巴贝奇的差分机和分析机.doc

巴贝奇的差分机和分析机提花编织机最早出现在中国。在我国出土的战国时代墓葬物品中，就有许多用彩色丝线编织的漂亮花布。据史书记载，西汉年间，钜鹿县纺织工匠陈宝光的妻子，能熟练地掌握提花机操作技术，她的机器配置了120根经线，平均60天即可织成一匹花布，每匹价值万钱。明朝刻印的天工开物一书中，还赫然地印着一幅提花机的示意图。可以想象，当欧洲的王公贵族对从“丝绸之路”传入的美丽绸缎赞叹不已时，中国的提花机也必定会沿着“丝绸之路”传入欧洲。不过，用当时的编织机编织图案相当费事。所有的绸布都是用经线（纵向线）和纬线（横向线）编织而成。若要织出花样，织工们必须细心地按照预先设计的图案，在适当位置“提”起一部分经线，以便让滑梭牵引着不同颜色的纬线通过。机器当然不可能自己“想”到该在何处提线，只能靠人手“提”起一根又一根经线，不厌其烦地重复这种操作。1725年，法国纺织机械师布乔（B.Bouchon）突发奇想，想出了一个“穿孔纸带”的绝妙主意。杰卡德提花机奏响了机器自动化的序曲，它的发明还引出了计算机史上一位惊世骇俗伟大人物，他就是英国剑桥大学科学家巴贝奇（C.Babbage）。巴贝奇对杰卡德提花机，特别是对穿孔卡片控制机器运转的天才设计十分神往，他甚至收藏着一幅用24000张卡片编织而成的杰卡德本人的肖像，并梦想着用类似的方法设计一台计算机。18世纪末，法国数学界调集大批数学家，组成了人工手算的流水线，经过长期艰苦奋斗，终于完成了17卷数学用表的编制，但是，手工计算出的数据出现了大量错误。这件事情强烈刺激了巴贝奇，20岁那年，他着手开始计算机的研制工作。巴贝奇在他的自传一个哲学家的生命历程里，写到了发生在1812年的一件事：“有一天晚上，我坐在剑桥大学分析学会办公室里，神志恍惚地低头看着面前打开的一张对数表。一位会员走进屋来，瞧见我的样子，忙喊道：喂！你梦见什么啦？我指着对数表回答说：我正在考虑这些表也许能用机器来计算！”巴贝奇的第一个目标是制作一台“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，快速编制不同函数的数学用表。巴贝奇耗费了整整10年时间，于1822年完成了第一台差分机，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，都由巴贝奇亲自动手实施。成功的喜悦激励着巴贝奇，他上书英国皇家学会，要求政府资助他建造第二台运算精度达20位的大型差分机。英国政府同意为这台机器提供1.7万英镑的资助。巴贝奇自己也投资1.3万英镑巨款，弥补研制经费的不足。第二台差分机约有25000个零件，零件误差要求不超过每英寸千分之一，用蒸汽机驱动。巴贝奇把机器交给了英国最著名的机械工程师约瑟夫克莱门特所属工厂制造，但工程进度十分缓慢。第二个10年过去后，全部零件只完成了一半。参加试验的同事们纷纷离去，巴贝奇独自苦苦支撑第三个10年，最后只得把图纸和部分零件送进博物馆保存。巴贝奇一共绘制了21张大型差分机设计图纸。1991年，为了纪念巴贝奇200周年诞辰，英国肯圣顿（Kensington）科学博物馆根据这些图纸重新建造了一台差分机。复制过程中，只发现图纸存在着几处小的错误。复制者特地采用18世纪中期的技术设备来制作，不仅成功地造出了机器，而且可以正常运转。他们猜想，当年巴贝奇没能完成大型差分机研制，或许不完全是技术方面的问题。失败的分析机1842年，英国政府宣布断绝对巴贝奇的一切资助，科学界的同行则讥笑他是“愚笨的巴贝奇”，公然称差分机“毫无任何价值”。