Люди и наука

Пафнутий Львович Чебышёв

Русский математик и механик

Родился П. Л. Чебышёв 14 (26) мая 1821 года в сельце Окатове, Боровского уезда, Калужской губернии. Первоначальное образование и воспитание он получил дома; грамоте его обучала мать Аграфена Ивановна, а арифметике и французскому языку — двоюродная сестра Сухарева, девушка весьма образованная и, по-видимому, сыгравшая значительную роль в воспитании будущего математика.

В 1832 г. семейство Чебышёвых переехало в Москву для подготовки Пафнутия Львовича и его старшего брата к поступлению в университет. Шестнадцатилетним юношей он стал студентом Московского университета и уже через год за математическое сочинение на тему, предложенную факультетом, был награждён серебряной медалью. С 1840 г. материальное положение семьи Чебышёвых пошатнулось, и Пафнутий Львович был вынужден жить на собственный заработок.

Это обстоятельство наложило отпечаток на его характер, сделав его расчётливым и бережливым; впоследствии, когда он уже не испытывал недостатка в средствах, он не соблюдал экономии в их расходовании только при изготовлении моделей различных приборов и механизмов, идеи которых часто рождались в его голове.

Двадцатилетним юношей П. Л. Чебышёв окончил университет, а через два года опубликовал свою первую научную работу, за которой вскоре последовал ряд других, всё более и более значительных и быстро привлекших к себе внимание научного мира. Двадцати пяти лет П. Л. Чебышёв защитил в Московском университете диссертацию на степень магистра, посвящённую теории вероятностей, а ещё через год был приглашён на кафедру Петербургского университета и переселился в Петербург. Здесь началась его профессорская деятельность, которой П. Л. Чебышёв отдал много сил и которая продолжалась до достижения им преклонного возраста, когда он оставил лекции и отдался целиком научной работе, продолжавшейся буквально до последнего мгновения его жизни. В двадцать восемь лет он получил в Петербургском университете степень доктора, причём диссертацией служила его книга "Теория сравнений", которой затем в течение более полу столетия студенты пользовались как одним из самых глубоких и серьёзных руководств по теории чисел. Академия наук избрала тридцатидвухлетнего П. Л. Чебышёва адъюнктом по кафедре прикладной математики; через шесть лет он уже стал ординарным академиком. Год спустя он был избран членом-корреспондентом Парижской Академии наук, а в 1874 г. та же академия избрала его своим иностранным сочленом.

8 декабря 1894 года утром Пафнутий Львович Чебышёв умер, сидя за письменным столом. Накануне был его приёмный день и он сообщал ученикам планы своих работ и наводил их на мысли о темах для самостоятельного творчества.

Исследования великого русского математика Пафнутия Львовича Чебышёва (1821—1894) проводились преимущественно в трех направлениях: теория чисел, теория вероятностей и теория механизмов. С исследованиями по теории механизмов неразрывно связаны многочисленные изобретения Чебышёва. И. И. Артоболевский и Н. И. Левитский в работе, посвященной изобретениям и исследованиям Чебышёва по теории механизмов и машин, выделяют 41 "основной механизм Чебышёва" и около 40 модификаций этих механизмов, "которые могут в некоторых случаях также рассматриваться как самостоятельные механизмы".

Интерес Чебышёва к решению технических задач связан с рядом обстоятельств. Значительное влияние на формирование Чебышёва как ученого оказал Н. Д. Брашман (1796—1866), профессор Московского университета, где в 1837—1841 гг. обучался Чебышёв. Брашман одним из первых в университете был сторонником широкого развития прикладных исследований. Он вел курс механики, по его инициативе в университете предлагались для диссертаций темы прикладной механики, а в 1846 г. была создана кафедра "Практическая механика".

Объективным фактором, способствующим усилению внимания к прикладным исследованиям, являлась растущая необходимость применения механики к решению конкретных технических задач, что было связано с быстрым развитием машинной техники в середине и второй половине XIX века.

В своей первой зарубежной поездке (1852 г.) во Францию и Великобританию Чебышёв с большим интересом изучает работу различных механизмов и машин. Наряду с паровыми машинами и гидравлическими колесами "внимание мое,— пишет Чебышёв в отчете о командировке,—привлекли машины занимательного механика Вокансона, арифметическая машина Паскаля, различные приводы для поднятия воды, машины бумагопрядильные и льнопрядильные, машины металлургические".

Как отмечает В. Г. фон Бооль. непосредственный интерес Чебышёва к проблемам вычислительной техники был стимулирован сообщением академика В. Я. Буняковского об изобретении им самосчетов. "Усмотрев своим практическим умом все недостатки самосчетов, Пафнутий Львович тотчас же возымел мысль построить свой прибор для сложения и вычитания".

