興威三十三年(1381年),東宋清華書院的大師貝奇,心中萌生了一個大膽的想法——建造一臺大型差分機。
彼時的東宋,航海、工程、天文等領域的發展日新月異,這些領域的精準推進,高度依賴三角函式表、對數表等各類數學用表,每一個數據的精準度,都首接關係到各項事業的成敗。
然而,當時所有的數學用表,全靠人工計算、手工謄寫而成,即便計算者、謄寫者萬分謹慎,也幾乎無法避免出現微小的數字錯誤。
可誰也沒想到,就是這樣一個看似不起眼的微小錯誤,往往會引發難以挽回的後果:可能導致航船在茫茫大海中迷失方向,最終葬身海底;也可能讓一座橋樑的設計出現偏差,竣工後不堪一擊,釀成安全事故。
貝奇本人就曾深受對數表中錯誤資料的困擾,他曾不止一次感嘆:“我真希望這些繁瑣的計算,能用蒸汽來完成!”
正是這份對資料精確性的極致追求,以及對人工計算弊端的深切體會,讓他萌生了一個前所未有的念頭——用機器替代人工,完成計算與數表印製的工作,從根本上杜絕人為誤差。
於是,貝奇潛心鑽研,設計出了差分機的雛形。
這臺機器的核心思想的是“差分法”,這個方法極為巧妙,成功避開了複雜繁瑣的乘法和除法運算,只需透過重複的加法操作,就能精準計算出多項式的值,大大降低了計算的難度與誤差。
它的基本原理並不複雜:對於一個N次多項式,其N次差分是一個恆定不變的常數。
而東宋航海、天文等領域常用的對數函式、三角函式等,都可以透過多項式展開的方式進行逼近。
因此,只要給機器輸入幾個關鍵的初始值,它就能夠透過反覆的機械加法運算,自動、快速且準確無誤地生成一長串函式值,完美替代人工計算。
為了讓人們更首觀地理解差分機的工作原理,我們可以看一個簡單的例子。
以函式F(x)=x2+ x + 28為例:
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2 = 4 - 6 | 6 = 43 - 04 =)2(F-)3(F | 43 | 2
...... | ...... | 04 | 3
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