然而，巴贝奇没有灰心丧气，他为自己确定了一项更大胆的计划研制一台通用计算机。这种新机器被命名为“分析机”，巴贝奇希望它能自动解算有100个变量的复杂算题，每个数达25位，速度达到每秒钟运算一次。巴贝奇设计的分析机不仅包括齿轮式“存贮仓库”（Store）和“运算室”即“作坊”（Mill），而且还有他未给出名称的“控制器”装置，以及在“存贮仓库”和“作坊”之间运输数据的输入输出部件。巴贝奇以他天才的思想，划时代地提出了类似于现代电脑五大部件的逻辑结构。顶着艰难的条件和舆论压力，只有27岁的英国女数学家阿达奥古斯塔勇敢地（AdaAugusta）支持了巴贝奇的计划。阿达甚至不顾自己已是三个孩子的母亲，坚定地投身于分析机研究，成为巴贝奇的合作伙伴。在1843年发表的一篇论文里，阿达认为机器今后有可能被用来创作复杂的音乐、制图和在科学研究中运用，这在当时确是十分大胆的预见。在笔记里，阿达还为分析机设计提出了大量有用的建议。她准确地评价说：“分析机编织的代数模式同杰卡德织布机编织的花叶完全一样”。于是，为分析机编制程序的重担，落到了这位数学才女的肩头。她写信告诉巴贝奇，她已经为如何计算“伯努利数”写作了一份规划。以现在的观点看，阿达首先为计算拟定了“算法”，然后写作了一份“程序设计流程图”。这份珍贵的规划，被人们视为“第一件计算机程序”。由于得不到任何资助，巴贝奇和阿达耗尽了自己全部财产，一贫如洗。1852年，因疾病缠身，阿达英年早逝。巴贝奇又独自坚持了近20年。晚年的他甚至不能有条理地表达自己的意思，但是仍然百折不挠地坚持工作。1871年，为计算机事业贡献毕生精力的这位先驱者孤独地离开了人世。分析机终于没能制造出来，未完成的一部分也被保留在英国皇家博物馆里。巴贝奇逝世后，他的儿子亨利巴贝奇（HenryBabbage）少将制造了若干个“运算室”部件的复制品，送往世界各地保存。亨利坚定地相信，总有一天，他父亲的这种机器一定会被后人制造出来。巴贝奇与阿达小传查尔斯巴贝奇，一位富有的银行家的儿子，1792年出生在英格兰西南部的托格茅斯，后来继承了相当丰厚的遗产，但他把金钱都用于科学研究。童年时代的巴贝奇显示出极高的数学天赋，考入剑桥大学后，他发现自己掌握的代数知识甚至超过了教师。1817年获硕士学位，1928年受聘担任剑桥大学“卢卡辛讲座”的数学教授，这是只有牛顿等科学大师才能获得的殊荣。1820年巴贝奇创建剑桥大学分析学会；1827年出版了从1到108000的对数表；1831年，他领导建立英国科学进步协会；1832年出版机械制造经济学；1834年创立伦敦统计学会；1864年出版一个哲学家的生命历程。除了差分机和分析机之外，巴贝奇一生还有许多发明，如：铁路排障器；功率计；统一邮资规范；格林威治时间信号；日光摄影光学望远镜等等。1871年，在他离开人世的时候，有人把他的大脑用酒精保存起来，想经过若干年后，用更先进技术来研究他大脑保存的精神。在靠近月球的北极，有一个陨石坑被命名为“巴贝奇坑”，科学界将永远缅怀他的功绩。1977年，为了研究信息革命的历史，美国建立了巴贝奇研究所（简称CBI）。巴贝奇是世界公认的“计算机之父”。阿达奥古斯塔，1815年生于伦敦，她是英国著名诗人拜伦（L.Byron）的女儿。因父母婚姻破裂，出生5星期后就一直跟随母亲生活。母亲安娜密尔班克（A.Millbanke）是位业余数学爱好者，阿达没有继承父亲诗一般的浪漫热情，却继承了母亲的数学才能。阿达19岁嫁给了威廉洛甫雷斯伯爵，因此，史书也称她为洛甫雷斯伯爵夫人（LadyLovelace）。由于巴贝奇晚年因喉疾几乎不能说话，介绍分析机的文字主要由阿达替他完成。阿达的生命是短暂