В 1876 г. Чебышёв выступил с докладом на V сессии Французской ассоциации содействия преуспеванию наук. Доклад назывался "Суммирующая машина с непрерывным движением". Содержание этого доклада неизвестно. Однако можно предположить, что речь шла об одной из первых моделей суммирующей машины. По-видимому, именно об этой модели Артоболевский и Левитский писали в 1958 г.: "сохранился один из ранних экземпляров арифмометра, обнаруженный нами среди других архивных материалов". Одному из авторов настоящей работы (Л. Е. Майстрову) удалось найти эту модель. Она была создана Чебышёвым не позднее 1876 г. и хранится сейчас в музее истории Ленинграда.

Первый арифмометр Чебышёва, строго говоря, не может быть отнесен к классу арифмометров (приборов для выполнения четырех арифметических действий). Это 10-разрядная суммирующая машина с непрерывной передачей десятков. В машине с прорывной (дискретной) передачей колесо высшего разряда продвигается сразу на одно деление, в то время как колесо низшего разряда переходит с 9 на 0. При непрерывной передаче десятков соседнее колесо (а вместе с ним и все остальные) постепенно поворачивается на одно деление, пока колесо младшего разряда совершает один оборот. Чебышёв достигает этого применением планетарной передачи.

Работа оператора при выполнении сложения на машине Чебышёва была очень простой. С помощью десяти наборных колес (по одному для каждого разряда числа) поочередно вводились слагаемые, а результат считывался в окнах считки. На наборных колесах имеются специальные зубцы, с помощью которых поворачиваются колеса. В корпусе машины — прорези, в которых видны эти зубцы, а рядом с прорезями написаны цифры (О...9). При вычитании набирается уменьшаемое, а вычитаемое нужно набирать, вращая наборные колеса в обратную сторону. В целом машина приспособлена для сложения, и вычитание на ней неудобно.

Следующими этапами работы Чебышёва явились постройка новой модели суммирующей машины и передача ее в 1878 г. в Парижский музей искусств и ремесел, а затем создание множительно-делительной приставки к суммирующей машине. Эта приставка также была передана в музей в Париже (1881 г.). Таким образом, арифмометр, хранящийся в этом музее, состоит из двух устройств: суммирующего и множительно-делительного.

Суммирующее устройство отличается от хранящейся в Ленинграде суммирующей машины несколькими несущественными усовершенствованиями, а также большим удобством в работе. Впрочем, последнее обстоятельство не являлось главной задачей Чебышёва, стремившегося показать возможность реализации новой идеи — непрерывной передачи десятков.

Ряд, новых идей был воплощен и во множительно-делительном устройстве. Главная и наиболее плодотворная из них состояла в из тематическом переводе каретки из разряда в разряд. Кареткой, т. е. подвижной частью арифмометра, служила сама приставка. Для выполнения умножения и деления она устанавливалась на суммирующей машине, образуя с ней единый прибор. При вьшолнении умножения было нужно только вращать рукоятку арифмометра. Число оборотов рукоятки было равно сумме знаков множителя плюс количество разрядов множителя, уменьшенное на единицу.

После умножения множимого на цифру одного разряда множителя арифмометр автоматически прекращает умножение и переводит каретку в следующий разряд. Затем счетный механизм снова включается, и начинается умножение на цифру второго разряда множителя. Количество оборотов рукоятки автоматически контролируется специальным счетчиком, который действует от установленного числа множителя. Этот же счетчик переключает процесс вычислений на передвижение каретки и обратно.

Поскольку передача арифмометра в Парижский музей искусств и ремесел не сопровождалась публикацией, об изобретении Чебьшева было известно ограниченному кругу людей. В 1882 г. Чебышёв делает доклад "О новой счетной машине" на XI сессии Французской ассоциации содействия преуспеванию наук. Доклад не сохранился, но его содержание, по-видимому, изложено в заметке "Счетная машина с непрерывным движением", опубликованной в "Revue scientifique" 1882, № 3. Эта первая, краткая публикация об арифмометре Чебышёва осталась почти незамеченной. В 1890 г. французский ученый Эдуард Люка, один из изобретателей множительных палочек, установил модели различных механизмов, изобретенных Чебышёвым, в том числе и арифмометра, в специальной витрине Парижского музея искусств и ремесел и прочитал о них несколько публичных лекций.

После смерти Люка (1891 г.) коллекцией счетных машин этого музея занимался историк М. д'0кань. В 1893 г. он публикует краткую заметку об арифмометре Чебышёва в "Annales de conservatoire des Arts et Metiers" (т. 5, с. 2) и обращается к Чебышёву с просьбой прислать в музей полное описание арифмометра. Что ответил Чебышёв, установить не удалось, но в мае 1894 г. он был в Париже, встречался с Люка и дал необходимые пояснения по конструкции и работе арифмометра. В том же году Люка публикует книгу "Упрощенный счет", где дает описание машины Чебышёва.

В том же. 1894 г. в России было опубликовало обстоятельное описание арифмометра Чебышёва, сделанное В. Г. фон Боолем , содержание которого вошло в его монографию. Чебышёв писал Боолю: "Вашим сообщением разъясняется многое, что темно у Оканя, он сам воспользуется этим при предстоящих конференциях в консерватории" (т. е. в Парижском музее искусств и ремесел).

