streszczenia wykładów -

Streszczenia wykładów z przedmiotu Historia informatyki – cz
pierwsza -
do maszyn Babbage’a
1. Pierwsze pomoce przy rachowaniu – logarytmy i pałeczki Nepera
2. Projekty niezachowane - szkic maszynki do dodawania Leonarda da Vinci, zegar licz cy
Shickarda
3. Pierwsze zachowane maszyny arytmetyczne – Pascalina i maszyny do mno enia Leibniza,
maszynki Morlanda
4. XVIII wiek - nast pcy Leibniza – Polleni, Braun, Leupold, Hahn
5. Demonstrator i maszyny licz ce Stanhope’a
6. Rewolucja przemysłowa i krosno uniwersalne Jacquarda
7. Standard maszyny arytmetycznej - Arytmometr Thomasa de Colmar
8. Praktyczne wynalazki XIX wieku – bateria, silnik elektryczny, przeka niki, telegraf, telefon,
pocz tek ery radia
9. Matematycy i logicy XIX wieku
10. Maszyna ró nicowa i analityczna Babbage’a
Ad 1. W 1617 w traktacie „Rabdologia” Johna Neper (1550-1617) przedstawił został system wspomagania
mno enia, nazwany pó niej „pałeczkami Nepera”. Bardzo proste w konstrukcji i obsłudze, sprowadzaj ce
mno enie do ci gu dodawa , wykorzystuj ce ide logarytmów, były przez ponad dwie cie lat powszechnie
u ywane (w postaci prostopadło cianów, walców lub tarcz). Wykorzystane zostały – jako element
wspomagaj cy - w pierwszych maszynach licz cych konstruowanych w XVII wieku.
Ad 2. W 1967 roku w Bibliotece Narodowej w Madrycie w dokumencie zwanym Codex Madrit
datowanym na 1500 rok odkryto szkic Leonarda da Vinci przedstawiaj cy maszynk do dodawania
zło on z kół z batych. Pomysł oparty był na mechanizmie przeniesienia – pełny obrót jednego koła
powoduje obrót o jedn dziesi t koła s siedniego. Szkic opatrzony jest komentarzem autora.
Wilhelm Schickard (1592 –1635) –niemiecki duchowny, j zykoznawca, astronom i matematyk
skonstruował w 1623 roku – aby pomóc w obliczeniach niezb dnych Johannowi Keplerowi -wykorzystuj c
pałeczki Nepera maszynk licz c . „Zegar licz cy” Shickarda wykonywał dwa działania – dodawanie i
odejmowanie, za wbudowane w mechanizm pałeczki Nepera pozwalały na wykonywanie mno enia.
Mechanizm – oparty na kołach z batych realizuj cy przeniesienia spłon ł w niespodziewanym po arze w
kilka miesi cy po wykonaniu. Zachowały si szkice Shickarda i jego korespondencja z Keplerem.
Ad 3. Blaise Pascal (1623-1662) – francuski filozof, fizyk, publicysta i matematyk - W 1641 roku
zaprojektował maszyn arytmetyczn przeznaczon do dodawania i odejmowania. Zadowalaj co działaj cy
mechanizm, nazwany „Pascalin ”, powstał w 1645 roku. Urz dzenie nastawcze zło one było z tarcz
poruszanych sztyftem, którego ruchy ograniczała blokada. Dla uproszczenia produkcji, zamiast przekładni
z batych u yto kół z kołeczkami, czyli miniatury kół latarniowych u ywanych w młynach. Problem
przeniesie
Pascal rozwi zał przy pomocy zapadek, umieszczonych pomi dzy kołami. Dodawanie i
odejmowanie odbywało si , wykorzystuj c obrót b bnów w tym samym kierunku – b bny wyposa one były
w dwa rz dy cyfr – wzrastaj cy, wykorzystywany przy dodawaniu i malej cy do odejmowania.
Pascalina produkowana była jako maszyna do zwykłego dodawania i odejmowania liczb sze ciolub o miocyfrowych, maszyna typu „monetarnego” – na denary, soldy i funty oraz maszyna dla geometrów
na s nie, stopy, cale i linie. Do dzi przetrwało osiem egzemplarzy.
Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646-1716) – niemiecki filozof, matematyk, prawnik i dyplomata;
zajmował si tak e histori , j zykoznawstwem i teologi . Pojmował cały wszech wiat jako
samoorganizuj cy si automat; s dził, e matematyka jest najlepszym rodkiem poznania rzeczywisto ci.
Według Leibniza reguły my lenia mo na zredukowa do reguł rachunku na symbolach, które b d
oznacza poj cia i idee. Opis rzeczywisto ci przez kombinacj symboli pozbawi nieokre lono ci wszelkie
s dy o wiecie, a spory sprowadzi do argumentacji na wzór dowodów matematycznych. My l Leibniza
zawierała istotne elementy logiki formalnej. Szczególne znaczenie miała idea sprowadzenia wnioskowania
do szeregu operacji matematycznych na symbolach. Wprowadził tak e do Europy system binarny.
W 1670 roku stworzył manuskrypt zawieraj cy koncepcj maszyny licz cej, która miała nie tylko
dodawa i odejmowa , ale tak e mno y i dzieli – przez wielokrotne dodawanie i odejmowanie. Była
wprawiana w ruch przy pomocy korbki (w jednym kierunku dla dodawania i mno enia, a w drug dla
odejmowania i dzielenia). Aby rozwi za problem przeniesienia, Leibniz w 1672 roku wpadł na pomysł
„b bna o z bach nierównej długo ci” (b ben Leibniza). Pierwszy egzemplarz maszyny Leibniza
(zachowany do dzi ) powstał w 1694 roku, drugi – w 1704. Na realizacj tych projektów uczony po wi cił
cz
maj tku osobistego. Rozwi zania Leibniza – urz dzenie nastawcze, wizjer nastawienia, element
zbieraj cy i wózek ruchomy, a przede wszystkim b ben o z bach nierównej długo ci – wykorzystane
zostały w wi kszo ci pó niejszych maszyn.
Samuel Morland (1625-1695) – angielski matematyk, polityk i wynalazca. Stworzył miniaturowy
uniwersalny kalendarz mechaniczny, trygonometryczn
dokonuj c
pewnych oblicze
metod
graficzn , opart
maszyn
licz c
(wprawian
w ruch korbk )
na podobie stwie trójk tów. W 1665 roku
zaprojektował miniaturow maszynk do dodawania i odejmowania. Kółeczka poruszane były sztyftem –
zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara dla dodawania, a w odwrotnym dla odejmowania. Maszynka
przystosowana była do liczenia franthingów, pensów, szylingów i funtów. Nie realizowała przeniesie .
Zaprojektował te (niezbyt udan ) maszynk do mno enia, wykorzystuj c tarcze Nepera.
Ad 4. Giovanni Poleni (1683-1761) – włoski astronom i wynalazca, w 1709 roku zbudował maszyn licz c
wykonuj c cztery działania, poruszan ci arkami – jak w zegarach. B bny o nierównej długo ci zast pił
kołami o zmiennej liczbie z bów (chowały si ). Mechanizm został zniszczony przez twórc .
Antonin Braun (1685-1728) – austriacki wytwórca instrumentów optycznych i matematycznych, zbudował
w 1727 roku czterodziałaniow maszyn opart na kołach o zmiennej liczbie z bów, poruszan przy
u yciu korby. Urz dzenie, charakteryzuj ce si niewielkimi rozmiarami i du
niezawodno ci , wykonuj ce
obliczenia na liczbach 12-cyfrowych, pozostało ciekawostk na dworze wiede skim (mechanizm przetrwał
do dzi )
Jakob
Leupold
(1674-1727)
–
niemiecki
konstruktor
maszyn
i
inspektor
górniczy.
Autor
dziewi ciotomowej pracy opisuj cej techniki stosowane przy budowie maszyn i urz dze . W 1727 roku
wymy lił przekładni zaz bian czasowo (wykorzystan pó niej przez Stanhope’a).
