностная машина
Аналитическая машина

Чарльз Бэббидж - 1792-1871
Разностная Машина 1822
Огромный калькулятор
Аналитическая Машина 1833
Могла сохранять числа
Вычислитель “мельница” испольозовал металлические перфокарты для ввода
Была паровой машиной!
Точность до 6го знака после запятой
Аналитическая Машина

Разностная Машина

Разностная Машина

Принцип работы разностной машины (1)
Метод конечных разностей
Возьмём дифференциальное уравнение
Заменим производную на конечную разность
Получаем аппроксимированную форму

Принцип работы разностной машины (2)
2x^2 – 3x + 2

Принцип работы разностной машины (2)
2x^2 – 3x + 2

Принцип работы разностной машины (2)
2x^2 – 3x + 2

Вехи создания (1)
1812 – первые идеи под влиянием идей барона Прони о 3 уровневых вычислениях
1819 – начало работ над малой разностной машиной
1822 – окончание её строительства
18 разрядов
Точность 8 знаков после запятой
Значения многочленов 7ой степени
12 членов последовательности в минуту

Большая
разностная машина
На 1827 было потрачено 3500, но не достроена
В 1830 возобновлено её создание
К 1834 было потрачено 17000 + 6000 фунтов, но проект не был завершён
1854 – швед Шойц строит машину
1991 – воссоздание Разностной машины

Большая
разностная машина
25000 деталей
14 тонн
2,5 метра высотой
Печатное устройство вывода
Память 6Кб (1000 50разрядных чисел)

Разностная Машина

Разностная Машина

Разностная Машина

Воссоздание 1991

Разностная машина

Архитектура аналитической машины Бэббиджа

Архитектура аналитической машины Бэббиджа

Вехи создания
1834 – начало работы
1851 – окончание работ, машина НЕ была создана
1888 - Генри Бэббидж построил “процессор”
1906 – Г.Бэббидж построил действующую модель аналитической машины
Были подсчитаны произведения числа "пи" на числа натурального ряда от одного до 32 с точностью до 29 знаков!

Аналитическая Машина

Аналитическая Машина

Аналитическая Машина

Ада Августа Лавлайс
(1815-1852)

Ада Августа Лавлайс
(1815-1852)
Первая программистка
Написала программу для аналитической машины вычисление уравнения Бернулли
Придумала понятия цикла, рабочей ячейки
Наметила подпрограммы и библиотека подпрограмм, модификации команд и индексный регистр

Бэббидж
(интересные факты)
Теннисон
Каждое мгновение умирает человек,
Но каждую минуту человек рождается
Ответ Теннисону
Каждое мгновение умирает человек,
Но 1,16 человека рождается...
“Беспроигрышная” система ставок на скачках
Автомат для игры в крестики-нолики
Роман в 3 книгах
Стимпанк (Брюс Стерлинг, Уильям Гибсон “Машина Различий” 1990 (2001), Майкл Флинн “В стране слепых” 1990)