巴貝奇的差分機(jī)和分析機(jī)

1、巴貝奇的差分機(jī)和分析機(jī)提花編織機(jī)最早出現(xiàn)在中國(guó)。在我國(guó)出土的戰(zhàn)國(guó)時(shí)代墓葬物品中，就有許多用彩色絲線編織的漂亮花布。據(jù)史書記載，西漢年間，鉅鹿縣紡織工匠陳寶光的妻子，能熟練地掌握提花機(jī)操作技術(shù)，她的機(jī)器配置了120根經(jīng)線，平均60天即可織成一匹花布，每匹價(jià)值萬錢。明朝刻印的天工開物一書中，還赫然地印著一幅提花機(jī)的示意圖?？梢韵胂?，當(dāng)歐洲的王公貴族對(duì)從“絲綢之路”傳入的美麗綢緞贊嘆不已時(shí)，中國(guó)的提花機(jī)也必定會(huì)沿著“絲綢之路”傳入歐洲。不過，用當(dāng)時(shí)的編織機(jī)編織圖案相當(dāng)費(fèi)事。所有的綢布都是用經(jīng)線（縱向線）和緯線（橫向線）編織而成。若要織出花樣，織工們必須細(xì)心地按照預(yù)先設(shè)計(jì)的圖案，在適當(dāng)位置“提”起一部

2、分經(jīng)線，以便讓滑梭牽引著不同顏色的緯線通過。機(jī)器當(dāng)然不可能自己“想”到該在何處提線，只能靠人手“提”起一根又一根經(jīng)線，不厭其煩地重復(fù)這種操作。1725年，法國(guó)紡織機(jī)械師布喬（B.Bouchon）突發(fā)奇想，想出了一個(gè)“穿孔紙帶”的絕妙主意。杰卡德提花機(jī)奏響了機(jī)器自動(dòng)化的序曲，它的發(fā)明還引出了計(jì)算機(jī)史上一位驚世駭俗偉大人物，他就是英國(guó)劍橋大學(xué)科學(xué)家巴貝奇（C.Babbage）。 巴貝奇對(duì)杰卡德提花機(jī)，特別是對(duì)穿孔卡片控制機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的天才設(shè)計(jì)十分神往，他甚至收藏著一幅用24000張卡片編織而成的杰卡德本人的肖像， 并夢(mèng)想著用類似的方法設(shè)計(jì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)。 18世紀(jì)末，法國(guó)數(shù)學(xué)

3、界調(diào)集大批數(shù)學(xué)家，組成了人工手算的流水線，經(jīng)過長(zhǎng)期艱苦奮斗，終于完成了17卷數(shù)學(xué)用表的編制，但是，手工計(jì)算出的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了大量錯(cuò)誤。這件事情強(qiáng)烈刺激了巴貝奇，20歲那年，他著手開始計(jì)算機(jī)的研制工作。巴貝奇在他的自傳一個(gè)哲學(xué)家的生命歷程里，寫到了發(fā)生在1812年的一件事：“有一天晚上，我坐在劍橋大學(xué)分析學(xué)會(huì)辦公室里，神志恍惚地低頭看著面前打開的一張對(duì)數(shù)表。一位會(huì)員走進(jìn)屋來，瞧見我的樣子，忙喊道：喂！你夢(mèng)見什么啦？我指著對(duì)數(shù)表回答說：我正在考慮這些表也許能用機(jī)器來計(jì)算！” 巴貝奇的第一個(gè)目標(biāo)是制作一臺(tái)“差分機(jī)”。所謂“差分”的含義，是把函數(shù)表的復(fù)雜算式轉(zhuǎn)化為差分運(yùn)算，用簡(jiǎn)單的加法代替平方運(yùn)

