Показатели степеней мы будем теперь называть логарифмами, а степени – просто числами.
Чтобы перемножить какие-либо два числа, достаточно сложить два их логарифма. Например, чтобы найти произведение 32 и 64, сложим стоящие рядом с 32 и 64 числа 5 и 6; 5+6 =11. У числа 11 находим результат: 2048. Чтобы разделить 4096 на 256, возьмем числа 12 и 8; вычитаем: 12-8 = 4. У числа 4 находим ответ: 16. Если ввести нулевую и отрицательную степени числа 2, то можно будет выполнять и деление меньших чисел на большие.
Хотя среди степеней числа 2 гораздо меньше пробелов, чем среди степеней числа 10, все же в таблице нет очень многих чисел. Поэтому практического значения и эта таблица не может иметь. Но если за основание взять число, гораздо более близкое к 1, чем число 2, то этот дефект будет устранен.
Примем, например, за основание число 1,00001. В пределах между 1 и 100 000 окажется свыше миллиона (1 151 292) его последовательных степеней. Если мы округлим значения этих степеней, сохранив лишь шесть значащих цифр, то среди миллиона округленных результатов окажутся все целые числа от 1 до 100 000. Правда, это будут лишь приближенные значения степеней. Но так как при умножении и делении пятизначных целых чисел нас будут интересовать только первые пять знаков результата, то составленные таблицы позволят перемножать, делить и т. д. пятизначные целые числа, а следовательно, и десятичные дроби, имеющие пять значащих цифр.
Именно так и были составлены первые таблицы логарифмов. Вычисление их потребовало многолетней неутомимой работы. Еще 400 лет назад этому нужно было посвятить всю жизнь. Но зато колоссально возросла производительность труда многих тысяч вычислителей, пользовавшихся раз навсегда составленными таблицами.
Швейцарец Бюрги (ок. 1590) составил первую таблицу логарифмов. Несколько позднее и независимо от него составил свои таблицы логарифмов шотландец Непер, который брал за основание число, очень близкое к единице. Но Бюрги опубликовал свою работу лишь в 1620 году, а таблицы Непера появились раньше, в 1614 году.
В настоящее время в таблицах логарифмов кладется в основание число 10, что дает ряд вычислительных преимуществ (так как наша нумерация – десятичная). При этом для получения целых чисел приходится брать дробные степени числа 10.
Идея составления таблицы десятичных логарифмов принадлежит Неперу и его сотруднику англичанину Бриггу. Они совместно начали работу по пересчету прежних таблиц Непера на новое основание 10. После смерти Непера Бригг продолжил и закончил эту работу, опубликовав ее полностью в 1624 году, поэтому десятичные логарифмы называются иначе бригговыми.
Таблицы Непера открыли путь к автоматизации всех арифметических вычислений; первым шагом в этом направлении стала привычная нам логарифмическая линейка. Ее изобрел в 1622 году англичанин Вильям Оутред, при этом он использовал десятичные логарифмы. Следующие шаги в автоматизации вычислений сделали француз Блез Паскаль (1642) и немец Вильгельм Лейбниц (1671), создавшие первые механические арифмометры, позволившие также умножать и делить многозначные числа. Следующий важный шаг в развитии вычислительной техники был сделан только в ХХ веке, когда появились компьютеры.
Историю цифровых устройств начать следует со счетов. Подобный инструмент был известен у всех народов. Древнегреческий абак (доска или «саламинская доска» по имени острова Саламин в Эгейском море) представлял собой посыпанную морским песком дощечку. На песке проводились бороздки, на которых камешками обозначались числа. Одна бороздка соответствовала единицам, другая – десяткам и т. д.
Если в какой-то бороздке при счете набиралось более 10 камешков, их снимали и добавляли один камешек в следующем разряде. Более поздней конструкцией была мраморная доска с выточенными желобками и мраморными шариками.
У китайцев в основе счета лежала не десятка, а пятерка, рамка китайских счетов суан-пан имеет более сложную форму. Она разделена на две части: в верхней части на каждом ряду располагаются по 5 косточек, в нижней части – по две. Таким образом, для того чтобы выставить на этих счетах число 6, ставили сначала косточку, соответствующую пятерке, и затем прибавляли одну в разряд единиц.
У японцев это же устройство для счета носило название серобян. Это IX век н. э.
