她，詩人拜倫之女，英國數(shù)學(xué)家，歷史上第一位程序員

↑↑↑點擊上方藍字，回復(fù)資料，10個G的驚喜

大數(shù)據(jù)文摘投稿作品?摘自：《信息論》?作者：吳軍

?

人類使用機械處理信息的嘗試是由兩個看似不該有交集的英國人開啟的。

?

在英格蘭中部萊斯特郡的柯比—馬洛里莊園，住著一對母女。

?

1816年初那個多雨的季節(jié)，23歲的安妮·伊莎貝拉·米爾班克（昵稱安妮貝拉）和丈夫分手，帶著剛剛出生的女兒埃達回到了娘家。在開始的幾個月里，她依然思念著丈夫，寫了很多充滿愛意的信件，并且她的母親也希望女婿來莊園和女兒團聚，但是信寄出去后都如石沉大海。安妮貝拉一生追求自由的丈夫已經(jīng)踏上了去歐洲大陸的旅程。家里的律師建議，他們還是離婚算了，安妮貝拉接受了律師的建議，從此她一個人撫養(yǎng)女兒長大。埃達從小就是一個天才，學(xué)什么東西都很快，安妮貝拉對此感到非常欣慰。但是埃達總在詢問爸爸在哪里，這讓安妮貝拉無法回答，她一直沒有向女兒透露父親的任何信息。

?

轉(zhuǎn)眼8年過去了，一條讓整個英國都感到悲傷的噩耗傳來，也讓安妮貝拉不得不告訴女兒父親的故事。被譽為英國驕傲的大詩人拜倫在希臘病逝，而他正是女孩埃達的父親。今天沒有人知道 8 歲的埃達在得知她的身世之后是一種什么感覺，但是這個出身非同一般的女子，注定要過一種非同常人的生活，而且要做一番常人不敢想的事情。

?

世界上第一位程序員

?

埃達的故事要從她的父母講起。

詩人拜倫自不消說，他是整個18 世紀(jì)和 19 世紀(jì)英國最偉大的詩人。他的代表作《唐璜》是史詩般的巨著，在英語詩歌中的地位，堪比《神曲》在意大利語、《浮士德》在德語中的地位。1815 年，27 歲的拜倫和 22 歲的安妮貝拉小姐結(jié)婚，并且很快生下了埃達。

埃達·洛夫萊斯（Augusta Ada King, Countess of Lovelace）

?

安妮貝拉在埃達很小的時候就教她數(shù)學(xué)，這在當(dāng)時英國上流社會的女子教育中是非常罕見的，而阿埃無論學(xué)什么數(shù)學(xué)知識幾乎都是一學(xué)就會。同時，阿埃繼承了父親的想象力。12 歲的時候，她就對飛行器著迷，那時凱利爵士還沒有試飛他的載人滑翔機。為了研究飛行，她對鳥類的身體構(gòu)造產(chǎn)生了興趣，但又不忍心解剖鳥類，便讓母親找來了一本鳥類解剖圖解。在埃達的一生中，她一直保持著對數(shù)學(xué)和自然科學(xué)的極大熱情。

?

1833年，18歲的埃達正式進入英國上流的社交圈。改變了埃達一生命運的則是在一次沙龍上她見到了發(fā)明差分機的科學(xué)家巴貝奇，并且見到了被她母親稱為“能思考的機器”的差分機。

?

埃達比大部分大學(xué)畢業(yè)生（當(dāng)時只有男性可以上大學(xué)）都有著更高的數(shù)學(xué)和機械修養(yǎng)。當(dāng)大家還只是驚訝于這種機械能夠算題時，埃達已經(jīng)琢磨出了它大致的原理，并且對此著了迷。她后來給朋友寫信講，那是所有機械中的珍寶，并且流露出對那臺機器的渴望。

?

巴貝奇的科學(xué)家氣質(zhì)也吸引著年輕的埃達。巴貝奇當(dāng)時41歲， 舉止沉穩(wěn)，輪廓分明的臉上散發(fā)出機智和魅力。埃達希望借助一個高智商的頭腦，來實現(xiàn)當(dāng)時女性在科學(xué)上難以實現(xiàn)的夢想，而眼前這位男子，以及他所從事的事業(yè)，正是指引她在黑暗中前行的明燈。

?

