Курс «История информатики»

Лекция 1.

Введение.

Информатика – наука молодая. Началом информатики принято считать 1948 год, год издания книги Норберта Винера “Кибернетика, или управление и связь в животном и машине”. Примерно в это же время были созданы первые электронные цифровые вычислительные машины. Возраст информатики – немногим более 50 лет. Тем не менее, эта наука имеет свою неповторимую, необычайно интересную историю.

Изучение истории науки – важнейшая часть подготовки специалиста, необходимая для правильного понимания сущности данной науки и для верного выбора направления и форм своей личной деятельности. Знакомство с историей научных открытий и технических изобретений может благотворно повлиять на результаты сегодняшних специалистов. История позволяет учиться на уроках прошлого и таким образом совершенствовать свою деятельность.

Изучение истории информатики является первостепенной задачей для дальнейшего успешного развития современных информационных технологий. На Западе преподавание истории информатики студентам соответствующих специальностей (Computer Science, Computer Technology, Software Engineering, Information Systems) становится правилом. Для этих специальностей разработаны различные учебные курсы и методические материалы по истории информатики.

Если рассматривать историю с общекультурных позиций, то она дает человеку широкие перспективы в его профессиональной области. Она позволяет исследовать внутренний мир и побудительные причины замечательных людей прошлого.

Академик А.Л. Яншин говорил: “Развитие науки невозможно без изучения её истории. Почти у всех выдающихся ученых есть труды по истории научных идей в той области знания, где они работают”.

Вот что пишет об историческом образовании академик А.Д. Александров: “Главным в общем образовании … должно быть, мне думается, образование историческое. Оно должно давать изложение развития жизни народов, их материальной и духовной культуры, науки в частности, содержать яркие описания драматических событий … и выдающихся личностей. История – это великая драма, которую играют и творят люди. Это тысячи сочиненных и разыгранных ими драм Шекспира и романов Толстого. Она потрясает, вдохновляет и дает нам глубокие поучения”.

История информатики должна рассматриваться как часть понимания человека и понимания того, как развитие информатики повлияло на человеческую жизнь.

Известны рассуждения некоторых историков и философов о роли личности. Нас в этом курсе будет интересовать роль личности в истории науки, и мы покажем, что вся информатика в целом – это создание небольшого числа выдающихся личностей. Какой бы раздел нашего курса мы ни взяли, весь материал этого раздела концентрируется вокруг определенных имен: Норберт Винер, Алексей Ляпунов, Сергей Лебедев, Андрей Ершов и др.

Мы называем таких ученых лидерами. Среди них были академики и лауреаты различных премий, отечественных и международных. Многие из них награждены почетным званием “Computer Pioneer”, которое учредило американское общество IEEE Computer Society.

Информатика и её история имеют ценный научно-образовательный и воспитательный потенциал. Особую роль в деле распространения высоких нравственных принципов может сыграть знакомство с биографиями выдающихся ученых и инженеров. Как правило, они сочетали блестящие творческие способности с высокой нравственностью и гражданским мужеством. Жизнь и деятельность этих людей – нравственный пример для молодого поколения. Аксель Иванович Берг, академик и адмирал, первый председатель Научного совета АН СССР по проблеме “Кибернетика” писал: “Восхищение незаурядными людьми вызывает естественное желание подражать им”.

Как мы знаем, борьба за признание кибернетики, а затем – информатики, в нашей стране увенчалась полным успехом. В 1955 году советская кибернетика, можно сказать, “вышла из подполья”, и началось ее свободное развитие. Интерес к новой науке был чрезвычайным. А источников информации – практически никаких.

В этой ситуации важную роль играл основанный в 1954 г. А.А. Ляпуновым “Большой” кибернетический семинар в МГУ.

Лидеры советской кибернетики А.А. Ляпунов и А.И. Берг, также как их соратники, придавали очень серьезное значение подготовке и изданию научной и популярной литературы по кибернетике.

В 1956 г. в Издательстве иностранной литературы выходит (под редакцией А.А. Ляпунова) русский перевод сборника “Автоматы”. Важно отметить, что оригинальное издание этой книги вышло в США в том же 1956 году.

В подготовке литературы важную роль играл Игорь Андреевич Полетаев (1915–1983). В 1956 году в издательстве “Советское радио” вышла под его редакцией книга Ф.М. Морза и Д.Е. Кимбелла “Методы исследования операций”, а в 1960 году – книга Дж.Д. Вильямса “Совершенный стратег, или Букварь по теории стратегических игр”.