4、算，快速編制不同函數(shù)的數(shù)學(xué)用表。巴貝奇耗費(fèi)了整整10年時(shí)間，于1822年完成了第一臺(tái)差分機(jī)，可以處理3個(gè)不同的5位數(shù)， 計(jì)算精度達(dá)到6位小數(shù)，當(dāng)即就演算出好幾種函數(shù)表。由于當(dāng)時(shí)工業(yè)技術(shù)水平極低，第一臺(tái)差分機(jī)從設(shè)計(jì)繪圖到機(jī)械零件加工，都由巴貝奇親自動(dòng)手實(shí)施。成功的喜悅激勵(lì)著巴貝奇，他上書英國(guó)皇家學(xué)會(huì)，要求政府資助他建造第二臺(tái)運(yùn)算精度達(dá)20位的大型差分機(jī)。 英國(guó)政府同意為這臺(tái)機(jī)器提供1.7萬英鎊的資助。巴貝奇自己也投資1.3萬英鎊巨款，彌補(bǔ)研制經(jīng)費(fèi)的不足。 第二臺(tái)差分機(jī)約有25000個(gè)零件，零件誤差要求不超過每英寸千分之一，用蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)。巴貝奇把機(jī)器交給了英國(guó)最著名的

5、機(jī)械工程師約瑟夫·克萊門特所屬工廠制造，但工程進(jìn)度十分緩慢。第二個(gè)10年過去后，全部零件只完成了一半。參加試驗(yàn)的同事們紛紛離去，巴貝奇獨(dú)自苦苦支撐第三個(gè)10年，最后只得把圖紙和部分零件送進(jìn)博物館保存。 巴貝奇一共繪制了21張大型差分機(jī)設(shè)計(jì)圖紙。1991年，為了紀(jì)念巴貝奇200周年誕辰，英國(guó)肯圣頓（Kensington）科學(xué)博物館根據(jù)這些圖紙重新建造了一臺(tái)差分機(jī)。復(fù)制過程中，只發(fā)現(xiàn)圖紙存在著幾處小的錯(cuò)誤。復(fù)制者特地采用18世紀(jì)中期的技術(shù)設(shè)備來制作，不僅成功地造出了機(jī)器，而且可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。他們猜想，當(dāng)年巴貝奇沒能完成大型差分機(jī)研制，或許不完全是技術(shù)方面的問題。 

6、60; 失敗的分析機(jī)1842年，英國(guó)政府宣布斷絕對(duì)巴貝奇的一切資助，科學(xué)界的同行則譏笑他是“愚笨的巴貝奇”，公然稱差分機(jī)“毫無任何價(jià)值”。然而，巴貝奇沒有灰心喪氣，他為自己確定了一項(xiàng)更大膽的計(jì)劃研制一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)。這種新機(jī)器被命名為“分析機(jī)”，巴貝奇希望它能自動(dòng)解算有100個(gè)變量的復(fù)雜算題，每個(gè)數(shù)達(dá)25位，速度達(dá)到每秒鐘運(yùn)算一次。 巴貝奇設(shè)計(jì)的分析機(jī)不僅包括齒輪式“存貯倉(cāng)庫(kù)”（Store）和“運(yùn)算室”即“作坊”（Mill），而且還有他未給出名稱的“控制器”裝置，以及在“存貯倉(cāng)庫(kù)”和“作坊”之間運(yùn)輸數(shù)據(jù)的輸入輸出部件。巴貝奇以他天才的思想，劃時(shí)代地提出了類似于現(xiàn)代電腦五大部件

7、的邏輯結(jié)構(gòu)。 頂著艱難的條件和輿論壓力， 只有27歲的英國(guó)女?dāng)?shù)學(xué)家阿達(dá)·奧古斯塔勇敢地（Ada Augusta） 支持了巴貝奇的計(jì)劃。阿達(dá)甚至不顧自己已是三個(gè)孩子的母親，堅(jiān)定地投身于分析機(jī)研究，成為巴貝奇的合作伙伴。在1843年發(fā)表的一篇論文里，阿達(dá)認(rèn)為機(jī)器今后有可能被用來創(chuàng)作復(fù)雜的音樂、制圖和在科學(xué)研究中運(yùn)用，這在當(dāng)時(shí)確是十分大膽的預(yù)見。 在筆記里，阿達(dá)還為分析機(jī)設(shè)計(jì)提出了大量有用的建議。她準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)說：“分析機(jī)編織的代數(shù)模式同杰卡德織布機(jī)編織的花葉完全一樣”。于是，為分析機(jī)編制程序的重?fù)?dān)，落到了這位數(shù)學(xué)才女的肩頭。她寫信告訴巴貝奇

