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“差分机”是久经考验的英国数学家,哲学家,发明家以及机械学家Charles Babbage的作品,是一款机械式计算器,造于1822年。后来他又开始制造另一台机械式分析机,不过1871年Charles Babbage逝世,而机械式分析机也因此胎死腹中。

1819年,英国科学家巴贝奇设计“差分机”,并于1822年制造出可动模型,采用蒸汽动力。这台机器能提高乘法速度和改进对数表等数字表的精确度。1991年,为纪念巴贝奇诞辰200周年,伦敦科学博物馆复原了完整的差分机,它包含4000多个零件,重2.5吨。

差不多在同一时代,英国数学家拜比吉设计“分析机”。这是一种顺应计算机自动化半自动化的程序控制潮流的通用数字计算机。拜比吉企图用纯机械结构来实现他的思想,但最终以失败而告终。他的计算机设计思想超越了时代,一百年后才在电子学发达的二十世纪大放异彩,为现代电子计算机的发展提供了宝贵经验。

目录

“差分机”的故事编辑本段回目录

 1819年,英国科学家巴贝奇设计“差分机”,并于1822年制造出可动模型。 这台机器能提高乘法速度和改进对数表等数字表的精确度。1991年,为纪念巴贝奇诞辰200周年,伦敦科学博物馆制作了完整差分机,它包含4000多个零件,重2.5吨.
  英国人查尔斯.巴贝奇研制出差分机和分析机为现代计算机设计思想的发展奠定基础。
  巴贝奇(C.Babbage)的照片:宽阔的额,狭长的嘴,锐利的目光显得有些愤世嫉俗,坚定的但绝非缺乏幽默的外貌,给人以一个极富深邃思想的学者形象。

File:Difference engine.JPG
  巴贝奇的第一个贡献是制作了一台"差分机"。所谓"差分"的含义,是把函数表的复杂算式转化为差分运算,用简单的加法代替平方运算。1812年,20岁的巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花编织机上获得了灵感,差分机设计闪烁出了程序控制的灵光──它能够按照设计者的旨意,自动处理不同函数的计算过程。巴贝奇耗费了整整十年光阴,于1822年完成了第一台差分机,它可以处理3个不同的5位数,计算精度达到6位小数,当即就演算出好几种函数表。由于当时工业技术水平极低,第一台差分机从设计绘图到机械零件加工,都是巴贝奇亲自动手完成。成功的喜悦激励着巴贝奇,他连夜奋笔上书皇家学会,要求政府资助他建造第二台运算精度为20位的大型差分机。然而,第二台差分机在机械制造过程中,因为主要零件的误差达不到每英寸千分之一的高精确度,以失败告终,但他把全部设计图纸和已完成的部分零件送进伦敦皇家学院博物馆供人观赏。
  1834年,巴贝奇就已经提出了一项新的更大胆的设计。他最后冲刺的目标,不是仅仅能够制表的差分机,而是一种通用的数学计算机。巴贝奇把这种新的设计叫分析机,它能够自动解算有100个变量的复杂算题,每个数可达25位,速度可达每秒钟运算一次。

steampunk_Babbage (2)


  "这台机器不论在可能完成的计算范围、简便程度以及可靠性与精确度方面,或者是计算时完全不用人参与这方面,都超过了以前的机器。"巴贝奇把分析机设计得那样精巧,他打算用蒸汽机为动力,驱动大量的齿轮机构运转。 巴贝奇的分析机大体上有三大部分:其一是齿轮式的"存贮库",巴贝奇称它为"仓库"(Store),每个齿轮可贮存10个数,齿轮组成的阵列总共能够储存1000个50位数。分析机的第二个部件是所谓"运算室",它被巴贝奇命名为"作坊"(Mill),其基本原理与帕斯卡的转轮相似,用齿轮间的啮合、旋转、平移等方式进行数字运算。为了加快运算速度,他改进了进位装置,使得50位数加50位数的运算可完成于一次转轮之中。第三部分巴贝奇没有为它具体命名,其功能是以杰卡德穿孔卡中的"0"和"1"来控制运算操作的顺序,类似于电脑里的控制器。他甚至还考虑到如何使这台机器处理依条件转移的动作,比如,第一步运算结果若是"1",就接着做乘法,若是"0"就进行除法运算。此外,巴贝奇也构思了送入和取出数据的机构,以及在"仓库"和"作坊"之间不断往返运输数据的部件。
  但分析机终于没能造出来,巴贝奇和阿达失败了。巴贝奇和阿达的失败是因为他们看得太远,分析机的设想超出了他们所处时代至少一个世纪!社会发展的需求和科学技术发展的可能,使得他们注定要成为的悲剧人物。尽管如此,巴贝奇和阿达为电脑科学留下了一份极其珍贵的精神遗产,包括30种不同设计方案,近2000张组装图和50000张零件图……,更包括那种在逆境中自强不息,为追求理想奋不顾身的拼搏精神。