В конце 1955 года, на одном из совещаний у А.И. Берга, И.А. Полетаев сообщил о своих планах издания научно-популярной книги по кибернетике. Берг горячо поддержал эту идею и, пользуясь своим влиянием, настоял на том, чтобы включить книгу Полетаева в план издательства “Советское радио”, которое находилось в ведении Министерства обороны.

А.А. Ляпунов направляет в издательство серьезное письмо, поддерживающее книгу Полетаева, организует ее обсуждение на заседаниях Большого семинара. Осенью 1958 г. в издательстве “Советское радио” выходит книга И.А. Полетаева “Сигнал” с подзаголовком “О некоторых понятиях кибернетики”. Это была первая отечественная монография по кибернетике.

В конце 1958 года в том же издательстве вышел первый русский перевод “Кибернетики” Н. Винера, а в Издательстве иностранной литературы – “Кибернетика и общество” Н. Винера.

В 1958 году выходит дополнительный, 51-й том второго издания Большой советской энциклопедии, в котором впервые  появляется статья “Кибернетика”, написанная А.Н. Колмогоровым, а также статья “Винер” (В.В. Иванов, М.К. Поливанов, В.А. Успенский).

В этом же году А.А. Ляпунов издает первый выпуск своего знаменитого сборника “Проблемы кибернетики”.

В 1959 г. Издательство иностранной литературы выпускает перевод монографии У. Эшби “Введение в кибернетику” под редакцией В.А. Успенского и с предисловием А.Н. Колмогорова.

В 1961 году в Государственном издательстве физико-математической литературы была издана еще одна оригинальная монография “Автоматы и живые организмы”. Она принадлежала перу известного советского кибернетика и историка науки Модеста Георгиевича Гаазе-Рапопорта (1919–1996).

К 1958 году стала очевидной необходимость создания некоторой организационной структуры для координации и развития нового научного направления – кибернетики. Эту идею активно обсуждают друзья-единомышленники, стоявшие у истоков кибернетических исследований – А.А. Ляпунов и А.И. Берг. Берг предлагает создать специальный Научный совет при Президиуме АН СССР. В январе 1959 г. Президиум поручает Бергу сформировать комиссию для подготовки аналитического доклада, который мог бы служить основой для принятия решения. Берг пригласил в эту комиссию 20 ведущих ученых различных специальностей: математиков, биологов, лингвистов и др. В очень короткие сроки эта комиссия разработала самым серьезным образом обоснованную проблемную записку “Основные проблемы кибернетики”.

А.И. Берг использует эти материалы для подготовки своего доклада “Основные вопросы кибернетики”, с которым он выступил 10 апреля 1959 г. на заседании Президиума АН СССР. Он четко формулирует главное: “Задачей кибернетики является повышение эффективности деятельности человека во всех случаях, когда ему необходимо осуществлять управление”, и завершает свой доклад словами: “Если будет создан Научный совет по кибернетике Академии наук СССР, он будет считать это своей основной задачей”.

Президиум АН СССР одобрил доклад. Совет по кибернетике был создан. Руководителем его был утвержден академик А.И. Берг, его заместителем – профессор А.А. Ляпунов.

Совет по кибернетике под руководством А.И. Берга в течение 20 лет (!) с большим успехом занимался организацией исследовательских работ в области кибернетики и ее приложений в масштабе всей страны. В 1977 году, в одном из своих докладов, А.И. Берг говорил:

“Особо следует сказать о наших Секциях – основном структурном подразделении Научного совета. Как известно, секции Научного совета строят свою работу на общественных началах … К работе секций на общественных началах привлечено более 800 человек, в том числе 11 академиков АН СССР и союзных республик, 22 члена-корреспондента АН СССР и союзных республик, около 200 докторов наук, свыше 350 кандидатов наук”.

Итак, наш курс посвящен истории информатики. В последнее время информатику определяют как “фундаментальную науку, изучающую общие свойства информации, методы и системы её создания, накопления, обработки, хранения и передачи с помощью средств вычислительной техники и связи”.

Часто спрашивают: почему сейчас не употребляется слово “кибернетика”?

Как известно, этот термин ввел в 1948 году Норберт Винер для обозначения нового научного направления, изучающего в наиболее общей форме процессы управления и связи.

