Бизенц Торра - Том 15. От абака к цифровой революции. Алгоритмы и вычисления

• Название: Том 15. От абака к цифровой революции. Алгоритмы и вычисления
• Автор: Бизенц Торра
• Издательство: «Де Агостини»
• Жанр: Математика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-9774-0710-6

Алгоритмы управляют работой окружающих нас электронных устройств, благодаря которым становится возможным существование нашего удивительного цифрового мира.

По сути, компьютерная программа — не более чем алгоритм, составленный на языке, понятном компьютеру. Однако царствование алгоритмов в вычислительной технике — лишь краткий эпизод долгой и интересной истории, которая началась вместе с зарождением вычислений. В этой книге рассказывается история алгоритмов, а также описываются важнейшие особенности вычислений и вычислительной техники, начиная от первых счетных палочек и заканчивая компьютерами, без которых невозможно представить современный мир.

---

Папирус Эберса (слева), датируемый XVI веком до н. э. Он содержит медицинский текст и является примером иератического письма. В отличие от него Розеттский камень, датируемый II веком до н. э., содержит три типа письма: иероглифическое, демотическое и греческое.

В демотическом письме была решена проблема исходной египетской нотации, в которой каждая степень 10 обозначалась отдельным символом, поэтому для записи, например, числа 9 требовалось девять раз записать символ единицы, для записи числа 99 — девять раз записать символ десятки и девять раз — символ единицы. В демотическом письме были введены отдельные символы для чисел от 1 до 9, для десятков от 10 до 90, аналогично для остальных степеней десяти. Для представления чисел требовалось запоминать соответствующие символы. Может показаться, что запомнить столько символов было непросто, но это не было чем-то непривычным для египетских математиков. Например, для записи сумм и разностей в папирусе Ахмеса используются изображения камней на разных позициях.

Греция

Фундаментом греческой математики были вавилонская и египетская математика. Математические методы, созданные египтянами, попали в Грецию благодаря торговле, достигшей расцвета в период между 700 и 600 годом до н. э. Это был золотой век обмена знаниями, когда многие греческие математики совершали путешествия в Египет, чтобы познать секреты тысячелетней мудрости.

Возможно, под влиянием Египта греческие математики проявляли особый интерес к геометрии. В итоге они не просто дополнили геометрию, а вывели ее на принципиально иной уровень. Как и в других областях знания, греки придали математике строгость и абстрактный характер, сделав ее наукой в современном смысле этого слова. В Древнем Египте математические свойства не доказывались: за основу брались конкретные примеры, а свойства выводились из практических наблюдений.

Греки, напротив, стремились найти причину каждого явления и доказать математические свойства, исходя из аксиом. Египтяне искали решения практических задач, а греки обожали знание ради самого знания и занимались математикой не потому, что она была полезной для чего-либо.

С другой стороны, влияние вавилонян прослеживается в греческой астрономии. Именно через Древнюю Грецию вавилонская шестидесятеричная система дошла до наших дней. Слова «минута» и «секунда» имеют греческое происхождение, но в современные языки они попали из латыни. Они впервые упоминаются в источнике XIII века, где одна шестидесятая часть обозначалась как «первая меньшая часть», шестидесятая часть от шестидесятой части — «вторая меньшая часть» и так далее. На латыни эти фразы звучат как pars minuta prima, pars minuta secunda и так далее. Так появились знакомые нам слова «минута» и «секунда». Следует заметить, что в действительности эти слова дошли до наших дней несколько более сложным путем. Латинский текст XIII века был переведен не с греческого, а с арабского подстрочника исходного греческого текста. И снова мы видим, что наследие Античной Греции стало известно западной цивилизации благодаря арабам, бережно охранявшим его на протяжении веков.

Греческая система счисления появилась около 500 года до н. э. в Ионии и была схожа с египетской иератической системой. Например, числа от 1 до 9 обозначались отдельными символами; десяткам от 10 до 90 и сотням от 100 до 900 также соответствовали отдельные символы. В качестве символов использовались буквы греческого алфавита и три буквы финикийского алфавита: дигамма (обозначавшая 6), коппа (обозначавшая 90) и сампи (обозначавшая 900).

С помощью греческих символов можно было записать любое число от 1 до 999.

Для записи тысяч использовались те же символы, перед которыми ставилась запятая. Так, выражение «α» обозначало 1000, «β» — 2000 и так далее. Эта система счисления, как и египетская, была аддитивной; таким образом, число ρκε обозначало 125, так как ρκε = ρ + κ + ε = 100 + 20 + 5. В следующей таблице приведены буквы, соответствующие основным числам.