此時的巴貝奇，已經(jīng)在計算機研究領(lǐng)域花了近20年的時間。前十年他是成功的，但是接下來的十年他遇到了瓶頸，而他的想法則又遠遠超出了當(dāng)時他正在研制的那臺機器。長期以來，他都是在孤軍奮戰(zhàn)，他需要一個高智商的助手。讓他沒有想到的是，這位頂著英國最有名的姓氏，后來成為洛夫萊斯伯爵夫人的年輕女子，就是他尋找多年的合作者。

?

從那一刻起，兩個人一同開始了在信息發(fā)展史上偉大而悲壯的“奧德賽”。

?

巴貝奇發(fā)明小型差分計算機

1792 年，巴貝奇出生于倫敦一個富有的銀行家家庭，18 歲進入著名的劍橋大學(xué)三一學(xué)院，成為牛頓的校友。后來他擔(dān)任了牛頓曾經(jīng)?擔(dān)任的盧卡斯數(shù)學(xué)教授a 職務(wù)。在進入大學(xué)之前，他就顯示出了極高的數(shù)學(xué)天分。進入大學(xué)后，巴貝奇發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時英國人普遍接受的牛頓建立在運動基礎(chǔ)之上的微積分，不如萊布尼茨基于符號處理的微積分便于理解傳播。為了推廣已經(jīng)被歐洲大陸普遍接受的萊布尼茨的微積分，他和其他人一同創(chuàng)辦了英國的（數(shù)學(xué)）分析學(xué)會。不過巴貝奇并不是一個安分的學(xué)生，他一方面顯示出超凡的智力，另一方面又不按照要求完成學(xué)業(yè)，為此他不得不轉(zhuǎn)了一個學(xué)院繼續(xù)學(xué)業(yè)。在學(xué)校里， 他還對很多超自然的現(xiàn)象感興趣。

?

如果不是趕上工業(yè)革命，巴貝奇或許會尋找某一個傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)領(lǐng)域或者自然哲學(xué)領(lǐng)域做一輩子研究，并且留下一個巴貝奇定律或者巴貝奇定理。但是，工業(yè)革命的大背景讓他把畢生的精力和全部的金錢都投入研究能夠處理信息的機械中。這也不奇怪，因為工業(yè)革命為信息處理提供了思想上的依據(jù)、技術(shù)上的條件和廣闊的市場。

?

既然能想到的所有規(guī)律都可以用運動規(guī)律來描述，那么就很容易想到讓具有特殊結(jié)構(gòu)的齒輪組運動來完成計算，這便是設(shè)計機械計算機的思想基礎(chǔ)。這種想法早在 17 世紀(jì)就有人嘗試過。法國數(shù)學(xué)家帕斯卡發(fā)明了一種手搖計算器——雖然有時人們將它稱為最早的機械計算機，但實際上它和我們今天理解的計算機概念沒有太多的相似之處，稱之為計算器更恰當(dāng)。帕斯卡計算器從外觀上看有上下兩排旋鈕，每個旋鈕上都刻著 0~9 十個數(shù)字。在做加減法時，只要將參加運算的兩個數(shù)字分別撥到相應(yīng)的位置，然后轉(zhuǎn)動手柄，計算器里的一組組齒輪就會轉(zhuǎn)動，完成計算。

早期帕斯卡計算器

?

帕斯卡計算器最初只能做加法，后來經(jīng)過改進可以做減法和乘法，但做不了除法。在帕斯卡之后，萊布尼茨改進了計算器。他發(fā)明了一種以他的名字命名的轉(zhuǎn)輪（萊布尼茨輪），方便實現(xiàn)四則運算中的進位和借位。到了 19 世紀(jì)初，經(jīng)過近兩個世紀(jì)的改進，機械計算器已經(jīng)能夠完成四則運算，但是計算的速度很慢，精度也不夠高，而且設(shè)備造價昂貴。不過，這種計算器更大的缺陷在于，那些復(fù)雜的運算，比如對數(shù)運算和三角函數(shù)運算都做不了。

?

萊布尼茨計算器

?