差分机与分析机编辑本段回目录

人们普遍认为,计算机技术起迄于使用电子管制造的通用电子数字计算机ENIAC的诞生。ENIAC的长空出世,标志着我们今天正在经历着并且仍将继续的计算机革命系统的开始。

第一个把程序控制引入计算机的英国数学家C.巴贝奇(Charles Babbage,1791——1871)。巴贝奇生于英国的德文郡。
1810年10月,巴贝奇进入了剑桥三一学院,攻读数学和化学。当时对世界科学作过杰出贡献的牛顿被尊为偶像,他的数学思想尽管已经过时了,但在剑桥仍被设为主要课程。而此时,由莱布尼兹提出并由法国数学家改进的微积分已经在欧洲大陆流行。为此,巴贝奇和一些朋友建立了一个俱乐部,叫做分析学会,试图介绍与研究欧洲大陆的数学成就。

巴贝奇一生做出了很多成就,他涉及的研究领域包括数学、神学、天文学和政治学;他一生著述颇丰,发表书和论文共80多种。巴贝奇还是发明家,现在航海用的灯塔、邮政系统等就是他诸多的研究和发明的典型。然而,巴贝奇最重要成就自然在机械计算方面的工作。巴贝奇是完美主义者,他十分注重精确性,认为需要改进当时的机械计算器,因为这些原始、用手工操作的计算器速度既慢又易出错。他企图制造一台机器,既能计算又可以排列数表,同时避免手抄和印刷的错误。

1822年,巴贝奇设计一台可以运转的差分机模型来计算数表,特别是那些对航海至关重要的数表。他希望通过这种差分机,人们免去令人无法忍受的重复的数学计算,而把这些工作交于机器完成。但巴贝奇本人并没有成功地产生他所设计的差分机。瑞士的一名技术编辑申茨(G.Seheutz)在《爱丁堡评论》上读到了差分机的设想,便开始尝试制造巴贝奇的差分机,并最终在1840年和他的工程师制造出一台小机器,可以计算第一级差分。后来,他们把机器扩展到了三级差分,还增加了打印功能。1853年,他们制造出被称为“制表机”的机器,它可以计算到四级差分,加工五位数字,并能把结果打印出来。
大约在1843年,巴贝奇决定研制一台与差分机完全不同的新机器,它比差分机更容易制作,计算速度更快,而且具有通用性,可以进行数字或逻辑运算。两年时间,他便构思出它的主要特征。

巴贝奇的设计与现代计算机十分相似。分析机主要由三部分组成:
1.一个能够保存数据的“存储库(Store)”。存储库能储存1000个50位数。他为存储库画了几千张设计图,并且指定了各种新的制造工艺。
2. 人们普遍认为,计算机技术起迄于使用电子管制造的通用电子数字计算机ENIAC的诞生。ENIAC的长空出世,标志着我们今天正在经历着并且仍将继续的计算机革命系统的开始。
第一个把程序控制引入计算机的英国数学家C.巴贝奇(Charles Babbage,1791——1871)。巴贝奇生于英国的德文郡。

1810年10月,巴贝奇进入了剑桥三一学院,攻读数学和化学。当时对世界科学作过杰出贡献的牛顿被尊为偶像,他的数学思想尽管已经过时了,但在剑桥仍被设为主要课程。而此时,由莱布尼兹提出并由法国数学家改进的微积分已经在欧洲大陆流行。为此,巴贝奇和一些朋友建立了一个俱乐部,叫做分析学会,试图介绍与研究欧洲大陆的数学成就。

巴贝奇一生做出了很多成就,他涉及的研究领域包括数学、神学、天文学和政治学;他一生著述颇丰,发表书和论文共80多种。巴贝奇还是发明家,现在航海用的灯塔、邮政系统等就是他诸多的研究和发明的典型。然而,巴贝奇最重要成就自然在机械计算方面的工作。巴贝奇是完美主义者,他十分注重精确性,认为需要改进当时的机械计算器,因为这些原始、用手工操作的计算器速度既慢又易出错。他企图制造一台机器,既能计算又可以排列数表,同时避免手抄和印刷的错误。
人们普遍认为,计算机技术起迄于使用电子管制造的通用电子数字计算机ENIAC的诞生。ENIAC的长空出世,标志着我们今天正在经历着并且仍将继续的计算机革命系统的开始。