Для представления чисел, кратных 10000, вплоть до 99990000, использовалась буква М: перед ней записывалось число, которое затем умножалось на 10000.

Буква М обозначала 10000 и происходила от слова «мириада» (греч. myriás — μυριασος), означавшего «сто сотен». В альтернативной записи буквы записывались над буквой М. Например,

а также

Для записи еще больших чисел использовались две буквы М, означавшие 10 0002.

В египетской нотации порядок следования цифр не имел значения, однако в греческой нотации цифры записывались слева направо, как при письме. Цифры, записанные слева, имели больший «вес». Благодаря этому стало возможным отказаться от запятых: они не записывались, если значение числа можно было однозначно понять без них. Однако числа записывались буквами, поэтому иногда их было непросто отличить от обычного текста. Для этого греки ставили пометку в конце числа или добавляли горизонтальную черту поверх него. Так, число 871 записывалось как

или как

Эта нотация не способствовала развитию исчисления и записи чисел на бумаге.

Считается, что для решения арифметических задач греки использовали главным образом абак, а математики должны были использовать символы.

Умножение в Древней Греции выполнялось иначе, чем в наши дни. Сегодня мы складываем произведения первого множителя на каждую из цифр второго множителя. Греки, напротив, умножали второй множитель на каждую цифру первого. Так как вместо цифр использовались символы, значение которых зависело от позиции (в записи «πσ» π означало 80, а не 8), результат при промежуточном умножении получался сразу, без дополнительных действий.

Допустим, мы хотим вычислить произведение 24·53 (в греческой нотации это эквивалентно произведению κδ и νγ). Сначала нужно умножить κ, то есть 20, на цифры числа 53, то есть 20·ν и 20·γ (в современной нотации — 20·50 и 20·3). Далее аналогично рассматривается вторая цифра первого множителя: 8, обозначающая 4, умножается на ν, затем 8 умножается на γ (в современной нотации 4·50 и 4·3).

Затем промежуточные результаты складываются. В современной нотации это записывается так:

24·53 = (20 + 4)·(50 + 3) = 20·50 + 20·3 + 4·50 + 4·3 = 1272.

В графическом виде умножение в греческой нотации выглядит так:

Использование 27 символов затрудняло вычисление промежуточных результатов, так как греческая таблица умножения должна была содержать 27·27 = 729 ячеек. Считается, что именно по этой причине решающую роль в развитии вычислений сыграл абак. Греческие абаки представляли собой таблички из нескольких столбцов, в которых располагались камешки или фишки. Каждому столбцу соответствовала степень 10; также имелись отдельные столбцы для дробей.

Этот абак, который представляет собой мраморную табличку, был найден на греческом острове Саламин в 1846 году.

Ученым удалось изучить эти таблички, так как некоторые образцы, например абак с острова Саламин, дошли до наших дней и, кроме того, содержат информацию о значениях, соответствующих столбцам. В этом абаке с острова Саламин каждый столбец означает определенное количество греческих монет. Большие столбцы обозначают (справа налево) 1, 10, 100, 1000 и 10 000 драхм, затем 1, 10, 100, 1000 и 10 000 талантов (один талант равнялся 6000 драхм). Малые столбцы соответствуют дробям. Использовались следующие дробные части драхмы: обол (один обол равнялся 1/6 драхмы), половина обола, четверть обола и халкус (один халкус равнялся 1/8 обола). Камешки, расположенные под линией, обозначают единицу; расположенные над линией — пять единиц. Следовательно, на следующей схеме представлено число 502158 + 2 обола + + 1/2 обола + 1 халкус.

При сложении с помощью абака камешки ставились рядом в соответствии с их позицией. Когда в нижней части накапливалось пять единиц, они заменялись одной единицей в верхней части, а две единицы в верхней части заменялись одной единицей в следующем разряде. При вычислениях с помощью абака следовало помнить, что 6000 драхм равняются одному таланту, а 6 оболов — одной драхме.

Таблица из «Альмагеста» — труда по астрономии, написанного Клавдием Птолемеем во II веке, в котором используются дроби.

Как и вавилонянам, грекам были известны шести десятеричные дроби, о чем упоминает Птолемей в своем «Альмагесте», однако в математических вычислениях греки использовали египетскую систему. В комментариях к трактату Архимеда Евтокий Аскалонский использует