Philipp Matthaüs Hahn (1739-1790) – niemiecki pastor, konstruktor zegarów i astronom. W 1770 roku
postanowił zbudowa maszyn licz c . Pierwsza maszyna Hahna (1774), w kształcie koła, wykorzystywała
8 b bnów o z bach nierównej długo ci, typu Leibnizowskiego i mogła wykonywa cztery działania
podaj c wynik jedenastocyfrowy. Jego maszyna, jako jedna z pierwszych, działała bez zakłóce . Była
produkowana na sprzeda (tak e po mierci Hahna) do 1820 roku. Egzemplarz numer cztery, wykonany w
1776 roku, w sto lat pó niej eksponowany był na wystawie w Londynie i wci
dawał prawidłowe wyniki
(do 12 cyfr). Kilka egzemplarzy maszyny Hahna istnieje do dzi .
Johann Helfried Müller (1746-1830) – niemiecki in ynier wojskowy. W 1782 wymy lił maszyn
arytmetyczn
czterodziałaniow
do pracy z liczbami czternastocyfrowymi, opart
na Leibnizowskich
b bnach o z bach nierównej długo ci. Zbudowana w układzie kolistym i poruszana korbk , miała
wymienne liczniki i mogła pracowa w sytemach innych ni dziesi tny. Müller zaprojektował te dzwonek,
odzywaj cy si przy przekraczaniu pojemno ci licznika wyniku lub gdy próbowano odj
liczb wi ksz od
mniejszej.
Ad 5. Charles Stanhope (1753-1816) – angielski polityk, badacz naukowy i wynalazca. Wynalazł pierwsz
na wiecie maszyn logiczn – oraz dwa modele mechanicznych maszyn licz cych. „Demonstrator”
zaprojektowany został celem wspomagania rozwi zywania klasycznych sylogizmów logicznych, a nawet
elementarnych zagadnie rachunku prawdopodobie stwa. Opis budowy i zastosowa został opublikowany
60 lat po mierci Stanhope’a. Obecnie istniej dwa egzemplarze urz dzenia.
Obie maszyny licz ce Stanhope’a wykonywały po cztery działania, przy czym mno enie i dzielenie
uzyskiwano przez powtarzanie dodawania i odejmowania. Pierwszy model, zbudowany w 1775 roku,
pracował na liczbach 12-cyfrowych. Działa dokonywano ruchem wózka, umieszczonego w tylnej cz ci
kadłuba. W ka dym ruchu wózka aktywny był tylko jeden kierunek – w stron operatora przy dzieleniu i do
tyłu przy mno eniu. Przy ruchu „jałowym” system zapadek unosił ruchom cz
, wył czaj c j z zasi gu
przekładni licz cych. Głównym elementem mechanizmu był walec z z bami zaz biaj cymi si czasowo,
wynaleziony przez Leupolda jako ulepszenie Leibnizowskiego b bna o z bach nierównej długo ci.
W drugiej maszynie, zbudowanej w 1777 roku, przesuw wózka zast piony został obrotem koła
głównego, zaopatrzonego w korbk . Kierunek obrotu zale ał od wykonywanego działania. W 1790 roku
Stanhope wykonał tak e ulepszon wersj kieszonkowej maszynki do dodawania Morlanda. Maszyny
Stanhope’a miały zastosowanie praktyczne i były produkowane na sprzeda . Dwie takie maszyny
wykorzystywał (do 1905) Charles Babbage i jego syn.
Ad 6. Od ko ca XVII wieku powstawały projekty maszyn tkackich wymagaj cych coraz mniejszej ilo ci
pracy r k ludzkich. W 1725 roku mistrz tkacki Basile Bouchon wpadł na pomysł wybierania za pomoc
specjalnych igieł i karty dziurkowanego papieru p tlic nicielnicy przy kolejnym przebiegu czółenka.
Pierwsze krosno zdolne do całkowicie zautomatyzowanego działania zaprojektował in ynier mechanik
Jacues de Vaucanson w 1745 roku. Pomysł nie doczekał si praktycznej realizacji.
W 1800 roku Joseph-Marie Jacquard zbudował krosno uniwersalne, wykorzystuj ce karty perforowane.
Po protestach tkaczy z Lyonu s d rozjemczy kazał publicznie połama prototyp. W 1812 roku we Francji
pracowało ju 10 000 krosien Jacquarda.