При оценке арифмометра Чебышёва и его места в истории вычислительной техники необходимо четко различать два обстоятельства: новизну и плодотворность идей, заключенных в его конструкции, и конкретное воплощение этих идей в изготовленных Чебышёвым моделях (ленинградской и парижской). Между тем в существующих оценках арифмометра Чебышёва эти две стороны не разделяются и общепринятая оценка сводится к следующему: Чебышёву удалось преодолеть недостатки существовавших в его время арифмометров и создать удобную для практического использования машину. В основе этого мнения, по-видимому, лежит авторитетное заключение Бооля, который высоко оценил арифмометр Чебышёва, но, как ясно из контекста, его теоретическую основу, а не практическую реализацию. "Существование только одного экземпляра арифмометра Чебышёва, недоступного для публики,— писал Бооль,— не дает возможности испытать машину на практике...".

Как мы видели, до появления арифмометра Чебышёва наибольшее распространение имел арифмометр Томаса, который совершенствовался от выпуска к выпуску и был в употреблении во многих странах, в том числе и в России. Арифмометр Томаса был сравнительно быстродействующей машиной, а практика его изготовления оказала немалое влияние на последующее производство вычислительных машин. Из суммирующих машин этого времени следует выделить счислитель Куммера и вычислительный прибор Слонимского. Получили известность разностная машина Шейцев, а также идеи Бэбиджа относительно конструкции разностной и аналитической машин. До работы Чебышёва над арифмометром было высказано немало идей о конструкции счетных приборов. Естественно, это было известно Чебышёву.

К 70-м годам прошлого века были выработаны требования к возможностям арифмометров. С учетом этих требований арифмометр Чебышёва следует признать малоудачной для практического использования машиной. Неудобства состояли в трудностях считывания результатов и выполнении операций вычитания, необходимости приложения значительных усилий при наборе чисел и т. д. Суммирующую машину Чебышёва, так же как и в свое время машину Паскаля, по-видимому, никто не использовал в практических целях.

Определенные трудности возникали и при пользовании множительно-делительной приставкой. Так, работа оператора при выполнении операции деления была настолько сложной, что, по-видимому, проще было пользоваться карандашом и бумагой. При помощи этой приставки также никто не производил вычислений.

Однако эти обстоятельства не следует смешивать с теоретическими основами конструкции. Чебышёв и не ставил перед собой задачу создать наиболее удобную для пользователя машину. Он пытался решить другую, более важную с научной точки зрения проблему: найти и экспериментально проверить новые принципы построения вычислительных машин. И с этой задачей он справился блестяще.

В чем же состояло новаторство Чебышёва? Для вычислительной техники принципиальное значение имели непрерывная передача десятков и автоматический переход каретки с разряда на разряд при умножении.

Оба эти изобретения вошли в широкую практику в 30-е годы XX в. в связи с применением электропривода и распространением полуавтоматических и автоматических клавишных вычислительных машин.

Основное отличие полуавтоматов от автоматов состояло в том, что в полуавтоматах не было автоматизировано выполнение одной операции — умножения. В полуавтоматах после нажима на клавишу "X" (умножение) установленное множимое умножалось на однозначное число и каретка передвигалась на один разряд, затем на клавиатуре набиралась следующая цифра множителя, а процесс повторялся. Таким образом, вычисление прерывалось ручной установкой очередных цифр множителя. В арифмометре Чебышёва этого не было, там сразу устанавливался весь множитель и надо было только вращать рукоятку. Ясно, что ручной привод легко заменить электрическим и, таким образом, полностью автоматизировать умножение. Это обстоятельство дало определенные основания считать арифмометр Чебышёва прототипом автоматических, т. е. наиболее совершенных из выполненных на механической основе (с электроприводом) клавишных вычислительных машин.

Непрерывная передача десятков — наиболее глубокая и оригинальная идея, реализованная в арифмометре Чебышёва,— начала входить в практику вскоре после создания арифмометра. В частности, она была применена в получившем распространение арифмометре профессора Зеллинга из Вюрцбурга (Германский патент №39 654 от 1886 г.). Широкое распространение непрерывная передача десятков получила с применением электропривода, когда возросла скорость работы механических вычислительных машин. При дискретной передаче десятков с увеличением скорости неизбежно появляются толчки. При непрерывной передаче-ход машины плавный, что позволяет не опасаясь поломок ускорять работу механических узлов.

Еще одним достоинством машины Чебышёва является "самостоятельность ее двух составных частей, с помощью которых производится вычислительный процесс". Однако Чебышёв не стремился именно к такой структуре арифмометра, которая серьезно усложнила конструкцию в целом. Как вспоминает Бооль, после завершения суммирующей машины Чебышёв "пожалел о том, что он применил свой арифмометр только для двух действий; он задумал приспособить его и для умножения и деления, для чего придавал ему еще другой аппарат, удовлетворяющий этому последнему требованию... Приспособление это вышло весьма остроумным, но, к сожалению, довольно сложным, чего, вероятно, не случилось бы, если бы изобретатель сразу задался целью проектировать машину для всех четырех действий".