Отец Лейбница очень рано заметил гениальность своего сына и старался развить в нём любознательность, часто рассказывая ему маленькие эпизоды из священной истории. Лейбницу не было и семи лет, когда он потерял отца; его отец умер, оставив после себя большую личную библиотеку. Кальвизия Лейбниц понял без труда, потому что у него была немецкая книга по всеобщей истории, где говорилось приблизительно то же самое, но при чтении Ливия он постоянно попадал в тупик. Лейбниц не имел понятия ни о жизни древних, ни об их манере писания; не привыкнув также к возвышенной риторике историографов, стоящей выше обыденного понимания, Лейбниц не понимал ни одной строки, но это издание было старинное, с гравюрами, поэтому он внимательно рассматривал гравюры, читал подписи и, мало заботясь о тёмных для него местах, попросту пропускал всё то, чего не мог понять. Он повторял это несколько раз и перелистывал всю книгу; забегая, таким образом, вперёд, Лейбниц стал немного лучше понимать прежнее. Библиотека отца позволила Лейбницу изучить широкий спектр передовых философских и теологических работ, к которым он мог бы иметь доступ только в студенческие годы

В 1661 году, в возрасте четырнадцати лет, Готфрид сам поступил Лейпцигский университет, где когда - то работал его отец. По уровню подготовки Лейбниц значительно превосходил многих студентов старшего возраста. В свою бытность студентом Готфрид Вильгельм познакомился с работами Кеплера, Галилея и других учёных. Спустя 2 года Лейбниц перешёл в Йенский университет, где изучал математику. Лейбниц слушал в Йене лекции математика Вейгеля. В 1667 году Лейбниц поступил на службу к Майнцскому курфюрсту, в ведомство его министра Бойнебурга, где оставался до 1676 года, занимаясь политической и публицистической деятельностью, которая оставляла достаточное количество свободного времени для философских и научных исследований. Опередив время на два века, 21- летний Лейбниц задумал проект математизации логики. Она включала все логические операции, свойства которых он ясно представлял. Идеалом для Лейбница было создание такого языка науки, который позволил бы заменить содержательные рассуждения исчислением на основе арифметики и алгебры. Лейбниц многократно возвращался к задаче « математизации » формальной логики, пробуя применять при этом арифметику, геометрию и комбинаторику область математики, основным создателем которой являлся он сам.

Идея создания машины, выполняющей вычисления, появилась Готфрида Вильгельма Лейбница после его знакомства с голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Огромное количество вычислений, которое приходилось делать астроному, навело Лейбница на мысль о создании механического устройства, которое могло бы облегчить такие расчёты:« Поскольку это недостойно таких замечательных людей, подобно рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было бы доверить кому угодно при использовании машины ».

Первое описание своей машины Лейбниц сделал в 1670 году. Через два года ученый составил новое эскизное описание, на основе которого в 1673 году построил действующее арифметическое устройство Сложение чисел выполнялось при помощи связанных друг с другом колёс, так же как на вычислительной машине другого выдающегося учёного - изобретателя Блеза Паскаля « Паскалине ». Добавленная в конструкцию движущаяся часть и специальная рукоятка, позволявшая крутить ступенчатое колесо, позволяли ускорить повторяющиеся операции сложения, при помощи которых выполнялось деление и перемножение чисел. Описание калькулятора Лейбница ведется на основе одной из сохранившихся моделей, находящейся в музее в Ганновере. Она представляет собой ящик около метра длинной, 30 сантиметров шириной и около 25 сантиметров высотой.

Машина была продемонстрирована Лейбницем во Французской академии наук и Лондонском королевском обществе. Были построены два прототипа, до сегодняшнего дня только один сохранился в Национальной библиотеке в Германии. В годах Лейбниц провел большую работу по улучшению изобретения и привез в Лондон новый вариант калькулятора. Это была малоразрядная модель счетной машины, не пригодная для практического применения. И только в 1694 году Лейбниц сконструировал двенадцатиразрядную модель. Впоследствии калькулятор несколько раз дорабатывался. Последний вариант был создан в 1710 году.