19世紀(jì)機械工業(yè)的發(fā)展需要進行大量的復(fù)雜計算，比如三角函數(shù)的計算、指數(shù)和對數(shù)的計算等。在微積分出現(xiàn)之前，完成這些函數(shù)的計算幾乎不可能。18 世紀(jì)之后，歐洲數(shù)學(xué)家使用微積分，找到了很多計算上述函數(shù)的近似方法。不過這些方法的計算量極大，需要很長的時間，而且當(dāng)時除了數(shù)學(xué)家，一般人是完成不了那些計算的。為了便于工程師在工程中和設(shè)計時完成各種計算，數(shù)學(xué)家設(shè)計了數(shù)學(xué)用?表，這樣工程師可以從用表中直接查出計算的結(jié)果。

?

不過，那個時代的數(shù)學(xué)用表錯誤百出，給生產(chǎn)和科學(xué)研究帶來了很多麻煩。而這個問題很難避免，因為手算很難保證完全不出錯。如果很多數(shù)學(xué)家分別獨立計算，還可以比對結(jié)果發(fā)現(xiàn)錯誤。但是巴貝奇發(fā)現(xiàn)，那些不同版本的數(shù)學(xué)用表都是抄來抄去的，而犯的錯也都是一樣的。因此，巴貝奇就想設(shè)計一種機械，能夠完成微積分的計算，然后用它來計算各種函數(shù)值，得到一份可靠的數(shù)學(xué)用表。當(dāng)時他只有22 歲。

?

在隨后的 10 年里，巴貝奇造出來一臺有 6 位精度（巴貝奇最初的目標(biāo)是達到8 位精度）的小型差分計算機a。隨后巴貝奇用它算出了好幾種函數(shù)表，用于解決航海、機械和天文方面的計算問題。值得指出的是，巴貝奇的這次成功受益于工業(yè)革命的成就——當(dāng)時機械加工的精度比瓦特時代已經(jīng)高出了很多，這讓巴貝奇能夠加工出各種尺寸獨特的齒輪。但是，當(dāng)時并沒有 20 世紀(jì)的精密加工技術(shù)，制造小批量特制齒輪和機械部件的成本高、難度大，這給巴貝奇后來的工作帶來了諸多不便。

?

不過，首次成功還是讓巴貝奇獲得了英國政府的資助，用以建造一臺精度高達 20 位的計算機。幾年后，他又獲得了劍橋大學(xué)盧卡斯數(shù)學(xué)教授的職位，這讓他有了穩(wěn)定的收入。在此之前，他一直在花自己繼承的 10 萬英鎊的遺產(chǎn)。勝利女神似乎正在向他招手，但是在接下來的時間里，他在計算機研究方面一籌莫展。

?

從表面上看，巴貝奇遇到的困難是因為那臺差分機太復(fù)雜了，里面有包括上萬個齒輪的2.5 萬個零件，當(dāng)時的加工水平根本無法制造。但更本質(zhì)的原因是，巴貝奇并不真正理解計算的原理。他不懂得對于復(fù)雜的計算來講，不是要把機器做得更復(fù)雜，而是要用簡單的計算單元來實現(xiàn)復(fù)雜的計算。當(dāng)然，在那個年代沒有人了解這些。作為現(xiàn)代計算機基礎(chǔ)理論的布爾代數(shù)要再等十幾年才被提出來，而且要再過近一個世紀(jì)才會被應(yīng)用到計算技術(shù)中。

?

用卡片記錄指令和思想

?

在支持了巴貝奇 10 年之后，英國政府對那個永遠造不出來的機器已經(jīng)失去了興趣，只好為已投入的 1.7 萬英鎊經(jīng)費自認(rèn)倒霉。而知識界對此也普遍不看好，認(rèn)為那臺機器就算造出來也不會有什么作用。

?

