Diferenciální analyzátor - Differential analyser

Tento článek je o analogových diferenciálních analyzátorech. Pokud jde o digitální implementaci, viz Digitální diferenciální analyzátor.
Integrátor kuliček a disků pro studium přílivy a odlivy.

The diferenciální analyzátor je mechanický analogový počítač navržen k řešení diferenciální rovnice podle integrace pomocí mechanismu kola a disku k provedení integrace.[1] Bylo to jedno z prvních pokročilých výpočetních zařízení, které bylo možné provozně používat.[2]Původní stroje nemohly přidat, ale pak si všimli, že pokud jsou otočena dvě kola zadního diferenciálu, hnací hřídel vypočítá průměr levého a pravého kola. Jednoduchý převodový poměr 1: 2 poté umožňuje násobení dvěma, takže je dosaženo sčítání (a odčítání). Násobení je jen speciální případ integrace, a to integrace a konstantní funkce.[3]

Dějiny

Kay McNulty Alyse Snyder a Sis Stump provozují diferenciální analyzátor v suterénu Mooreova škola elektrotechniky, University of Pennsylvania, Philadelphia, Pensylvánie, c. 1942–1945.
Diferenciální analyzátor na NACA Laboratoř letového pohonu Lewis, 1951

Výzkum řešení diferenciálních rovnic pomocí mechanických zařízení, diskontování planimetry, začal přinejmenším již v roce 1836, kdy francouzský fyzik Gaspard-Gustave Coriolis navrhl mechanické zařízení k integraci diferenciální rovnice prvního řádu.[4]

První popis zařízení, které mohlo integrovat diferenciální rovnice jakéhokoli řádu, byl publikován v roce 1876 autorem James Thomson, který se narodil v Belfast v roce 1822, ale žil v Skotsko od 10 let.[5] Ačkoli Thomson nazval své zařízení „integračním strojem“, jedná se o jeho popis zařízení, spolu s další publikací v roce 1876 o dvou dalších popisech jeho mladšího bratra, Lord Kelvin, který představuje vynález diferenciálního analyzátoru.[6]

Jedním z prvních praktických použití Thomsonových konceptů bylo a stroj na předpovídání přílivu a odlivu postavený Kelvinem od 1872-3. Na radu lorda Kelvina byl Thomsonův integrační stroj později začleněn do systém řízení palby pro námořní dělostřelbu vyvíjenou Arthur Pollen, což vedlo k elektricky poháněnému mechanickému analogovému počítači, který byl dokončen kolem roku 1912.[7] Italský matematik Ernesto Pascal také vyvinut integraphs pro mechanickou integraci diferenciálních rovnic a zveřejněné podrobnosti v roce 1914.[8]

První široce praktický univerzální diferenciální analyzátor byl však sestrojen Harold Locke Hazen a Vannevar Bush na MIT, 1928–1931, obsahující šest mechanických integrátorů.[9][10][11] Ve stejném roce Bush popsal tento stroj v článku v deníku jako „kontinuální integraph ".[12] Když v roce 1931 publikoval další článek o zařízení, nazval jej „diferenciálním analyzátorem“.[13] V tomto článku Bush uvedl, že „současné zařízení obsahuje stejnou základní myšlenku propojení integračních jednotek jako [lord Kelvin]. Podrobně se však dřívější model velmi podobá.“ Podle své autobiografie z roku 1970 Bush „nevěděl o Kelvinově práci, dokud nebyl v provozu první diferenciální analyzátor“.[14] Claude Shannon byl najat jako výzkumný asistent v roce 1936, aby provozoval diferenciální analyzátor v Bushově laboratoři.[15]

Douglas Hartree z Manchester University přinesl Bushův design do Anglie, kde postavil svůj první "ověření konceptu „model se svým studentem Arthurem Porterem v průběhu roku 1934. V důsledku toho univerzita získala v březnu 1935 stroj ve velkém měřítku se čtyřmi mechanickými integrátory, který postavil Metropolitan-Vickers, a byl podle Hartreeho „[prvním strojem svého druhu v provozu mimo USA“.[16] Během příštích pěti let byly přidány další tři, v Cambridge University, Queen's University Belfast a Royal Aircraft Establishment ve Farnborough.[17] Jeden z integrátorů z tohoto dokladu o konceptu je k vidění v části Historie výpočetní techniky Muzeum vědy v Londýně, vedle kompletního manchesterského stroje.