Леонардо да Винчи (1452–1519) создал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства с десятизубными кольцами. По его чертежам в наши дни американская фирма по производству компьютеров в целях рекламы построила работоспособную машину.
Шотландский математик Джон Непер (1550–1617) изобрел таблицы логарифмов, что очень упростило деление и умножение, ибо для умножения двух чисел достаточно сложить их логарифмы. Тот же Непер предложил в 1617 году другой (не логарифмический) способ перемножения чисел. Инструмент, получивший название палочки (или костяшки) Непера, состоял из разделенных на сегменты стерженьков, которые можно было располагать таким образом, что при сложении чисел в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах получался результат умножения этих чисел.
Вильгельм Шиккард, востоковед и математик, профессор Тюбинского университета, в письмах своему другу Иоганну Кеплеру описал устройство «часов для счета», счетной машины с устройством установки чисел и валиками с движком и окном для считывания результата. Шел 1623 год. Эта машина могла только складывать и вычитать (в некоторых источниках говорится, что могла еще умножать и делить). Это была первая механическая машина. В наше время по его описанию построена ее модель.
Французский математик Блэз Паскаль (1623–1662) сконструировал счетное устройство, чтобы облегчить труд своего отца – налогового инспектора. Это устройство позволяло суммировать десятичные числа. Внешне оно представляло собой ящик с многочисленными шестеренками. Основой суммирующей машины стал счетчик-регистратор, или счетная шестерня. Она имела десять выступов, на каждом из которых были нанесены цифры. Для передачи десятков на шестерне располагался один удлиненный зуб, зацеплявший и поворачивающий промежуточную шестерню, которая передавала вращение шестерне десятков. Дополнительная шестерня была необходима для того, чтобы обе счетные шестерни – единиц и десятков – вращались в одном направлении.
Счетная шестерня при помощи храпового механизма (передающего прямое движение и не передающего обратного) соединялась с рычагом. Отклонение рычага на тот или иной угол позволяло вводить в счетчик однозначные числа и суммировать их. В машине Паскаля храповой привод был присоединен ко всем счетным шестерням, что позволяло суммировать и многозначные числа.
Англичане Роберт Биссакар в 1654-м и независимо от него в 1657 году С. Патридж разработали прямоугольную логарифмическую линейку, конструкция которой в основном сохранилась до наших дней.
Немецкий философ, математик, физик Вильгельм Лейбниц (1646–1716) создал «ступенчатый вычислитель» – счетную машину, позволяющую складывать, вычитать, умножать, делить, извлекать квадратные корни. При этом использовалась двоичная система счисления. Это был более совершенный прибор, в котором использовалась движущаяся часть (прообраз каретки) и ручка, с помощью которой оператор вращал колесо. Изделие Лейбница постигла печальная судьба предшественников: если им кто-то и пользовался, то только домашние Лейбница и друзья его семьи, поскольку время массового спроса на подобные механизмы еще не пришло. Машина являлась прототипом арифмометра, который был востребован с 1820 года до 60-х годов ХХ века.
Переход к современной математике
Успехи Кеплера в расчете пройденного планетой пути по известной скорости ее движения, о чем мы говорили в одной из предыдущих главок, стали первым шагом в новой науке – интегральном исчислении. Сам Кеплер воспринимал его просто: как способ вычисления площади фигуры, ограниченной плоской кривой, либо объема тела, ограниченного данной поверхностью. В 1615 году он опубликовал книгу со странным названием: «Новая стереометрия винных бочек, по преимуществу – австрийских». Это был первый сборник задач на вычисление интегралов; он содержал около ста разных примеров с подробными решениями.
Одна строчка в таблице интегралов от функций соответствует огромной таблице логарифмов чисел! Из этого видно, что для будущей математики исчисление функций гораздо важнее привычной арифметики и алгебры чисел. В новом мире функций, кроме арифметики и алгебры, действуют особые операции. Первые две из них – проведение касательной прямой к данной кривой и вычисление площади, которую ограничивает кривая, – угадал еще Архимед. Теперь Кеплер разработал удобную технику решения второй задачи. Но исчислять кривые так же просто и непринужденно, как числа, Кеплер не умел. Революцию в этом ремесле произвел в 1637 году другой великий математик, француз Рене Декарт.