第一个把程序控制引入计算机的英国数学家C.巴贝奇(Charles Babbage,1791——1871)。巴贝奇生于英国的德文郡。
1810年10月,巴贝奇进入了剑桥三一学院,攻读数学和化学。当时对世界科学作过杰出贡献的牛顿被尊为偶像,他的数学思想尽管已经过时了,但在剑桥仍被设为主要课程。而此时,由莱布尼兹提出并由法国数学家改进的微积分已经在欧洲大陆流行。为此,巴贝奇和一些朋友建立了一个俱乐部,叫做分析学会,试图介绍与研究欧洲大陆的数学成就。

巴贝奇一生做出了很多成就,他涉及的研究领域包括数学、神学、天文学和政治学;他一生著述颇丰,发表书和论文共80多种。巴贝奇还是发明家,现在航海用的灯塔、邮政系统等就是他诸多的研究和发明的典型。然而,巴贝奇最重要成就自然在机械计算方面的工作。巴贝奇是完美主义者,他十分注重精确性,认为需要改进当时的机械计算器,因为这些原始、用手工操作的计算器速度既慢又易出错。他企图制造一台机器,既能计算又可以排列数表,同时避免手抄和印刷的错误。

1822年,巴贝奇设计一台可以运转的差分机模型来计算数表,特别是那些对航海至关重要的数表。他希望通过这种差分机,人们免去令人无法忍受的重复的数学计算,而把这些工作交于机器完成。但巴贝奇本人并没有成功地产生他所设计的差分机。瑞士的一名技术编辑申茨(G.Seheutz)在《爱丁堡评论》上读到了差分机的设想,便开始尝试制造巴贝奇的差分机,并最终在1840年和他的工程师制造出一台小机器,可以计算第一级差分。后来,他们把机器扩展到了三级差分,还增加了打印功能。1853年,他们制造出被称为“制表机”的机器,它可以计算到四级差分,加工五位数字,并能把结果打印出来。

大约在1843年,巴贝奇决定研制一台与差分机完全不同的新机器,它比差分机更容易制作,计算速度更快,而且具有通用性,可以进行数字或逻辑运算。两年时间,他便构思出它的主要特征。

巴贝奇的设计与现代计算机十分相似。分析机主要由三部分组成:
1.一个能够保存数据的“存储库(Store)”。存储库能储存1000个50位数。他为存储库画了几千张设计图,并且制定了各种新的制造工艺。
2.一个能够从存储库中取出数据进行各种基本运算的“运算室(Mill)”。运算是通过各种齿轮与齿轮的咬合、旋转、平移等来实现的。
3.一个能够控制顺序、选择所需处理的数据以及输出结果的装置。它根据存储程序的穿孔卡来控制计算过程。尽管巴贝奇没有给这部分装置起专门的名字,但它实际上起到了现代计算机中控制部件的作用。
在分析机的设计中,巴贝奇最具革命意义的思想是程序存储。这一设计受到当时加卡提花机穿孔卡的启示。巴贝奇在看到这台提花机后,马上想到可以把这项新技术应用到分析机上,因而完成了人类计算机工具发展史上一次重大的变革。

由于巴贝奇对计算机的设计已非常精确,故关于分析机的构想与计算机的最后实现已经十分接近,故巴贝奇被尊称为计算机先驱者之父。
现代计算机与他构想的机器相比,二者关于中央处理器和存储器的基本概念惊人地相似,所不同的仅仅是,前者的是电子元件,而后者用的是齿轮和杠杆。

巴贝奇:发明差分机和解析机 富翁到穷光蛋编辑本段回目录

如果有人问你知道不知道19世纪英国数学家巴贝奇,你准会摇头。可是,研究科学史的专家认为,他与居里夫人一样伟大。因为他设计出了差分机和解析机,为计算机的诞生扫除了许多理论上的障碍。这一贡献是非常了不起的。

巴贝奇于1792年出生在英格兰的得文郡。他的父亲是一个银行家,也是一位富翁。可贵的是,小巴贝奇没有染上少爷公子的恶习。他祟尚科学,对数学尤为喜爱。在中学时代,他几乎学会了大学的所有代数课程。在大学时期,巴贝奇并不局限于学习数学,而且对诸多的领域表现出极大的兴趣。有一次,他在一册关于航海的图书中,发现英国编制的航海表中有一系列错误。

巴贝奇想对航海表进行修订。可是,这要计算许许多多的数据,要制许许多多的表格。当时,虽然已有帕斯卡和莱布尼兹的机械式计算机,但实际应用起来并不尽如人意。由此,巴贝奇萌生了研制“会制表的机器”的念头。

此后,在课余时间,巴贝奇开始了这方面的研究。

大学毕业后,巴贝奇留校任教授。他在数学研究方面,取得了丰硕的成果,成为一名著名的数学家。1816年,他被选为英国皇家学会会员。与此同时,他并没有放松对“会制表机器”的研制工作。