v Norsko, místně postavený Oslo Analyzer byla dokončena v roce 1938 na základě stejných principů jako stroj MIT. Tento stroj měl 12 integrátorů a byl největším analyzátorem postaveným po dobu čtyř let.[18]

Ve Spojených státech byly na diferenciálním analyzátoru vyrobeny další diferenciální analyzátory Balistická výzkumná laboratoř v Maryland a v suterénu Mooreovy školy elektrotechniky na Pensylvánské univerzitě na počátku 40. let.[19] Posledně jmenovaný byl značně používán při výpočtu dělostřelectvo vypalovací stoly před vynálezem ENIAC, který byl v mnoha ohledech modelován na diferenciálním analyzátoru.[20] Také na počátku 40. let, s Samuel H. Caldwell, jeden z počátečních přispěvatelů na počátku 30. let, se Bush pokusil o elektrickou, nikoli mechanickou variantu, ale digitální počítač postavený jinde měl mnohem větší slib a projekt přestal.[21] V roce 1947 UCLA nainstaloval diferenciální analyzátor, který pro ně vytvořil General Electric za cenu 125 000 $.[22] Do roku 1950 se k tomuto stroji přidaly další tři.[23] UCLA diferenciální analyzátor se objevil v roce 1951 Když se světy srazí, kde se tomu říkalo „DA“.

Počáteční datování počítačem a plotrem do roku 1944, řešení složitých rovnic opět po 70 letech.[24]

Na Osaka Imperial University (současnost Osaka University ) kolem roku 1944 byl vyvinut (ilustrován) kompletní diferenciální analyzátor pro výpočet pohybu objektu a dalších problémů s mechanickými součástmi a poté perem kreslil grafy na papír. Později byl převeden do Tokijská univerzita vědy a byl vystaven ve školním Muzeu vědy v Shinjuku Ward. V roce 2014 byl obnoven jeden z pouhých dvou stále funkčních diferenciálních analyzátorů vyrobených před koncem druhé světové války.[24]

V Kanadě byl na University of Toronto v roce 1948 Beatrice Helen Worsley, ale zdá se, že to mělo jen malé nebo žádné využití.[25]

Při vývoji systému mohl být použit diferenciální analyzátor skákací bomba, který se používá k útoku Němec vodní přehrady v době druhá světová válka.[26] Diferenciální analyzátory byly také použity při výpočtu eroze půdy orgány říční kontroly.[27]

Diferenciální analyzátor byl nakonec znehodnocen elektronické analogové počítače a později digitální počítače.

Použití Meccano

MOTAT Meccano diferenciální analyzátor používaný v Cambridge University Mathematics Laboratory, c. 1937. Osoba na pravé straně je Dr. Maurice Wilkes, který to měl v té době na starosti

Modelový diferenciální analyzátor postavený na Manchester University v roce 1934 Douglasem Hartree a Arthurem Porterem široce využívali Meccano části: to znamenalo, že výroba stroje byla méně nákladná a ukázalo se, že je „dostatečně přesná pro řešení mnoha vědeckých problémů“.[28] Podobný stroj postavený J.B.Brattem na univerzitě v Cambridge v roce 1935 je nyní v Muzeum dopravy a technologie (MOTAT) kolekce v Auckland, Nový Zéland.[28] Memorandum napsané pro britské vojenské oddělení pro výzkum výzbroje v roce 1944 popisuje, jak byl tento stroj během druhé světové války upraven pro lepší spolehlivost a lepší schopnosti, a identifikuje jeho válečné aplikace jako výzkum toku tepla, detonace výbušnin a simulace přenosové linky.[29]

V roce 1948 tento stroj koupil profesor Harry velryba z Aucklandu za 100 liber šterlinků, a poté jej odnesl do Aucklandu k použití v Seagrave Radio Research Center.[30]

