CICC科普栏目|机械史上最复杂的巅峰之作:差分机,这才是最强大脑 超级数学建模 前天

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CICC科普栏目|机械史上最复杂的巅峰之作:差分机,这才是最强大脑 超级数学建模 前天

2023-08-25 10:12| 来源: 网络整理| 查看: 265

1819 年,英国工程师兼数学家查尔斯·巴贝奇和“土耳其人”打了两场比赛,均以失败告终。

象棋大师坐在一个密闭的空间里,里面有许多滑动板和一把滚轮椅子,椅子放置在滑轨上,让他在打开柜子向别人展示的时候来回滑动,避免被发现。

象棋大师通过磁铁观察外面棋盘的情况,磁铁在桌子背面呈现了棋盘的景象,使用滑轮系统,让外面的木制傀儡与自己的手臂进行同步运动,通过扭动棋盘上的杠杆来让控制傀儡的手指,将棋子移动到理想的位置。

肯佩伦的恶作剧体现了的机器智能的可能性,激发了巴贝奇以全新的方式来思考机器,设计差分机的想法就此点燃,人工智能的雏形已经开始形成。

查尔斯·巴贝奇

穷极一生研究差分机

1822 年,巴贝奇的想法得到了英国政府的支持,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,在那个时候,这是一个非常前沿的想法。

差分机一号部分装置

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。

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)。

已完成1/7的差分机

差分机结构图

分析机模型

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。

差分机二号

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

有人说,如果当时巴贝奇的机械计算机——差分机得到推广普及,则电子计算机将会推迟出现,甚至不会出现,而现在的程序员就要对着一堆机械写代码了。

现在回头看去,差分机虽然有着稳定的运算特性,但最大问题就是磨损问题,这种机械对精度要求极高,稍微的磨损就会导致很大的误差,用不了多久就要换零件,推广普及难度较大。

但是,一个人能在1822年造出计算精度达6位小数、可处理3个不同5位数的机械计算机,这非常了不起。

过了半个多世纪,由美国军方定制的世界上第一台电子计算机“电子数字积分计算机”在美国宾夕法尼亚大学问世,名为ENIAC(中文名:埃尼阿克)。

这台计算器使用了17840支电子管,大小为80英尺×8英尺,重达28吨,功耗为170kW,其运算速度为每秒5000次的加法运算,造价约为487000美元。

第一台计算机体积重量比巴贝奇的差分机要大得多,但是计算能力更快。巴贝奇如果出现在这个时代,估计电子计算机的先驱就要更名了,现代计算机的先驱之一,美国的霍华德·艾肯曾公开表示:“巴贝奇晚生70年,我就得失业了。”

1936年5月,图灵发表了题为《论数字计算在决断难题中的应用》的论文,他描述了一种可以辅助数学研究的机器,后来被人称为“图灵机”,第一次在纯数学的符号逻辑,和实体世界之间建立了联系。后来我们所熟知的电脑,以及还没有实现的“人工智能”,都基于这个设想。

1950年10月,图灵发表论文《机器能思考吗》,这一划时代的作品,使图灵赢得了“人工智能之父”的桂冠。

超模君之前读了《图灵的秘密》,才更全面地认识图灵,天妒英才呀,图灵的一生十分短暂,但是对计算机和人工智能的贡献确实空前的大,留下了无尽的财富。

部分资料来源于网络

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