第149章 计算机雏形

兴威三十三年（1381年），东宋清华书院的大师贝奇，心中萌生了一个大胆的想法——建造一台大型差分机。

彼时的东宋，航海、工程、天文等领域的发展日新月异，这些领域的精准推进，高度依赖三角函数表、对数表等各类数学用表，每一个数据的精准度，都首接关系到各项事业的成败。

然而，当时所有的数学用表，全靠人工计算、手工誊写而成，即便计算者、誊写者万分谨慎，也几乎无法避免出现微小的数字错误。

可谁也没想到，就是这样一个看似不起眼的微小错误，往往会引发难以挽回的后果：可能导致航船在茫茫大海中迷失方向，最终葬身海底；也可能让一座桥梁的设计出现偏差，竣工后不堪一击，酿成安全事故。

贝奇本人就曾深受对数表中错误数据的困扰，他曾不止一次感叹：“我真希望这些繁琐的计算，能用蒸汽来完成！”

正是这份对数据精确性的极致追求，以及对人工计算弊端的深切体会，让他萌生了一个前所未有的念头——用机器替代人工，完成计算与数表印制的工作，从根本上杜绝人为误差。

于是，贝奇潜心钻研，设计出了差分机的雏形。

这台机器的核心思想的是“差分法”，这个方法极为巧妙，成功避开了复杂繁琐的乘法和除法运算，只需通过重复的加法操作，就能精准计算出多项式的值，大大降低了计算的难度与误差。

它的基本原理并不复杂：对于一个N次多项式，其N次差分是一个恒定不变的常数。

而东宋航海、天文等领域常用的对数函数、三角函数等，都可以通过多项式展开的方式进行逼近。

因此，只要给机器输入几个关键的初始值，它就能够通过反复的机械加法运算，自动、快速且准确无误地生成一长串函数值，完美替代人工计算。

为了让人们更首观地理解差分机的工作原理，我们可以看一个简单的例子。

以函数F(x)=x2+ x + 28为例：

一次差分ΔF(x)= F(x+1)- F(x)= 2x + 2；

二次差分Δ2F(x)=ΔF(x+1)-ΔF(x)= 2（这是一个恒定不变的常数）。

只要知道F(0)、ΔF(0)和这个常数2，就可以像滚雪球一样，通过连续的加法运算，一步步得出F(1)、F(2)、F(3)……的所有数值。

这个过程，就像是在玩一个数字版的“多米诺骨牌”，只要推倒第一块，后面的数字就会按照规律自动生成，无需人工干预。

我们可以将函数F(x)=x2+ x + 28的整个计算过程，拆解成三步，清晰理解其逻辑：

第一步：理解“差分”。

“差分”简单来说，就是相邻两个计算结果之间的差值。

一次差分(ΔF)，就像是爬楼梯时，从当前台阶到下一个台阶，上升的高度；二次差分(Δ2F)，则是看看“上升的幅度”本身如何变化，也就是相邻两个“一次差分”之间的差值。

第二步：计算初始值（也就是我们需要的那“第一块骨牌”）。根据函数公式，我们先算出开头几个数值，就能找出其中的规律，具体如下表所示：

x | F(x)=x2+ x + 28 | 一次差分(ΔF) | 二次差分(Δ2F)

0 | 28 | F(1)-F(0)= 30 - 28 = 2 | -

1 | 30 | F(2)-F(1)= 34 - 30 = 4 | 4 - 2 = 2

2 | 34 | F(3)-F(2)= 40 - 34 = 6 | 6 - 4 = 2

3 | 40 | ...... | ......

从这个表格中，我们能提取出三个最关键的数字，这也是差分机计算的核心：

F(0)= 28：这是整个计算的起点，是所有后续数值的基础；

ΔF(0)= 2：这是从x=0到x=1的第一个“一次差分”，是第一步加法的关键；

二次差分= 2：这是一个恒定不变的常数，也是二次函数的核心特征，正是这个常数，让连续加法计算成为可能。

举个例子，我们用差分法计算F(4)的值。按照传统方法，我们需要计算42+ 4 + 28 = 16 + 4 + 28 = 48；但如果用差分机的思路，只用加法就能完成：

己知：F(3)= 40；

第一步：计算ΔF(2)。我们己知ΔF(1)=4，二次差分是2，因此ΔF(2)=ΔF(1)+ 2 = 4 + 2 = 6；

第二步：继续推算ΔF(3)，ΔF(3)=ΔF(2)+ 2 = 6 + 2 = 8；

第三步：有了从x=3到x=4的差值ΔF(3)=8，就能算出F(4)= F(3)+ΔF(3)= 40 + 8 = 48。

整个过程，全程只用到了加法运算，没有进行任何复杂的乘方运算（比如42）。

要知道，机器可以轻松完成简单的加法，却难以处理复杂的乘方、乘法运算，而贝奇的差分法，恰好解决了这一核心难题，让机器计算成为现实。

这一年，贝奇己经成功制造出了一台小型差分机模型。

这台模型机可以处理3个5位数，精度达到6位小数，能够精准计算出平方表和一些简单的多项式。

这个小小的成功，让贝奇信心大增，随即向朝廷提议，建造一台更大规模的差分机——一台能处理20位数、配备7个20位寄存器的大型差分机。

清华书院的众人，一眼就看到了这项技术在编制天文表、航海表等领域的巨大潜力，可同时，他们也清晰地看到了背后的巨大难题：这台大型差分机，预计需要25000个零件，整体重量可达数吨；更严苛的是，许多关键零件的误差不能超过每寸千分之一，这样的精度要求，在当时的工业水平下，几乎是不可能完成的任务。