В 60-е и 70-е годы прошлого века область кибернетики быстро расширялась. По мере развития научных направлений, входивших в кибернетику, возникали новые задачи и теории, формировались направления исследований, охватывающие теорию алгоритмов, теоретическое и прикладное программирование, теорию компьютеров и информационных сетей, базы данных, компьютерную лингвистику, искусственный интеллект и т. д. В то же время, бурное развитие микроэлектроники и средств связи создавало новые возможности.

Без преувеличения можно сказать, что информатика – одно из величайших достижений науки и техники. Сейчас информационные технологии пронизывают все сферы человеческой деятельности и оказывают сильнейшее влияние на формирование общества. Мы являемся свидетелями новой технической революции.

В 70-е годы термин “кибернетика” в нашей стране употреблялся все реже, а в начале 80-х для обозначения рассматриваемой области прочно вошел в обиход термин “информатика”, воспринимаемый обычно как синоним английского “Computer Science”.

Ещё одна возможная причина изменения терминов – естественная эволюция живого языка. Есть много примеров. Так, мы всегда употребляем слово “компьютер”, но вряд ли вы услышите сейчас “ЭВМ”.

Мы будем использовать, главным образом, термин “информатика”, заменяя его иногда словом “кибернетика”, если речь идет о соответствующем периоде времени.

Информатика в современном понимании ограничивает носители данных электронными, а системы – информационными системами, обеспечивающими обработку данных с помощью компьютерных и телекоммуникационных средств. Средства и методы такой обработки формируются на трех взаимосвязанных уровнях: вычислительная техника, информационные технологии и их программное обеспечение. Успехи в развитии вычислительной техники влияют на прогресс информационных технологий и создают предпосылки для улучшения методов разработки программ. В свою очередь, расширение сферы применения информационных технологий стимулирует совершенствование вычислительной техники и повышает требования к качеству программного обеспечения.

Информационные технологии поддерживают практическое применение информационных систем в различных видах деятельности, использующих базы данных, требующих анализа, поиска и переработки информации при управлении процессами, реализованными на базе вычислительной техники. Программирование специализируется на создании и исследовании программ, обеспечивающих надежную и безопасную работу информационных систем при их применении и развитии информационных технологий.

Всё это дает основания изучать историю информатики, начиная с истории кибернетики, включая совместный ход истории вычислительной техники информационных технологий и программирования. Традиционно периоды истории информатики ассоциируют с поколениями вычислительной техники, операционных систем и языков программирования.

В Западной Европе и в США систематически издается литература по истории кибернетики, информатики, компьютеров, биографии пионеров этой области знания и т. д. В России эта литература практически недоступна. Однако, многие публикации по интересующей нас тематике можно найти в виртуальных источниках, которые иногда называют “компьютерными музеями”.

Надо иметь в виду, что в зарубежных источниках история российской информатики не обсуждается. В то же время, за последние годы в России издан ряд книг, посвященных именно отечественной истории.

В 2004 году на сайте Новосибирского государственного университета авторами, при участии сотрудников НГУ, был создан “Виртуальный архив по истории отечественной кибернетики и информатики”: http://cshistory.nsu.ru, который содержит в настоящее время свыше 3000 единиц хранения, в том числе, около 500 статей и документов, 400 писем, 300 исторических фотографий. Архив продолжает пополняться. Он представляет собой уникальный информационный ресурс для очного и дистанционного преподавания истории информатики.

Несколько лет назад инициативная группа научных сотрудников Сибирского отделения РАН обратила внимание на проблему преподавания истории информатики. В 1998 году в Новосибирске была опубликована монография “Очерки истории информатики в России”, которая получила высокую оценку читателей и специалистов. Сейчас эта книга, наряду с другими монографиями, подготовленными нами в дальнейшем, используется студентами Новосибирского государственного университета в качестве учебных пособий при изучении курса “История информатики”. Упомянутые информационные ресурсы обеспечили необходимую информационную базу, необходимую для постановки такого учебного курса. Начиная с 2004/2005 учебного года, в НГУ для магистрантов Физического факультета читается обязательный курс “История информатики”. Курс состоит из 16 двухчасовых лекций (блоков) и заключительного экзамена. Конкретное использование этих блоков на лекциях зависит от намерений преподавателя и заданных целей обучения.