Odhaduje se, že „asi 15 modelů diferenciálních analyzátorů Meccano bylo vyrobeno pro seriózní práci vědců a vědců z celého světa“.[31] V poslední době se stavba diferenciálních analyzátorů s částmi Meccano stala populárním projektem mezi vážnými fanoušky Meccano. Příkladem je vestavěný diferenciální analyzátor Marshallova univerzita, který se nyní používá pro vzdělávací účely, spočívá v tom, že student nejen vyřeší diferenciální rovnici, ale také se stane „kalkulačkou“ ovládáním stroje, a tím rozvíjí lepší pochopení toho, co je to diferenciální rovnice.[32]

Viz také

Poznámky

  1. ^ Irwin, William (červenec 2009). „Vysvětlení diferenciálního analyzátoru“. Auckland Meccano Guild. Citováno 2010-07-21.
  2. ^ „Vynález moderního počítače“. Encyklopedie Britannica. www.britannica.com. Citováno 2010-07-26.
  3. ^ John von Neumann, Počítač a mozek„Part 1, p.3, Yale University Press, The Silliman Memorial Lectures Series, 1958
  4. ^ Coriolis, Gaspard-Gustave (1836). „Note sur un moyen de tracer des courbes données par des équations différentielles“. Journal de Mathématiques Pures et Appliquées. řada I 1 (ve francouzštině): 5–9.
  5. ^ Thomson, James (1876). „Integrační stroj s novým kinematickým principem“. Sborník Královské společnosti. 24 (164–170): 262–5. doi:10.1098 / rspl.1875.0033. Přetištěno Thomson, James (1912). Joseph Larmor a James Thomson (ed.). Shromážděné články z fyziky a inženýrství od Jamese Thomsona. Cambridge University Press. s. xvii, 452–7. ISBN  0-404-06422-1.
  6. ^ Hartree, D.R. (Září 1940). "Bushův diferenciální analyzátor a jeho důsledky". Příroda. 146 (3697): 319. doi:10.1038 / 146319a0.. Popis lorda Kelvina: Thomson, William (1876). "Mechanická integrace lineárních diferenciálních rovnic druhého řádu s proměnnými koeficienty". Sborník Královské společnosti. 24 (164–170): 269–71. doi:10.1098 / rspl.1875.0035. Thomson, William (1876). „Mechanická integrace obecné lineární diferenciální rovnice jakéhokoli řádu s proměnnými koeficienty“. Sborník Královské společnosti. 24 (164–170): 271–5. doi:10.1098 / rspl.1875.0036.
  7. ^ Pollen, Anthony (1980). The Great Gunnery Scandal - The Mystery of Jutland. Collins. str. 23. ISBN  0-00-216298-9.
  8. ^ Pascal, Ernesto (1914). Miei Integrafi per Equazioni Differenziali (v italštině). Neapol: B. Pellerano. Viz také Integraph.
  9. ^ Karl L. Wildes a Nilo A. Lindgren, Století elektrotechniky a informatiky na MIT, 1882-1982 (Cambridge, Massachusetts: MIT Press, 1985), stránky 90-92.
  10. ^ Robinson, Tim (červen 2005). „Meccano Set Computers Historie diferenciálních analyzátorů vyrobených z dětských hraček“. Časopis IEEE Control Systems. 25 (3): 74–83. doi:10.1109 / MCS.2005.1432602.. Hartree, D.R. (Září 1940), op. cit.
  11. ^ Bushův diferenciální analyzátor používal mechanické integrátory. Výstup každého integrátora byl určen k pohonu dalších částí stroje; výstup však byl příliš slabý na to, aby to udělal. Hazen uznal, že k zajištění potřebné energie lze použít „zesilovač točivého momentu“, který vynalezl v roce 1925 Henry W. Nieman a který měl pracovníkům umožnit ovládání těžkých strojů. Viz: Stuart Bennett, Historie řídicí techniky 1930-1955 (Londýn, Anglie: Peter Peregrinus Ltd., 1993), strana 103. Viz také americké patenty společnosti Nieman: (1) "Servo mechanism", US patent č. 1751165 (podáno: 28. ledna 1925; vydáno: 25. března 1930); (2) "Servo mechanism", US patent č. 1751167 (podáno: 8. ledna 1926; vydáno: 25. března 1930); (3) "Synchronní zesilovací řídící mechanismus", US patent č. 1,751,652 (podáno: 8. ledna 1926; vydáno: 25. března 1930).