研制工作进展缓慢,因为巴贝奇不仅要制造单个部件,而且还要造一些机器来制作这些部件。可巴贝奇并没有被困难吓住。他一个部件一个部件地加工。

1822年,巴贝奇终于研制出了第一台“会制表的机器”——差分机。它有3个寄存器,每个寄存器有6个部分,每个部分有一个字轮。它可以编制平方表和一些其他的表格,还能计算多项式的加法,运算的精确度达6位小数。

差分机的研制成功,极大地鼓舞了巴贝奇。他发现这是一个大有作为的天地。他的“野心”更大了。他在给英国皇家学会主席的信中,提出准备造一台比这台差分机大得多的差分机,它应当可以处理20位数,有7个20位的寄存器,并且还附设了印刷装置,可以直接将结果制成表格。这台新的差分机可用于编制天文和航海表。

英国政府认为巴贝奇的“新机器”颇有意义,给予1.7万英镑的研制资金。

1823年,巴贝奇开始研制“新机器”。计划原定两至三年完成。估计制成的机器重约两吨。可是,限于当时的机械制作工艺水平,所研制的部件精度不够;再加上在研制过程中,巴贝奇不断地修改设计方案,引起工程人员的不满,以致纷纷离开研制小组,因此,工作进展缓慢。

10年过去了,巴贝奇只完成“新机器”的一部分,可政府资助的经费早已用完,巴贝奇自己还花费了1.3万英镑。巴贝奇

还指望政府予以进一步的资助,可政府认为这是在造一部“吃英镑”的机器,因此不予资助。巴贝奇毫无办法,只好中断研制工作。半成品的差分机连同它的全部图纸,被送至伦敦的皇家学院博物馆保存。

巴贝奇虽然无奈地中断了大差分机的研制工作,但他在这方面的热情不减。1834年,他又设想出了一个更新的机器。它的计算性能远远超过差分机,能进行各种算术和逻辑运算,能解多元方程组。巴贝奇称它为“解析机”。

按照巴贝奇原设想,解析机的结构相当复杂,它包含了现代计算机的一些主要思想。 

从这以后,巴贝奇夜以继日地进行解析机的设计工作。为了集中精力搞好这项工作,巴贝奇在1839年辞去了剑桥大学卢卡斯教研室教授的职务。这可是一个地位显赫的职务啊!教研室的第一位教授是牛顿的老师博罗,第二位是牛顿。但对巴贝奇来说,没有比发明创造更重要的了。他画了2000多张原比例的机器及其单个部件的设计图纸,图纸上共画5万多个零件。

要完成解析机的研制工作,必须得到社会及各界人士的支持,否则,如此浩大的工程靠个人的力量是绝对无法完成的。为了宣传他的设计思想,巴贝奇四处演说。可由于他的设计思想太超前,再加上他有过失败的经历,因此绝大多数的人对他的设计方案不感兴趣。只有英国大诗人拜伦的独生女儿——阿达·奥古斯塔以及她的丈夫,给予巴贝奇极大的支持。

由于政府不支持,学术界的专家们不感兴趣,巴贝奇只好自己一点一点地干。可他耗尽财产,弄得倾家荡产,一直到1871年他去世时,家里一贫如洗,也没能制成解析机。

可巴贝奇的绝妙构思为后人留下了一笔巨大的财富。后来的计算机研制专家无不为巴贝奇的设计方案喝彩。现代计算机的先驱之一,美国的艾肯博士感慨万分地说:“假如巴贝奇晚生70年,我可就得失业了。”

为了纪念为解析机奋斗终生的巴贝奇,在20世纪90年代,专家们根据巴贝奇的设计图纸,按原样制造出了一台解析机。九泉之下的巴贝奇若知道这一消息,当欣慰万分。

幻想小说:《差分机》编辑本段回目录

  作者:威廉·吉布森和布鲁斯·斯特林
  更确切地说它也许应该称作"旧式赛博朋克"(retro-Cyberpunk),然而对许多人而言这是最权威的蒸汽朋克小说。查尔斯·巴贝奇完善了他的分析机,而维多利亚英格兰陷入了早期计算机革命所引起的混乱。这里的计算机是机械式的,并且体积庞大,非常适合于污染严重、环境恶劣的工业伦敦。当然这只是背景而已,故事本身是关于一段不知能否导致人工智能的计算机代码的惊悚小说。艾达·拜伦(Ada Byron)女士(拜伦爵士的妻子②,早期数学家和程序员--计算机ADA语言即为她的名字所命名)成为角色一员。

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标签: 差分机

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