Авторы разработали подробные учебные материалы по основным блокам курса. В рамках проекта НГУ “Всесибирская Заочная Школа Информационных Технологий” подготовлен данный учебник, в котором активно используются электронные документы и публикации.

Все рассматриваемые работы по подготовке образовательных ресурсов и организации преподавания истории информатики выполнены, в основном, в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН и Институте систем информатики СО РАН. Необходимо подчеркнуть, что в конце 2005 года Комиссия РАН по проверке научной деятельности ИВМ и МГ записала в своем Заключении:

“Комиссия особо отмечает, что в Институте инициативно развивается уникальное направление по исследованию истории информатики в России, что является важным вкладом в воспитание молодых научных кадров”.

Предлагаемый курс знакомит с ключевыми страницами истории информатики и показывает непростой путь становления этой новой науки. Основной материал курса освещает начальный период истории информатики. В дальнейшем предполагается дополнить курс до годового объема и более подробно изложить историю программирования.

Вопросы:

1. Перевод слова “кибернетика” с греческого?
2. Этимология слова “кибернетика”?
3. Что изучает “кибернетика” как наука?
4. С какой точки зрения кибернетика изучает живые организмы и их объединения?
5. Что именно кибернетика понимает под управлением и связью?
6. В каких случаях можно сказать, что машина или организм обладают органами обратной связи?
7. В каких случаях говорят о регулировании деятельности машины или организма?
8. Как определяют предмет кибернетики как науки?
9. Что в определении кибернетики показывает центральное значение понятия “информация”?
10. С каким понятием физики принято сравнивать понятие “количество информации”?
11. Кто ввел понятие “количество информации”?
12. Приведите примеры природных механизмов хранения и переработки информации?
13. Приведите примеры природных механизмов хранения огромного количества информации в ничтожных объемах?
14. Приведите примеры природных механизмов восприятия огромного количества новой информации с ничтожной затратой энергии?
15. Приведите примеры природных механизмов сложной переработки огромного количества информации за ничтожно короткое время?
16. Кто основал в 1954 г. “Большой” кибернетический семинар в МГУ?
17. В каком году вышел под редакцией А.А. Ляпунова русский перевод сборника “Автоматы”, почти одновременно с оригинальным изданием этой книги в США?
18. Как называлась первая отечественная монография по кибернетике? Кто ее автор?
19. Когда вышло первое русское издание книги Н. Винера “Кибернетика”? В каком издательстве?
20. Когда вышел дополнительный, 51-й том второго издания Большой советской энциклопедии, в котором опубликована статья “Кибернетика”? Кто написал эту статью?
21. В каком году началось издание знаменитого сборника “Проблемы кибернетики”?
22. Кто автор предисловия к переводу монографии У. Эшби “Введение в кибернетику”, выпущенного в 1959 г. Издательством иностранной литературы
23. Назовите автора оригинальной монографии “Автоматы и живые организмы”, изданной в 1961 году в Государственном издательстве физико-математической литературы.
24. Назовите руководителей Научного совета по кибернетике при Президиуме АН СССР.
25. Как долго Совет по кибернетике под руководством А.И. Берга занимался организацией исследовательских работ в области кибернетики и ее приложений в масштабе всей страны?
26. Какое количество специалистов было привлечено к работе Совета по кибернетике?

Лекция 2

Предыстория информатики

Информатика не возникла вдруг, на пустом месте. К моменту появления ее предшественницы – кибернетики (40-е годы прошлого века) в целом ряде естественнонаучных и технических дисциплин были получены отдельные теоретические результаты, накоплены многочисленные знания и факты, которые можно назвать истоками или корнями кибернетики.

Ниже мы выделим основные корни кибернетики и систематически рассмотрим состояние соответствующих знаний к моменту зарождения идей, которые можно назвать кибернетическими, т. е. к 30–40-м годам 20-го века.

Известно, что термин “кибернетика” для обозначения науки об управлении общественными системами использовали французский физик А.М. Ампер1 (1775–1836) и польский ученый Ф.Б. Трентовский2 (1808–1869), ученик Гегеля.