Ad 7. Charles-Xavier Thomas (Thomas de Colmar) (1785-1870) – francuski biznesmen. Kierował
towarzystwem ubezpieczeniowym w Pary u, był komisarzem armii w czasie wojny hiszpa skiej i
wynalazc . W latach 1808-1812 opracował zało enia konstrukcji „Arytmometru” – czterodziałaniowej
maszyny wprawianej w ruch poci gni ciem rzemienia.
Pierwszy egzemplarz, uko czony w 1822 roku (za pieni dze Thomasa) pracował na liczbach
trzycyfrowych, daj c wyniki co najwy ej sze ciocyfrowe. Konstrukcja opierała si na walcach o z bach
nierównej długo ci Leibniza. Maszyna okazała si pewna i u yteczna.
W ci gu dalszych 30 lat Thomas wprowadzał udoskonalenia Arytmometru. Ulepsze dokonywali
te syn i wnukowie wynalazcy, bowiem kolejne wersje arytmometrów produkowane były od 1823 do 1878
roku. Około 1850 roku standardem były maszyny 16-20-cyfrowe. W ród klientów figurowały Domy
Towarowe Luwru, Towarzystwo Małych Powozów, Kasa Depozytowo-Konsygnacyjna, dyrekcje
ministerstw Wojny i Marynarki, rozmaite towarzystwa ubezpieczeniowe i spółki kolei
elaznych.
Sprzedano około 1500 egzemplarzy maszyny (60% na eksport) oraz licencje technologiczne. Nazwa
firmowa „Arytmometr” stała si a do pocz tków XX wieku synonimem maszyny licz cej. Arytmometr
Thomasa stanowi prototyp kalkulatorów biurowych, r cznych a potem elektrycznych, u ywanych
powszechnie w XX wieku.
Ad 8. 1800 – Włochy - Alessandro G.A. Volta wynajduje bateri
1821 – Anglia – Michael Faraday konstruuje silnik elektryczny
1831 – Ameryka – Joseph Henry buduje przeka nik elektryczny
1829 – Ameryka – Joseph Henry buduje silnik elektromagnetyczny
1837 – Ameryka – Samuel Morse patentuje telegraf elektromagnetyczny i tworzy alfabet Morse’a
1850 – Anglia – Francis Galton wynajduje dalekopis
1875 – Ameryka – Alexander Graham Bell konstruuje telefon
1879 – Ameryka – Thomas Alva Edison konstruuje swoj wersj
arówki
1894 – Włochy – Gugliemo Marconi wynajduje bezprzewodowy telegraf – pocz tek ery radia
Ad 9. Augustus de Morgan (1806-1871) – angielski matematyk, prekursor formalizacji logiki
matematycznej. Jego nazwisko do dzi kojarzone jest z podstawowymi prawami logiki matematycznej.
Wprowadził tak e w sposób
cisły poj cie indukcji matematycznej. Stał si
prekursorem kierunku
my lowego rozwijanego pó niej przez G. Boole’a, A. Turinga, A. N. Witeheada, B. Russela i C.
Shannona.
George Boole (1815-1864) – angielski matematyk i logik, samouk. Jego główne dzieło An
Investigation of the Laws of Thought (Badanie praw my lenia) (1854) jest uwa ane za pierwsze w dziejach
współczesnej logiki matematycznej. Boole głosił, e rozumowanie logiczne mo e by przyrównane do
form rachunku algebraicznego, za poj cia matematyczne (symbole i reguły) mog by wykorzystywane
przy rozwi zywaniu zada
logicznych, zbyt subtelnych lub zbyt skomplikowanych, by mogły by
przełamane prost logik werbaln .
William Stanley Jevons (1835- 1882) – angielski logik i ekonomista. Rozwin ł twórczo idee
George Boole’a. Aby je upowszechni , wymy lił metod „dedukcji po redniej”. Był autorem doskonałych
podr czników logiki. Pod koniec lat sze dziesi tych zaprojektował maszyn logiczn ; pierwsz która
rozwi zywała problemy logiczne szybciej ni człowiek. Dla okre lenia potwierdze
i zaprzecze
u ył
stosowanych do dzi symboli „1” i „0”. Jego „pianino logiczne” słu yło do demonstrowania studentom
praw logiki.