Изначально, Лейбниц пытался лишь улучшить уже существующее устройство Паскаля, но вскоре он понял, что операция умножения и деления требуют принципиально нового решения, которое бы позволяло вводить множимое только один раз. О своей машине Лейбниц писал: « Мне посчастливилось построить такую арифметическую машину, которая бесконечно отличается от машины Паскаля, так как моя машина дает возможность совершать умножение и деление над огромными числами мгновенно, притом не прибегая к последовательному сложению и вычитанию ». Это стало возможно, благодаря разработанному Лейбницем цилиндру, на боковой поверхности которого, параллельно образующей, располагались зубья различной длины. Этот цилиндр получил название « Ступенчатый валик ». Таким образом, при выполнении операции умножения не требовалось многократно вводить множимое, а достаточно вести его один раз и повернуть ручку главного приводного колеса столько раз, на сколько необходимо произвести умножение. Однако, если множитель будет велик, то операция умножения займет длительное время. Для решения этой проблемы Лейбниц использовал сдвиг множимого, т. е. отдельно происходило умножение на единицы, десятки, сотни и так далее множителя. Таким образом, машина Лейбница была намного лучше машины Паскаля и намного проще.

Последние годы жизни Лейбница прошли печально и беспокойно. Георг - Людвиг не любил Лейбница. Их отношения охладели ещё сильнее, когда Георг - Людвиг под именем Георга I вступил на английский престол. Лейбниц хотел быть приглашённым к лондонскому двору, однако он встретил упорное сопротивление английских учёных, поскольку печально известный спор, который он вёл с Ньютоном, очень повредил ему во взгляде англичан Готфрид Вильгельм Лейбниц был окружён интригами придворных; его раздражали нападки ганноверского духовенства. Последние два года жизни в Ганновере были для Лейбница особенно тяжёлыми, он находился в постоянных физических страданиях; « Ганновер моя тюрьма », сказал он однажды. Лейбниц очень серьёзно заболел и перестал работать над своими проектами. В 1716 в начале августа Лейбницу стало лучше, и он решил наконец окончить брауншвейгскую историю. Однако он простудился, у него был приступ подагры и ревматические боли в плечах. Прибывший врач счёл положение настолько опасным, что сам отправился в аптеку за лекарством, но во время его отсутствия Готфрид Вильгельм умер.

Одним из величайших изобретений XVII века стало создание немецким математиком Готфридом Вильгельмом Лейбницем арифмометра (фото приводится в статье), способного совершать в десятичной системе все четыре основных математических действия. Именно этот вычислительный аппарат можно в полной мере назвать прообразом современного калькулятора.

Юный гений

Будущий изобретатель родился 1 июля 1646 года в Лейпциге и уже в возрасте 14 лет поступил в университет родного города, где изучал гуманитарные науки - историю, философию и юриспруденцию. Вспоминая об этом периоде своей жизни, ученый всегда подчеркивал, что знакомство с трудами выдающихся мыслителей прошлого развило в нем способность творчески подходить к решению сугубо технических проблем, избегая при этом повторения путей, пройденных ранее иными исследователями.

Математикой Лейбниц серьезно занялся лишь двумя годами позже, покинув Лейпциг и став студентом Йенского университета. Посещая лекции своего выдающегося современника - немецкого математика Эрхарда Вайгеля - он, тем не менее, продолжал занятия юриспруденцией и в 17-летнем возрасте опубликовал несколько собственноручно написанных трактатов.

На пути к изобретению

Толчком к созданию Готфридом Лейбницем арифмометра послужила его встреча с голландским астрономом Христианом Гюйгенсом, которому по роду его занятий, постоянно приходилось выполнять громоздкие и весьма сложные математические вычисления. Желая помочь своему новому знакомому, гениальный немец и задался целью изобрести некое механическое устройство, способное взять на себя этот рутинный труд.

Создавая механический арифмометр, Лейбниц имел возможность опираться на опыт своего предшественника - французского ученого Блеза Паскаля, который к тому времени уже изобрел весьма примитивную счетную машину и даже пытался, хотя и безуспешно, наладить ее коммерческое производство. Заметим попутно, что француза побудило к этому желание помочь своему отцу, занимавшемуся сбором налогов и постоянно обремененному множеством вычислений.

Презентация нового арифмометра

Во многом переработав и усовершенствовав счетный аппарат Паскаля, немецкий математик в 1673 году представил общественности Германии совершенно новую модель арифметического устройства, заявив при этом, что намерен и далее продолжать работу над ней. В отличие от своего французского коллеги, конструируя арифмометр, Лейбниц использовал в нем особое ступенчатое колесо, позволяющее упростить и во многом ускорить многократные сложения чисел, необходимые для выполнения операций, связанных с умножением и делением. Были внесены также и некоторые другие усовершенствования, позволявшие автоматически совершать этот процесс.

В последующий период изобретатель вел упорную работу по модернизации своего детища, после чего организовал его презентацию перед членами Лондонского королевского научного общества. Она состоялась в марте 1676 года. Создание арифмометра Лейбница - усовершенствованного и позволявшего без особого труда совершать сложные математические вычисления - стало событием, интерес к которому уже тогда был проявлен во многих европейских странах.

