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机械史上最复杂的巅峰之作:差分机,这才是最强大脑

2018-3-2 14:24| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 9976| 评论: 0|来自: 直观学机械

摘要: 今天我们来认识一下机械史上最强大脑:英国数学家查尔斯·巴贝奇,他是可编程计算机的发明者,计算机的先驱。他设计过的计算机器有差分机、分析机和第二个差分机。差分机可谓是机械史最复杂的巅峰之作。在英国政府的 ...

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今天我们来认识一下机械史上最强大脑:英国数学家查尔斯·巴贝奇,他是可编程计算机的发明者,计算机的先驱。他设计过的计算机器有差分机、分析机和第二个差分机。差分机可谓是机械史最复杂的巅峰之作。

在英国政府的支持下,巴贝奇在 1822 年开始了差分机的设计和制造,希望将从计算到印刷的过程全部自动化,这样就可以避免人为误差。差分机使用有限差分方法来机器计算多项式函数的值。

有限差分方法是个简单但功能强大的技巧,它用重复加减的过程来避免需要的乘法和除法。
差分机一号局部装置

不过由于当时制造工艺水平较低,这个 10 英尺高,10 英尺宽,5 英尺长,重 2 吨,以蒸汽机驱动的庞然大物在 10 年间只完成了七分之一,看不到未来的英国政府不得不停止了对该项目的支持(毕竟按照这个趋势,要 70 年才能完成)。

差分机一号已完成的七分之一

差分机结构图

虽然失去了政府的支持,但是在设计和制造差分机的十年让巴贝奇有了设计更强大机器的能力,更加精密的分析机因此面世。

分析机模型

它能用多项式展开的方法计算对数和三角函数,具体的计算过程则是用打孔卡片输入,完成类似汇编语言的程序指令。

分析机部分组件的实验模型,巴贝奇自制,现藏伦敦科学博物馆

设计和尝试建造这个充满传奇色彩的机器成了他整个下半生的梦想。这个分析机的设计理念比差分机更超前,向未来穿越了大概一个世纪。


在分析机之后,在1847~1849 年间巴贝奇运用在开发过程中得到的心得,重新设计了差分机2号,它可以计算到 31 位数及第7阶差,而且零件数还只有差分机1号的 1/3。可惜的是,这时候巴贝奇已经找不到愿意出资的人了,因此差分机2号也只停留在了纸面上。

差分机2号

第二个差分机在1849年设计出来却在有生之年只实现了很小一部分。尽管如此,巴贝奇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。。。

1985年时,伦敦科学博物馆照着巴贝奇的图纸,打造了一台完整的差分机2号,这台巨大的手摇智能机械计算机,长3.35米,高2.13米,有4000多个零件,重2.5吨。

伦敦科学博物馆的差分机2号


美国加州的计算机历史博物馆也有一台差分机2号,是根据巴贝奇稍早的一个设计方案制作的。

加州计算机历史博物馆的差分机2号


差分机2号的运作

可见,这个机械是多么的复杂,足可以称得上早期人类机械史上的巅峰之作。

蒸汽动力驱动的机械式计算机可以完成人类难以完成的运算,有着稳定的机械特性。但是,运算速度会受到限制,所以,我们才有了电子计算机。

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