Ad 10. Charles Babbage (1791-1871) – angielski matematyk, astronom i konstruktor maszyn. Zirytowany
du
ilo ci bł dów w tablicach astronomicznych, którymi si posługiwał stworzył koncepcj maszyny
obliczaj cej i drukuj cej ró norodne tablice, niezb dne astronomom, marynarzom, rachmistrzom i
bankierom, wykorzystuj c metod ró nic sko czonych. Prototyp, o pojemno ci 6 cyfr, pracuj cy na 2
rz dach ró nic, zbudował własnor cznie w 1822 roku.
W 1823 roku Babbage uzyskał poparcie rz dowe i pomoc finansow w kwocie 1500 funtów.
Wynalazca oceniał, e maszyna powstanie w ci gu dwóch lub trzech lat i kosztowa b dzie około 3000
funtów. Miała pracowa na sze ciu rz dach ró nic, przetwarza liczby 20-cyfrowe, a nast pnie drukowa
formy stereotypowe w szybko ci 44 cyfr na minut .
Konstrukcj przedłu ały konflikty z głównym konstruktorem, Josephem Clementem. Pozbawiony
planów Babbage wpadł na zupełnie nowy pomysł maszyny licz cej. Snuł plany „maszyny analitycznej” o
praktycznie nieograniczonej pot dze obliczeniowej. W 1842 roku rz d ostatecznie zrezygnował z projektu
maszyny ró nicowej. Zbudowana ju cz
maszyny i wszystkie zwi zane z ni rysunki zostały zło one w
King’s College w Londynie.
W 1883 i 1884 roku, wykorzystuj c przymusow przerw w pracy nad maszyn ró nicow , Charles
Babbage wymy lił sposób przenoszenia liczb z kolumny wyników do kolumny najmniejszej ró nicy.
Wynalazca u wiadomił sobie, e wszystkie rejestry mechaniczne w kolejnych rz dach ró nic, były w gruncie
rzeczy identyczne. P tla – powoduj ca przeniesienie rz du cyfr z ostatniej do pierwszej kolumny pozwalała przeprowadza praktycznie nieograniczon ilo
sumowa .
Nast pnym krokiem było oddzielenie funkcji „liczenia” od funkcji „pami ci”. W ten sposób powstał
projekt uniwersalnej maszyny, wykonuj cej ró norodne zadania, w zale no ci od kieruj cego ni
programu. Głównymi elementami maszyny analitycznej były:
a)
jednostka
obliczeniowa,
nazwana
„młynem”,
przeznaczona
do
wykonywania
działa
arytmetycznych, rejestrowania wyników i przechowywania wyników po rednich;
b)
pami , czyli „magazyn”, z mechanizmem umo liwiaj cym wprowadzanie liczb do pami ci i
wyprowadzaniem ic do młyna;
c)
urz dzenia kontrolne – trzech walców na których mo na było zakodowa instrukcje obliczania lub
przenoszenia danych (program wykonalny);
d)
licznik – odnotowuj ce liczb podstawowych działa wykonywanych przez maszyn ;
e)
wymienny zestaw programów zewn trznych – kodowanych na kartach perforowanych. Babbage
zaprojektował trzy rodzaje kart: karty operacyjne nios ce instrukcje „doda ”, „odj ”, „przenie ” itd.;
karty liczbowe, koduj ce dane oraz karty zmiennych, zawieraj ce informacje matematyczne potrzebne
przy rozwi zywaniu zada (na przykład warto
f)
numeryczn litery w danym równaniu algebraicznym).
urz dzenia bezpo redniego wydruku.
Babbage zdefiniował tak e poj cie „cyklu”, porz dkuj cego rytm działania maszyny. Najmniejsza jednostka,
cykl podstawowy , odpowiadała ilo ci czasu niezb dnej do przej cia cyfry dziesi tnej na kolejn pozycj na
tym samym kole (dodawanie wymagało ok. 20 cykli). Była to pierwsza próba taktowania maszyny.
Najlepszy opis maszyny analitycznej i jej programowania pochodzi z artykułu zredagowanego
przez hrabin Ad Lovelace z domu Byron – przyjaciółki i współpracownicy Babbage’a. Drobiazgowo
zaprojektowana (cho nigdy nie skonstruowana) maszyna, była szeroko dyskutowana w wiecie nauki i
wpłyn ła na konstruktorów maszyn pierwszej połowy dwudziestego wieku.