Завершение работы над изобретением

Не останавливаясь на достигнутом и продолжая совершенствовать свой арифмометр, Готфрид Лейбниц в середине 90-х годов представил публике его обновленную модель, которая и стала классическим образцом, вошедшим впоследствии во все справочники мира и получившим имя своего создателя.

Любопытно, что одна из созданных им счетных машин позже была привезена в Россию и попала к Петру I, являвшемуся, как известно, большим любителем и ценителем разных диковинок. Однако на берегах Невы она долго не задержалась и была передана государем в дар китайскому императору как свидетельство необычайного технического прогресса, достигнутого Европой.

Дальнейшие же работы по усовершенствованию своего изобретения ученый вел вплоть до 1710 года, после чего вынужден был прервать их из-за крайне высоких накладных расходов. Достаточно сказать, что в те времена, когда Лейбниц изобрел арифмометр, годовой оклад министра не превышал 2 тыс. талеров, тогда как математик вложил в свое детище сумму в 12 раз большую. Окончательная модель была создана им в двух экземплярах, из которых до настоящего времени сохранился лишь один, представленный в экспозиции Мюнхенского национального музея.

Особенности новой конструкции

Как упоминалось выше, кардинальным отличием созданного Лейбницем арифмометра от разработок, сделанных Паскалем, является наличие в нем ступенчатого вала − особого цилиндра, снабженного по бокам зубцами различного размера. Это приспособление избавляло от необходимости при умножении многократно набирать множимое число. Для получения ответа достаточно было лишь повернуть рукоять, приводящую цилиндр в движение, нужное количество раз. Даже если приходилось умножать большие числа и производимая операция занимала много времени, то и в этом случае преимущество перед арифмометром Паскаля не вызывало сомнения. В конструкцию были введены также и иные элементы, позволяющие упростить и ускорить вычислительный процесс.

Этапы научной деятельности

Рассказывая об арифмометре Лейбница, нельзя не упомянуть и об остальных заслугах этого гениального ученого, осуществившего на рубеже XVII и XVIII веков мощный прорыв в самых различных областях математики. Так, начав в 1667 году службу при дворе Мейнцкого курфюрста, он посвятил много времени созданию основ математического анализа, осуществлявшегося им на иных принципах, чем те, что были сформулированы Ньютоном. Тогда же Лейбницем был написан и капитальный научный труд, в котором он изложил разработанные им основы дифференциального исчисления.

Настоящей революцией в математике стала введенная Лейбницем в середине 80-х годов классификация вещественных чисел, при которых они подразделялись на трансцендентные и алгебраические. То же ему удалось проделать и при изучении кривых линий. Кроме того, в число наиболее значимых достижений ученого вошло введение им в математику такого понятия, как интеграл, которым он обозначил операцию, противоположную дифференцированию.

Параллельно с разработкой арифмометра, Лейбниц занимался и вопросами, входящими в круг линейной алгебры. Однако результаты его работ были по достоинству оценены лишь спустя полвека. Исследуя линейные системы, он ввел в науку неизвестное до той поры понятие «определителя», которое тогда прошло незамеченным в научных кругах, но со временем умножило его славу. Как бы это ни показалось удивительным, но Готфриду Лейбницу принадлежит вклад и в создание современной компьютерной техники. Именно он, оперируя значениями нуля и единицы, разработал широко используемую сегодня двоичную систему исчисления.

Роль Лейбница в истории Германии

Достижения ученого, ушедшего из жизни в 1716 году, во многом помогли Германии не только сделать значительный шаг в своем техническом развитии, но и преодолеть тот экономический и политический упадок, в котором она находилась после поражения в Тридцатилетней войне, охватившей Европу в период 1618-1648 гг.

Можно понять гордость Лейбница, писавшего тогда Томасу Бернету: “Мне посчастливилось построить такую арифметическую машину, которая совершенно отлична от машины Паскаля, поскольку дает возможность мгновенно выполнять умножение и деление над огромными числами”. Арифметическая машина Лейбница была первой в мире машиной, предназначенной для выполнения четырех действий арифметики.