8、，她已經(jīng)為如何計(jì)算“伯努利數(shù)”寫作了一份規(guī)劃。 以現(xiàn)在的觀點(diǎn)看， 阿達(dá)首先為計(jì)算擬定了“算法”，然后寫作了一份“程序設(shè)計(jì)流程圖”。這份珍貴的規(guī)劃，被人們視為“第一件計(jì)算機(jī)程序”。 由于得不到任何資助，巴貝奇和阿達(dá)耗盡了自己全部財(cái)產(chǎn)，一貧如洗。1852年，因疾病纏身，阿達(dá)英年早逝。巴貝奇又獨(dú)自堅(jiān)持了近20年。晚年的他甚至不能有條理地表達(dá)自己的意思，但是仍然百折不撓地堅(jiān)持工作。1871年，為計(jì)算機(jī)事業(yè)貢獻(xiàn)畢生精力的這位先驅(qū)者孤獨(dú)地離開了人世。分析機(jī)終于沒能制造出來，未完成的一部分也被保留在英國(guó)皇家博物館里。 巴貝奇逝世后， 他的兒子亨利·

9、巴貝奇（Henry Babbage）少將制造了若干個(gè)“運(yùn)算室”部件的復(fù)制品，送往世界各地保存。亨利堅(jiān)定地相信，總有一天，他父親的這種機(jī)器一定會(huì)被后人制造出來。巴貝奇與阿達(dá)小傳 查爾斯·巴貝奇， 一位富有的銀行家的兒子，1792年出生在英格蘭西南部的托格茅斯， 后來繼承了相當(dāng)豐厚的遺產(chǎn)，但他把金錢都用于科學(xué)研究。童年時(shí)代的巴貝奇顯示出極高的數(shù)學(xué)天賦， 考入劍橋大學(xué)后，他發(fā)現(xiàn)自己掌握的代數(shù)知識(shí)甚至超過了教師。 1817年獲碩士學(xué)位，1928年受聘擔(dān)任劍橋大學(xué)“盧卡辛講座”的數(shù)學(xué)教授，這是只有牛頓等科學(xué)大師才能獲得的殊榮。

10、0;1820年巴貝奇創(chuàng)建劍橋大學(xué)分析學(xué)會(huì)；1827年出版了從1到108000的對(duì)數(shù)表；1831年， 他領(lǐng)導(dǎo)建立英國(guó)科學(xué)進(jìn)步協(xié)會(huì)； 1832年出版機(jī)械制造經(jīng)濟(jì)學(xué) ；1834年創(chuàng)立倫敦統(tǒng)計(jì)學(xué)會(huì)；1864年出版一個(gè)哲學(xué)家的生命歷程。 除了差分機(jī)和分析機(jī)之外， 巴貝奇一生還有許多發(fā)明，如：鐵路排障器；功率計(jì)；統(tǒng)一郵資規(guī)范；格林威治時(shí)間信號(hào)；日光攝影光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等等。 1871年， 在他離開人世的時(shí)候，有人把他的大腦用酒精保存起來，想經(jīng)過若干年后， 用更先進(jìn)技術(shù)來研究他大腦保存的精神。在靠近月球的北極，有一個(gè)隕石坑被命名為“巴

11、貝奇坑” ，科學(xué)界將永遠(yuǎn)緬懷他的功績(jī)。1977年，為了研究信息革命的歷史，美國(guó)建立了巴貝奇研究所（簡(jiǎn)稱CBI）。巴貝奇是世界公認(rèn)的“計(jì)算機(jī)之父”。         阿達(dá)·奧古斯塔，1815年生于倫敦，她是英國(guó)著名詩(shī)人拜倫（L.Byron）的女兒。因父母婚姻破裂，出生5星期后就一直跟隨母親生活。母親安娜·密爾班克（A.Millbanke）是位業(yè)余數(shù)學(xué)愛好者，阿達(dá)沒有繼承父親詩(shī)一般的浪漫熱情，卻繼承了母親的數(shù)學(xué)才能。 阿達(dá)19歲嫁給了威廉·洛甫雷斯伯爵， 因此，史書也稱她為洛甫雷斯伯爵夫人（Lady Lovelace）。由于巴貝奇晚年因喉疾幾乎不能說話，介紹分析機(jī)的文字主要由阿達(dá)替他完成。 阿達(dá)的生命是短暫的，她對(duì)計(jì)算