  12. ^ Bush, V.; Gage, F.D .; Stewart, HR (leden 1927). "Kontinuální integraph". Journal of the Franklin Institute. 203 (1): 63–84. doi:10.1016 / S0016-0032 (27) 90097-0..
  13. ^ Bush, V. (říjen 1931). "Diferenciální analyzátor. Nový stroj pro řešení diferenciálních rovnic". Journal of the Franklin Institute. 212 (4): 447–488. doi:10.1016 / S0016-0032 (31) 90616-9..
  14. ^ Robinson, Tim (červen 2005), op. cit., citovat Bush, Vannevar (1970). "Kousky akce". New York NY: Zítra. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc).
  15. ^ Gleick, James (2011). Informace: Historie, teorie, potopa (ebook). Patheon. str. 342/1102. ISBN  978-0-00-742311-8.
  16. ^ Robinson, Tim (červen 2005), op. cit., Hartree, D.R. (Září 1940), op. cit. Hartree a Porter napsali o modelu ve své práci "Konstrukce a provoz modelového diferenciálního analyzátoru". Monografie a sborník Manchester Literary & Philosophical Society. 79: 51–74. 1935..
  17. ^ Robinson, Tim (07.12.2005). „Jiné diferenciální analyzátory“. Web společnosti Tim Robinson's Meccano Computing Machinery. Citováno 2010-07-24. Zahrnuje souhrny „Meccano Differential Analyzers“ a „Full Scale Differential Analyzers“.
  18. ^ Holst, P.A. (Říjen – prosinec 1996). „Svein Rosseland a analyzátor v Oslu“. IEEE Annals of the History of Computing. 18 (4): 16–26. doi:10.1109/85.539912.
  19. ^ Randell, Brian (vyd.), Počátky vybraných digitálních počítačů (3. vydání, 1982), Berlín, Heidelberg, New York: Springer-Verlag. str. 297. Knihy Google. Vyvolány 25 July 2010.
  20. ^ Bunch, B. & Hellemans, A., Historie vědy a technologie: Průvodce prohlížečem k velkým objevům, vynálezům a lidem, kteří je vytvořili, od úsvitu času až po dnešek (2004), New York: Houghton Mifflin, str. 535. Knihy Google. Vyvolány 25 July 2010.
  21. ^ Randell, Brian (Říjen 1982). „Od analytického motoru k elektronickému digitálnímu počítači: příspěvky Ludgate, Torres a Bushe“ (PDF). IEEE Annals of the History of Computing. IEEE Computer Society. 4 (4): 327–41. doi:10.1109 / MAHC.1982.10042. Archivovány od originál (PDF) dne 21. 9. 2013. Citováno 2010-07-25.
  22. ^ „Analyzátor Bush UCLA odchází do společnosti Smithsonian“ (Zprávy Google). Computerworld. 1978-01-09. Citováno 2010-07-22.
  23. ^ „Myslící stroj“. UCLA Engineering. Archivovány od originál dne 10.7.2010. Citováno 2010-07-22.
  24. ^ A b Hisatoshi Kabata (2014), „Časné datování počítače do roku 1944, které po dlouhém restartu znovu vyřešilo složité rovnice'", Asahi Shimbun / Technologie, archivovány z originál dne 04.03.2016