Счетная машина, над которой Лейбниц начал работать в 70-е годы, представляла шаг в направлении поиска "универсального языка". Первое описание "арифметического инструмента" сделано Лейбницем в 1670 году. Через два года он составил новое эскизное описание, на основе которого был, по-видимому, изготовлен тот экземпляр, который ученый демонстрировал в феврале 1673 г. на заседании Лондонского Королевского общества. Лейбниц заявил, что новый арифметический инструмент придуман им с целью механически выполнять все арифметические действия надежно и быстро, особенно умножение. Под конец своего выступления он признал, что инструмент несовершенен, обещав его улучшить, как только вернется в Париж, где им нанят с этой целью мастер, которому он даст распоряжение изготовить полный инструмент для нужд Общества. Последнее поблагодарило его за такое проявление уважения и щедрости. Действительно, в 1674-1676 гг. Лейбниц внес существенные усовершенствования в машину, а в 1676 г., выполняя данное им Королевскому обществу обещание, привез в Лондон новый вариант счетной машины. Однако это была модель с малой разрядностью чисел, а не арифмометр, пригодный для практических вычислений. Такой арифмометр был построен под руководством Лейбница только в 1694 г. в Ганновере, где после возвращения из Парижа он прожил почти всю жизнь. Впоследствии Лейбниц еще несколько раз возвращался к своему изобретению; последний вариант был предложен им в 1710 г.

Хотя работа Лейбница над арифмометром была и длительной, но отнюдь не непрерывной, поскольку автор машины одновременно трудился в самых различных областях науки. "Уже свыше двадцати лет назад, - писал он в 1695 г., - французы и англичане видели мою счетную машину... с тех пор Ольденбург, Гюйгенс и Арно, сами или через своих друзей, побуждали меня издать описание этого искусного устройства, а я все откладывал это, потому что я сперва имел только маленькую модель этой машины, которая годится для демонстрации механику, но не для пользования. Теперь же с помощью собранных мною рабочих готова машина, позволяющая перемножать до двенадцати разрядов. Уже год, как я этого достиг, но рабочие еще при мне, чтобы можно было изготовить другие подобные машины, так как их требуют из разных мест" (стоит упомянуть, что по признанию самого Лейбница, работа над машиной обошлась ему в 24 000 талеров - огромную по тем временам сумму, если учесть, что годовая зарплата министра в немецком герцогстве или королевстве составляла 1000-2000 талеров.).

Интересно, что один из первых экземпляров "арифметического инструмента" конструкции 1694 г. Лейбниц намеревался подарить Петру I, но машина оказалась неисправной, а механик ученого не смог ее починить в короткий срок. Лейбница интересовал молодой царь далекой Московии, которого он считал выдающимся реформатором. Начиная с 1711 г. Лейбниц несколько раз встречался с Петром I, был принят на русскую службу в звании тайного советника юстиции и составил для русского правительства план организации Академии наук, а также ряд других проектов и докладных записок. "Я не принадлежу к числу тех, - писал Лейбниц Петру I, - которые питают страсть к своему отечеству или к какой-либо другой нации, мои помыслы направлены на благо всего человеческого рода... и мне приятнее сделать много добра у русских, чем мало у немцев..."

Лейбниц с полным основанием высоко отзывался о собственном изобретении. "Наконец я окончил свой арифметический прибор, - сообщал он в одном из писем Р. Вагнеру. - Подобного прибора до сих пор еще никто не видел, так как он чрезвычайно оригинален". Другому своему корреспонденту, Т. Бернету, он пишет: "Мне посчастливилось построить такую арифметическую машину, которая бесконечно отличается от машины Паскаля, так как моя машина дает возможность совершать умножение и деление над огромными числами мгновенно, притом не прибегая к последовательному сложению и вычитанию".

Упоминание машины Паскаля является не случайным, так как сначала Лейбниц пытался лишь улучшить машину великого француза, но понял, что для выполнения операций умножения и деления необходим совершенно новый принцип, который позволил бы:

обойтись одной установкой множимого;

вводить множимое в счетчик (т. е. получать кратные и их суммы) одним и тем же движением приводной ручки.

Лейбниц блестяще разрешил эту задачу, предложив использовать цилиндр, на боковой поверхности которого, параллельно образующей, расположено девять ступенек различной длины. Этот цилиндр впоследствии получил название "ступенчатого валика". Валик S насаживался на четырехгранную ось с нарезкой типа зубчатой рейки (рис. 1). Эта рейка входила в зацепление с десятизубым колесом E, по окружности которого были нанесены цифры 0, 1...9. Поворачивая это колесо так, чтобы в прорези крышки (не указанной на рисунке) появлялась та или другая цифра, перемещали ступенчатый валик параллельно оси зубчатого колеса F основного счетчика. Если теперь повернуть валик на 360 градусов, то в зацепление с колесом F войдут одна, две... наиболее длинные ступеньки, в зависимости от величины сдвига. Соответственно колесо F повернется на 0, 1...9 частей полного оборота; также повернется и связанный с ним цифровой диск или ролик R. Со следующим оборотом валика на счетчик вновь перенесется то же число.

