机械史上最复杂的巅峰之作:差分机,这才是最强大脑
2019-06-17 20:03:38
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来源:超级数学建模

近日,根据腾讯优图实验室跨年龄人脸识别技术的圈定,警方进一步进行DNA亲子鉴定,结果找到了4位走失大约10年的孩子。这在国内是第一次,的确是了不起的突破。

人工智能领域技术再次带给我们惊喜,随着计算机科学的发展,人工智能已经逐渐在多领域发挥作用了。

计算机科学的发展速度让人很震撼,超模君最近看了一本关于人工智能发展史的书《人工智能简史》,发现人工智能的雏形居然能追溯到蒸汽时代,简直不可思议,没错,就是查尔斯·巴贝奇的机械计算机——差分机!

“骗子”激发的灵感

1770年,一位名叫沃尔夫冈·冯·肯佩伦的发明家发明了一台国际象棋机,取名为“土耳其人”。

肯佩伦表示,“土耳其人”可以打败宫廷里的每一个人,当时皇后的一个顾问接受挑战,真的输掉了。

“土耳其人”的壮举引起了巨大的轰动。肯佩伦带着“土耳其人”游历了整个欧洲,打败了当时最强大的一些人物,包括本杰明·富兰克林和腓特烈大帝。

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。

巴贝奇怀疑这台机器并不“智能”,它的内部藏着一个人,用某种方式控制着机器人的运作。果不其然,“土耳其人”柜子里钟摆的背后,是雇佣的象棋大师。

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

虽然失去了政府的支持,但是在设计和制造差分机的十年让巴贝奇有了设计更强大机器的能力,更加精密的分析机因此面世。

分析机模型

分析机能用多项式展开的方法计算对数和三角函数,具体的计算过程则是用打孔卡片输入,完成类似汇编语言的程序指令。

分析机部分组件的实验模型,巴贝奇自制,现藏伦敦科学博物馆

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

巴贝奇穷其一生研究设计差分机,多么复杂的机械工程,在那个年代就可以代替人工进行计算,足可以称得上早期人类机械史上的巅峰之作。

电子计算机的产生

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。

世界上第一台电子计算机

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。”

随着电子计算机的发展,人工智能的发展也在悄然进行。

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。

这就是早期的人工智能,差分机虽然失败,但是其前瞻性和复杂的机械工程让人叹为观止!

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