巴貝奇從來就不是一個會輕易放棄夢想的人。在失去政府的資助后，巴貝奇仍在繼續(xù)工作，而且有了一個更龐大的計劃——制造一臺能夠完成一系列計算而不是單一計算，甚至具有存儲功能的機器，巴貝奇稱它為分析機。他的這一靈感來自法國人約瑟夫·馬里耶·雅卡?爾（Joseph Marie Jacquard）在 1804 年發(fā)明的雅卡爾提花機。在發(fā)明提花紡織機之前，要想織出漂亮的布匹，就需要工匠站在紡織機后面用手控制各種顏色的絲線。雅卡爾發(fā)明了一種用打孔卡片控制的紡織機，紡織機可以根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的“程序”（雖然當(dāng)時還沒有“程序”這個概念）移動絲線，織出漂亮的布匹。雅卡爾并不知道他的這項發(fā)明在信息史上具有重大意義。因為這是第一次把信息通過一個機器能夠識別的載體記錄下來，再由這個信息來控制機器的運轉(zhuǎn)。多年以后，IBM 公司發(fā)明了用于統(tǒng)計的制表機，其原理其實和雅卡爾提花機差不多。

?

巴貝奇在見到雅卡爾提花機后，馬上就想到了計算也可以由記錄在卡片上的信息控制。這樣一來，計算機不僅能完成 3+5 這樣的數(shù)值運算，而且能夠完成 X+Y 這樣變量之間的運算，而變量 X 和 Y 的值，既可以由卡片輸入進去，也可以是前一次運算的結(jié)果。這其實就是最原始的程序和循環(huán)的概念。不僅如此，巴貝奇想象的計算機還應(yīng)該具有邏輯判斷的功能，比如一個變量是否大于 3，然后根據(jù)判斷的結(jié)果，決定走哪條路徑繼續(xù)計算。這其實就是今天計算機程序設(shè)計中分支的概念。由于當(dāng)時沒有現(xiàn)成的詞語描述他的想法，所以他的手稿今天讀起來非常難以理解。比如他用“貨倉”（store）表示存儲單元，用“作坊”（mill）表示計算單元。但是在這些別扭用詞的背后，卻閃爍著超越時代的思想光輝。按照巴貝奇的設(shè)想，在這臺機器中，數(shù)據(jù)是流動的，它們從卡片中流入“作坊”進行計算，然后再流入“貨倉”。這其實就是今天我們所說的數(shù)據(jù)流或者信息流的概念。

?

埃達的加入讓巴貝奇終于有了一個可以對話和討論問題的人。她很快從一個助手變?yōu)橐粋€思想的來源，并且為他們將要建造的這臺機器賦予了無限的想象空間。這種身份的轉(zhuǎn)變，在很大程度上要歸功于埃達寫的一份報告。

?

1840 年，在失去英國政府的支持后，巴貝奇和埃達開始尋求歐洲其他國家的支持，畢竟實現(xiàn)如此龐大的計劃實在是太花錢了。巴貝奇把目光投向了意大利。對這個曾經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)學(xué)家阿基米德的國度，巴貝奇充滿了希望。當(dāng)時意大利負(fù)責(zé)制定國家科學(xué)報告的路易吉·梅納布雷亞（Luigi Menabrea）在看了巴貝奇的設(shè)計圖紙后興奮不已，想將它變成一份類似于“歐洲分析機報告”的建議書，推薦給歐洲學(xué)術(shù)界。巴貝奇并不懂意大利語，這份報告的翻譯工作就由埃達來完成。埃達在翻譯這份報告時加入了很多自己的想法，這些想法實際上比報告本身的內(nèi)容更有價值。b 或許是埃達覺得自己的想法還不夠成熟，或許是其他原因，三年后她才將自己翻譯的報告連同她加進去的幾倍長的內(nèi)容拿給巴貝奇看，巴貝奇興奮不已。

?

埃達提出了今天程序設(shè)計中循環(huán)和遞歸思想的雛形。當(dāng)時數(shù)學(xué)家都在為無窮級數(shù)的展開和求和發(fā)愁。如果有一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動循環(huán)計算的機器，那么那些令人煩惱而又枯燥無比的計算將迎刃而解。為了證明這一點，埃達沒日沒夜地工作，她試圖設(shè)計一種讓機器自動算題的方法，里面包括一些步驟或者流程以及具體的運算。那些流程和運?算結(jié)合在一起，其實就是我們今天計算機程序設(shè)計的思想。

?