Рис. 1. "Ступенчатый" валик Лейбница

"Арифметический инструмент" состоит из двух частей - неподвижной (Pars immobilis) и подвижной (Pars mobbilis)(одвижная часть машины впоследствии получила название каретки и стала непременной принадлежностью каждого механического (и электромеханического) арифмометра). В неподвижной части помещаются 12-разрядный основной счетчик и ступенчатые валики устройства ввода. Установочная часть этого устройства, состоящая из 8 малых цифровых кругов, расположена в подвижной части машины (рис. 2).

Рис. 2. Принцип действия арифмометра Лейбница

В центре каждого круга есть ось, на которую под крышкой машины насажено зубчатое колесо (колесо Е на рис. 1), а поверх крышки установлена стрелка, которая вращается вместе с осью. Конец стрелки может быть установлен против любой цифры круга.

Вспомогательный счетчик в машине Лейбница выполнен следующим образом.

В подвижной части расположено большое колесо (Rota Majuscula), которое состоит из трех частей: наружной, неподвижной части в виде кольца с десятью цифрами от 0 до 9, средней, вращающейся части кольца с десятью отверстиями, и внутренней, неподвижной части, где цифры от 0 до 9 расположены в обратном, нежели во внешнем кольце, порядке; между цифрами 0 и 9 внешнего кольца имеется такой же, как в машине Паскаля, упор, обращенный к центру колеса.

При повороте главного приводного колеса (Маgna Rota) среднее кольцо большого колеса поворачивается на одно деление по часовой стрелке. Если предварительно вставить штифт в отверстие этого кольца против, скажем, цифры 5 на внешнем кольце, то после пяти оборотов приводного кольца этот штифт наткнется на неподвижный упор и тем самым остановит вращение приводного колеса.

Заметим, что внешнее кольцо большого колеса используется при выполнении операции сложения и умножения, а внутреннее - при выполнении вычитания и деления.

Для сдвига 8-разрядного множимого подвижная часть вращением рукоятки К может смещаться влево (на рис. 2 она смещена влево на два разряда).

Внешний вид "арифметического инструмента" показан на рис. 3.

Рис. 3. Внешний вид арифмометра Лейбница

Машина Лейбница, несмотря на все остроумие ее изобретателя, не получила широкого распространения по двум причинам. Первая и основная заключалась в том, что в конце XVII - начале XVIII века не существовало сколько-нибудь устойчивого спроса на столь сложную и заведомо дорогую машину. Другая причина заключалась в некоторой неточности конструкции, в результате которой передача десятков в арифмометре не всегда происходила удовлетворительно.

Но основная идея Лейбница - идея ступенчатого валика - осталась действительной и плодотворной не только в XVIII, но и в XIX и даже в XX столетиях. На принципе ступенчатого валика был построен и арифмометр Томаса - первая в мире счетная машина, которая изготовлялась промышленно. Ее автором был Карл Ксавье Томас (1785-1870), уроженец городка Кольмар в Эльзасе. Получив в 1820 г. патент на свое изобретение, Томас сумел организовать производство машин: за первые 50 лет было продано около 1500 арифмометров.

Впоследствии арифмометр Томаса был усовершенствован многими изобретателями, в частности немцем Бурхгардтом (1884) и англичанином С. Тейтом (1903). Счетные машины, основанные на принципе "ступенчатого валика", длительное время выпускались в России (например, автоматический арифмометр ВММ-2 курского завода "Счетмаш").

Арифмометр (от греч. αριθμός - «число», «счёт» и греч. μέτρον - «мера», «измеритель») - настольная (или портативная) механическая вычислительная машина, предназначенная для точного умножения и деления, а также для сложения и вычитания.

Настольная или портативная: Чаще всего арифмометры были настольные или «наколенные» (как современные ноутбуки), изредка встречались карманные модели (Curta). Этим они отличались от больших напольных вычислительных машин, таких как табуляторы (Т-5М) или механические компьютеры (Z-1, Разностная машина Чарльза Бэббиджа).

Механическая: Числа вводятся в арифмометр, преобразуются и передаются пользователю (выводятся в окнах счётчиков или печатаются на ленте) с использованием только механических устройств. При этом арифмометр может использовать исключительно механический привод (то есть для работы на них надо постоянно крутить ручку. Этот примитивный вариант используется, например, в «Феликсе») или производить часть операций с использованием электромотора (Наиболее совершенные арифмометры - вычислительные автоматы, например «Facit CA1-13», почти при любой операции используют электромотор).

Точное вычисление: Арифмометры являются цифровыми (а не аналоговыми, как например логарифмическая линейка) устройствами. Поэтому результат вычисления не зависит от погрешности считывания и является абсолютно точным.