  25. ^ Campbell, Scott M. (říjen – prosinec 2003). „Beatrice Helen Worsley: kanadská počítačová průkopnice“ (PDF). IEEE Annals of the History of Computing. IEEE Computer Society. 25 (4): 53–4. doi:10.1109 / MAHC.2003.1253890. Citováno 2010-07-24. [Worsleyho] výzkum navrhl Samuel H. Caldwell z elektrotechnického oddělení MIT, který pomohl Vannevarovi Bushovi navrhnout nedávné analyzátory. … Během šesti týdnů v létě 1948 Worsley zkonstruoval diferenciální analyzátor pomocí Meccana…, založený na článku Douglase Hartreeho a Arthura Portera z roku 1935. Analyzátor, který byl vyroben z Meccana v hodnotě přibližně 75 USD, byl minimálně upraven oproti původnímu designu, ale nabídl mírná vylepšení systému distribuce elektrické energie, designu momentových zesilovačů a podpory výstupního pera. Bohužel neexistují žádné informace o tom, k jakému použití, pokud vůbec, byl analyzátor uveden, nebo proč jej Worsley postavil Další informace o Beatrice Worsleyové viz UTEC.
  26. ^ Irwin, William (2009-07). Op. cit. „Říká se, že diferenciální analyzátor byl použit při vývoji„ skákací bomby “Barnesem Wallisem pro útok„ Dam Busters “na vodní přehrady v Porúří v druhé světové válce. MOTAT [Novozélandská] literatura v roce 1973. Po rozsáhlých dotazech a rešerších literatury v posledních několika letech však nelze najít žádný důkaz, že [diferenciální analyzátor v držení MOTAT K tomuto účelu nebyl použit žádný jiný diferenciální analyzátor. S ohledem na tajemství obklopující válečné aktivity v té době to ještě bylo možné, ale většina lidí z té doby je nyní zesnulá. Byly konzultovány dvě zbývající osobnosti z té doby ještě živé, jmenovitě Arthur Porter a Maurice Wilkes, ale ani jeden nemohl tuto pověst potvrdit. “
  27. ^ Hally, Mike (2005), Electronic Brains: Stories from the Dawn of the Computer Age, Granta, s. xx, ISBN  9781862076631.
  28. ^ A b (Hartree a Porter 1934–1935 ),„Diferenciální analyzátor“. Auckland Meccano Guild. Citováno 2010-07-21.
  29. ^ Cairns, W. J., Crank, J., & Lloyd, E. C. Některá vylepšení v konstrukci malého diferenciálního analyzátoru a přehled posledních aplikací, Výzbroj Oddělení pro teoretický výzkum Memo. 27/44, 1944 (viz Robinson, Tim (06.06.2008). "Bibliografie". Web společnosti Tim Robinson's Meccano Computing Machinery. Citováno 2010-07-26.). Memorandum je nyní v platnosti Národní archiv, SPOJENÉ KRÁLOVSTVÍ:"Kusová reference DEFE 15/751". Národní archiv. Citováno 2010-07-26. „Oddělení výzkumu výzbroje“ viz Fort Halstead a srov. položka pro rok 1944 v "MO historie inovací" (PDF). Ploughshare Innovations Ltd.. Citováno 2010-07-26.
  30. ^ Robinson, Tim (červen 2005), op. cit.: Robinson uvádí, že „[Prof. Velryba] dříve používal model Meccano ve svých doktorských studiích“. „Diferenciální analyzátor“. NZMuzea. Citováno 2010-07-21. „Počítač Meccano„ Dam Busters “hraje na MOTATu“. computerworld.co.nz. 2007-07-16. Archivovány od originál dne 2007-08-17. Citováno 2007-07-17. (Pozn: Computerworld (NZ) odkazy na „Dam Busters“ a „Přehrada Benmore Hydro Dam „jsou nepodložené) "2.2. Analogový výpočet" (php). Zobrazení historie výpočtů: Časová osa historie počítače - předchůdci počítačů. University of Auckland Department of Computer Science. Citováno 2010-07-25.
  31. ^ Irwin, William (2009-07). Op. cit. „Odhaduje se Garry Tee z Aucklandské univerzity, že pro vážnou práci vědců a vědců z celého světa bylo vyrobeno asi 15 modelů diferenciálních analyzátorů modelu Meccano.“ Pro Garry Tee, viz "Zobrazení historie výpočtů: Displeje" (php). University of Auckland. Citováno 2010-07-22.
  32. ^ "Slavnostní otevření diferenciálního analyzátoru MU". Marshallova univerzita. Archivovány od originál dne 06.06.2010. Citováno 2010-07-22.

Bibliografie

externí odkazy