梅納布雷亞雖然喜歡巴貝奇的想法，但他當(dāng)時還只是一個給政府做顧問的普通數(shù)學(xué)家，不是后來的意大利首相a，因此他無法給予對方直接的支持。這樣一來，巴貝奇和埃達還得自己干。他們沒有外來的經(jīng)費，甚至沒有助手。這一年巴貝奇已經(jīng) 51 歲了，而埃達只有 27 歲。不過他們的關(guān)系卻有點兒像今天創(chuàng)業(yè)公司的 CTO（首席技術(shù)官）和 CEO（首席執(zhí)行官）的關(guān)系，后者更多地在控制全局。這可能是因為埃達更具想象力，而且更善于把事情講清楚。埃達有一次不無得意地對巴貝奇講：“我覺得你的預(yù)見性不及我的一半。我不認(rèn)為我父親是詩人和我要成為分析師（相當(dāng)于今天所說的計算機科學(xué)家）有什么矛盾之處。”

?

事實上，埃達正是從她的父親那里繼承了詩人所特有的想象力。比如埃達已經(jīng)意識到，這個由卡片控制的機器不僅能計算，還能操作（operate）其他東西，比如操控語言、譜寫音樂。埃達甚至預(yù)測了“計算機科學(xué)”會成為一門獨立的學(xué)科。她認(rèn)為，“那是一門獨立的學(xué)科，自有其抽象的真理和價值……獨立于我們那些借助邏輯推理進行研究的課題”。今天，如果按照《美國新聞與世界報道》對學(xué)科的分類，計算機科學(xué)在大學(xué)中研究者人數(shù)是僅次于生命科學(xué)的第二大“科學(xué)類”學(xué)科，但這是 100 年之后的事情，埃達沒有機會看到這一天的到來。

?

為了制造出這種能夠操作其他東西的分析機，埃達不僅投入了后半生全部的精力，甚至變賣了自己的珠寶。但是巴貝奇的分析機始終沒有制造成功，甚至離成功還差得很遠。不過，埃達的想象力確實超人，她假定能夠設(shè)計發(fā)明出一種操作其他東西的計算機，然后設(shè)計了在計算機上能夠進行循環(huán)計算的流程，這其實就是今天在虛擬機上開發(fā)程序的概念。埃達因此被譽為世界上第一位程序員。1981 年，美國國防部開發(fā)出了一種新的高級程序語言，并用埃達的名字 ADA 命名，以此紀(jì)念這位計算機科學(xué)的先驅(qū)。

?

今天我們回過頭來看巴貝奇和埃達設(shè)計的分析機，它和我們使用的真正的計算機有一些相似之處，即有了硬件和軟件之分。在硬件上，它除了有運算單元，還有寄存器；在軟件上，除了能做直接的數(shù)學(xué)運算，還可以根據(jù)對數(shù)值大小的判斷，決定采用不同的計算流程， 并且允許在計算時采用“循環(huán)”和迭代的方式分步驟完成。不過這臺分析機和巴貝奇的差分機一樣，實際上也沒有制造完成。

?

1852 年，身患子宮癌的埃達不幸去世，年僅 37 歲，令人十分惋惜。已經(jīng) 60 歲的巴貝奇痛失知己和合作者，余生他不得不自己解決所有問題。事實上，在埃達去世前幾年，或許是因為看到他們的計劃太過宏偉，預(yù)感到有生之年沒有實現(xiàn)的可能，巴貝奇又回到了最初的想法，制造一臺精度極高的差分機，世稱巴貝奇差分機二號。直到 1871 年巴貝奇去世，他只完成了這臺龐大機器的 1/6。所幸的是，他和埃達留下了 5 萬張圖紙以及大量的設(shè)計文檔。100 多年后，人們根據(jù)他們的圖紙制作了這臺差分機，證明當(dāng)初他們的想法是正確的。但是， 巴貝奇在 1871 年去世時，不僅留下了一堆債務(wù)，而且失去了所有榮譽。大家覺得他是一個失敗者，甚至是一個騙子。

歡迎勾搭老胡↑↑↑

自 學(xué) 機 器 學(xué) 習(xí) 十 誡

假如特朗普是一門編程語言

眾所周知，YouTube是個學(xué)習(xí)網(wǎng)站

2020年度最佳的23個的機器學(xué)習(xí)項目

經(jīng)典教材《統(tǒng)計學(xué)習(xí)導(dǎo)論》Python版