Умножение и деление: Арифмометры предназначены в первую очередь для умножения и деления. Поэтому почти у всех арифмометров есть устройство, отображающее количество сложений и вычитаний - счётчик оборотов (так как умножение и деление чаще всего реализовано как последовательное сложение и вычитание; подробнее - см. ниже).

Сложение и вычитание: Арифмометры могут выполнять сложение и вычитание. Но на примитивных рычажных моделях (например, на «Феликсе») эти операции выполняются очень медленно - быстрее, чем умножение и деление, но заметно медленнее, чем на простейших суммирующих машинах или даже вручную.

Не программируемый: При работе на арифмометре порядок действий всегда задаётся вручную - непосредственно перед каждой операцией следует нажать соответствующую клавишу или повернуть соответствующий рычаг. Это особенность арифмометра не включается в определение, так как программируемых аналогов арифмометров практически не существовало.

24.Идеи Чарльза Бэббиджа

Ра́зностная маши́на Чарльза Бэббиджа - механический аппарат, изобретённый английским математиком Чарльзом Бэббиджем, предназначенный для автоматизации вычислений путём аппроксимации функций многочленами и вычисления конечных разностей. Возможность приближённого представления в многочленах логарифмов и тригонометрических функций позволяет рассматривать эту машину как довольно универсальный вычислительный прибор.

Первая идея разностной машины была выдвинута немецким инженером Иоганном Мюллером в книге, изданной в 1788 году.

Однако, Чарльз Бэббидж почерпнул идею для своего проекта не у Мюллера, а из работ Гаспара де Прони, занимавшего должность руководителя бюро переписи при французском правительстве с 1790 по 1800 год.

Прони, которому было поручено выверить и улучшить логарифмические тригонометрические таблицы для подготовки к введению метрической системы, предложил распределить работу по трём уровням. На верхнем уровне группа крупных математиков занималась выводом математических выражений, пригодных для численных расчётов. Вторая группа вычисляла значения функций для аргументов, отстоящих друг от друга на пять или десять интервалов. Подсчитанные значения входили в таблицу в качестве опорных. После этого формулы отправляли третьей, наиболее многочисленной группе, члены которой проводили рутинные расчёты и именовались «вычислителями». От них требовалось только аккуратно складывать и вычитать в последовательности, определённой формулами, полученными от второй группы.

Работы де Прони (так и не законченные ввиду революционного времени), с которыми Бэббидж познакомился, находясь во Франции, навели Бэббиджа на мысль о возможности создания машины, способной заменить третью группу - вычислителей. В 1822 году Бэббидж опубликовал статью с описанием такой машины, а вскоре приступил к её практическому созданию. Как математику, Бэббиджу был известен метод аппроксимации функций многочленами и вычислением конечных разностей. С целью автоматизации этого процесса он начал проектировать машину, которая так и называлась - разностная. Эта машина должна была уметь вычислять значения многочленов до шестой степени с точностью до 18-го знака.

В том же 1822 году Бэббиджем была построена модель разностной машины, состоящая из валиков и шестерней, вращаемых вручную при помощи специального рычага. Заручившись поддержкой Королевского общества, посчитавшего его работу «в высшей степени достойной общественной поддержки», Бэббидж обратился к правительству Великобритании с просьбой о финансировании полномасштабной разработки. В 1823 году правительство Великобритании предоставило ему субсидию в размере 1500 фунтов стерлингов (общая сумма правительственных субсидий, полученных Бэббиджем на реализацию проекта, составила в конечном счёте 17 000 фунтов стерлингов).

Разрабатывая машину, Бэббидж и не представлял всех трудностей, связанных с её реализацией, и не только не уложился в обещанные три года, но и спустя девять лет вынужден был приостановить свою работу. Однако часть машины все же начала функционировать и производила вычисления даже с большей точностью, чем ожидалось.

Копия разностной машины в лондонском Музее науки

Конструкция разностной машины основывалась на использовании десятичной системы счисления. Механизм приводился в действие специальными рукоятками. Когда финансирование создания разностной машины прекратилось, Бэббидж занялся проектированием гораздо более общей аналитической машины, но затем всё-таки вернулся к первоначальной разработке. Улучшенный проект, над которым он работал между 1847 и 1849 годами, носил название «Разностная машина № 2» (англ. Difference Engine No.

Были построены два прототипа машины Лейбница. Сегодня только одна из них находится в Национальной библиотеке Нижней Саксонии (Нидерландская Landesbibliothek) в Ганновере, Германия. Несколько более поздние образцы демонстрируются, например, в Немецком музее в Мюнхене. Несмотря на механические недостатки ступенчатого счетчика, он подарил возможности будущим строителям калькуляторов. Действующий механизм, изобретенный Лейбницем, называемый ступенчатым цилиндром или колесом Лейбница, использовался на многих вычислительных машинах в течение 200 лет, а в 1970-е был заменен ручным калькулятором Курта. Год создания машины Лейбница - 1673-й.

Колесо Лейбница

Колесо или ступенчатый барабан представляет собой цилиндр с набором зубцов инкрементных длин, которые при соединении со счетным колесом могут использоваться в вычислительном двигателе класса механических калькуляторов. Изобретенный Лейбницем в 1673 году, он использовался в течение трех столетий до появления электронного калькулятора в середине 1970-х годов.

Лейбниц построил машину, названную ступенчатым реконером (или машиной Лейбница), на основе конструкции ступенчатого барабана в 1694-м. Он был широко прославлен Томасом де Кольмаром, когда он использовал его спустя полтора века в своем арифмометре, первой серийной вычислительной машине. Он также использовался в калькуляторе Курта, очень популярном портативном калькуляторе, представленном во второй половине 20-го века.

Если соединить колесо Лейбница со счетным колесом, свободным для перемещения вверх и вниз по его длине, счетное колесо может зацепляться с любым количеством зубов. Фото машины Лейбница вы можете увидеть в этой статье. Многие энтузиасты пытаются воссоздать это чудо 17-го века в домашних условиях, используя подручные материалы.

Машина Лейбница: принцип работы

Этот примитивный калькулятор обладал девятью зубцами, соединенными с красным счетным колесом.

В вычислительном устройстве арифмометра имеется набор связанных колес, соединенных с рукояткой кривошипа. Каждый поворот рукоятки кривошипа поворачивает все колеса на один полный оборот. Входные ползунки перемещают подсчетные колеса вверх и вниз по колесам, которые сами связаны механизмом переноса.

Начиная с конца девятнадцатого века барабаны Лейбница, извлеченные из этого механизма и используемые во всех прото-калькуляторах, были частично вытеснены штифтами, которые по своей функции похожи, но обладали более компактным видом. Ступенчатые барабаны оставались основной технологией для электромеханических калькуляторов до разработки чисто электронных аналогов в прошлом веке.

Счетная машина была создана на базе механизма, который изобрел Лейбниц и который теперь называется машиной Лейбница. Неясно, сколько было сделано разных экземпляров этого первого в мире калькулятора. Некоторые источники утверждают, что их было 12. В этом статье описывается сохранившийся 16-значный прототип, хранящийся в Ганновере.

Описание

Машина имеет длину около 67 см (26 дюймов), выполнена из полированной латуни и стали, смонтирована в дубовом корпусе. Она состоит из двух прикрепленных параллельных частей. Секция аккумулятора находилась сзади, клавиатура вмещала 16 десятичных цифр и 8-разрядную секцию ввода спереди.

Секция ввода имеет 8 наборов с кнопками для установки номера операнда, телефонный диск справа, чтобы установить цифру множителя, и кривошип на передней панели для выполнения расчета. Результат исчисления появлялся в 16-значном окошке задней части аккумулятора.

Секция ввода монтируется на рельсах и может перемещаться вдоль аккумуляторной секции с помощью кривошипа на левом конце, который вращает червячную шестерню, чтобы изменить выравнивание цифр операндов с помощью цифр аккумулятора.

Существует также индикатор переноса с десятками и элемент управления для установки нолей при расчетах.

Сложение и вычитание

Сложение или вычитание выполняется за один шаг с поворотом рукоятки. Умножение и деление выполняются с помощью клавиш умножителя или делителя в процедуре, эквивалентной знакомым методам длительного умножения и длительного разделения, которые преподаются в школе. Последовательности этих операций могут выполняться по числу в аккумуляторе: например, он может вычислять корни с помощью серии разделов и дополнений. Для своего времени счетная машина Лейбница была очень прогрессивным механизмом. Ее компоненты, как уже писалось выше, использовались в механических калькуляторах на протяжении целых 300 лет, что кажется совершенно невероятным.

История

Лейбниц разработал идею вычислительной машины в 1672 году в Париже благодаря шагомеру. Позже он узнал о машине Блеза Паскаля, когда прочитал его трактат Pensees. Он сосредоточился на расширении механизма Паскаля, чтобы он мог умножать и делить. 1 февраля 1673 года он представил деревянную модель Лондонскому королевскому обществу и получил большую поддержку. В письме от 26 марта 1673 года Иоганну Фридриху, где он упомянул о представлении в Лондоне, Лейбниц описал цель «арифметической машины» как составление расчетов leicht, geschwind, gewiß, то есть легко, быстро и точно. Лейбниц также добавил, что теоретически рассчитанные числа могут быть еще большими, если бы размер машины был как следует скорректирован. Первая предварительная латунная машина Готфрида Лейбница была построена между 1674 и 1685 годами. Его так называемая старая машина была построена между 1686 и 1694 гг. «Более молодая машина», сохранившаяся до наших времен и выставленная в Ганновере, была построена с 1690 по 1720 год.

В 1775 году «младшая машина» была отправлена ​​в Геттингенский университет для ремонта и забыта. В 1876 году рабочие нашли ее в мансарде университетского здания в Геттингене. Она была возвращена в Ганновер в 1880 году. С 1894 по 1896 год Артур Буркхардт, основатель крупной немецкой калькуляторной компании, восстановил ее.

Функционал

Машина выполняет умножение путем повторного добавления и деление путем повторного вычитания. Основная выполняемая операция заключается в том, чтобы добавить (или вычесть) номер операнда в регистр накопителя столько раз, сколько требуется (чтобы вычесть, рабочий кривошип поворачивается в противоположном направлении). Количество дополнений (или вычитаний) контролируется множителем. Он работает, как телефонный диск, с десятью отверстиями по окружности с номерами от 0 до 9. Чтобы умножить на одну цифру, в соответствующее отверстие на циферблате вставлен стилус в форме ручки, а кривошип повернут. Циферблат мультипликатора поворачивается по часовой стрелке, машина выполняет одно добавление для каждого отверстия, пока стилус не остановится в верхней части циферблата. Результат появляется в окнах накопителя.

Повторные вычитания выполняются аналогично, за исключением того, что множительный циферблат поворачивается в противоположном направлении, поэтому используется второй набор цифр, выделенный красным цветом. Чтобы выполнить одно сложение или вычитание, множитель просто устанавливается на единицу. Как можно понять, вычислительная машина Лейбница была крайне удобной для своего времени.

Сложное умножение

1. Множитель устанавливается в циклы операндов.
2. Первая (наименее значимая) цифра множителя устанавливается в циферблат множителя, как это описано выше, и кривошип поворачивается, умножая операнд на эту цифру и помещая результат в окно накопителя.
3. Секция ввода сдвигается на одну цифру влево с помощью концевого кривошипа.
4. Следующая цифра умножителя устанавливается в циферблат множителя, а кривошип снова поворачивается, умножая операнд на эту цифру и добавляя результат к окну.
5. Вышеуказанные 2 шага повторяются для каждой цифры умножителя. В конце результат появляется в окнах.
6. Таким образом, операнд может быть умножен на любое большое число, которое требуется человеку, хотя результат ограничен емкостью окон накопителя.

Деление

Операция деления на машине Лейбница проводится несколько иным способом:

1. Дивиденд устанавливается в накопитель, а делитель устанавливается в циклы операндов.
2. Секция ввода перемещается с помощью концевого кривошипа до тех пор, пока левая и правая цифры этих двух номеров не выстроятся в линию.
3. Кривошип операции поворачивается, и делитель вычитается из аккумулятора несколько раз, пока левая (самая значительная) цифра результата не будет равняться нолю.
4. Число, отображаемое на циферблате множителя, - это первая цифра желаемого результата.
5. Секция ввода сдвигается на одну цифру.
6. Вышеупомянутые два шага повторяются, чтобы получить каждую цифру нужного результата, пока входная каретка не достигнет правого конца аккумулятора.
7. Можно видеть, что эти процедуры являются просто механизированными версиями длинного разделения и умножения.

Калькулятор Паскаля

Калькулятор Паскаля (также известный как арифметическая машина или "Паскалина") - это механический калькулятор, изобретенный Блезом Паскалем в начале 17-го века. Паскалю было предложено разработать калькулятор для трудоемких арифметических расчетов, необходимых для работы в качестве руководителя налоговой службы в Руане. Он разработал машину для добавления и вычитания двух чисел непосредственно и для выполнения умножения и деления путем повторного сложения или вычитания.

Калькулятор Паскаля был особенно успешным в части механизма переноса, который добавляет от 1 до 9 на одном циферблате, а когда он меняется от 9 до 0, переносит 1 в следующую таблицу, находящуюся рядом. Паскаль был первым ученым, который переработал и адаптировал для своей цели фонарный механизм, используемый в башенных часах и водяных колесах. Арифметическая машина Лейбница в известной степени стала продолжением идеи Паскаля, и его опыт был изучен и использован немецким ученым для создания собственного механического шедевра.