Можно считать, что корни кибернетики, в основном, относятся ко второй половине

19-го века, и существовали они сравнительно самостоятельно до конца первой половины 20-го столетия. Корни эти представляют собой как элементы чисто инженерного знания, так и некоторые локальные обобщения – результат развития теоретического знания в отдельных естественнонаучных и научно-технических дисциплинах. Это:

– системы автоматического регулирования и управления, теория автоматического регулирования;

– элементы моделирования и локальные теории моделей для различных областей техники;

– счетно-решающие приборы и математические инструменты;

– цифровые вычислительные машины;

– элементы программирования для ЦВМ;

– релейно-контактные схемы управления и защиты, элементы теории релейно-контактных схем;

– средства связи и некоторые вопросы теории связи;

– биомедицинские исследования, такие, как биомеханика, общая физиология, физиология высшей нервной деятельности;

– вопросы административного и производственного управления, элементы общей теории систем;

– элементы психологии труда и инженерной психологии;

– математическая логика как часть математики.

Рассмотрим теперь каждый из этих корней.

Автоматическое регулирование и управление. Потребности развития техники, требования к поддержанию в заданных пределах различных величин, характеризующих функционирование технических устройств, привели к изобретению и последующему развитию разнообразных регуляторов. Первым технически применявшимся прибором такого рода, в котором использовался несформулированный еще принцип управления по отклонению (обратная связь), был регулятор Уатта – он служил для регулирования скорости паровой машины путем воздействия на количество поступающего в нее пара. В дальнейшем появились и другие виды подобного рода устройств.

Распространение регуляторов, потребность в повышении точности их работы, в устранении явления неустойчивости (автоколебаний) привели к теоретическому осмыслению принципов их работы, к выработке математического описания их функционирования и созданию методов соответствующих инженерных расчетов. Первые теоретические исследования систем автоматического регулирования с обратной связью связаны с именами Дж. К. Максвелла, И.А. Вышнеградского и А. Стодолы3.

Примерно до середины 30-х годов 20-го века теория регулирования развивалась в рамках отдельных технических дисциплин, таких, как “регулирование машин”, “регулирование электродвигателей”, “гидравлические регуляторы”, “электропривод”

и т. п. Само понятие “обратная связь”, пронизывающее всю теорию автоматического регулирования, вошло в нее лишь после появления электрических и электронных элементов и построенных на их базе разнообразных следящих систем, называвшихся ранее сервосистемами или сервомеханизмами.

С конца 30-х годов началось интенсивное проникновение следящих систем во все отрасли техники, включая радиотехнику, электронику и счетно-решающие устройства; по этой тематике стали выпускаться журналы, сформировались соответствующие коллективы специалистов. Сложившаяся к этому времени общая теория автоматического регулирования связана с именами А.В. Михайлова, Г. Найквиста, А.А. Андронова, Б.Н. Петрова, М.А. Айзермана, А.А. Фельдбаума и многих других советских и зарубежных ученых.

Теория автоматического регулирования явилась одной из важнейших основ кибернетики, и после возникновения последней вошла в нее как одна из существенных составных частей.

Моделирование. Моделирование также развивалось в рамках конкретных научно-технических дисциплин уже в первой половине 19-го века, а в некоторых областях и того ранее. Речь идет главным образом о построении уменьшенных действующих моделей различных технических систем и устройств до воплощения их в натуральных размерах. Такое моделирование называют натурным или масштабным. Примерами могут служить известная модель деревянного одноарочного моста через Неву, построенная И.П. Кулибиным, модели паровых машин и паровозов, выполненные их конструкторами (Дж. Уатт, Р. Тревитик, Дж. Стефенсон и др.) в порядке подготовки практической реализации своих изобретений. В настоящее время такого рода модели (судов, самолетов и т. п.) изучаются в опытовых бассейнах, аэродинамических трубах и пр.

Зарождение моделирования в науке связано с появлением понятия “подобие”, использовавшимся главным образом для решения ряда задач строительной механики, а затем проникшим в другие области техники. Развитие этого вида моделирования привело к созданию соответствующей теории, называемой иногда теорией подобия.

Использование одной системы в качестве модели для изучения другой, являющееся и одним из основных методов кибернетики, получило интенсивное развитие после широкого распространения электрических цепей, когда благодаря законам токораспределения Кирхгофа удалось установить, что поведение этих цепей описывается системами дифференциальных уравнений. Изменение параметров цепей означало, по сути дела, изменение параметров соответствующих уравнений (систем уравнений), а изменение структуры цепей – изменение формы уравнений. Так электрические цепи (схемы) превратились в удобный модельный инструмент для изучения процессов в разнообразных системах.

Модельные исследования первоначально развивались автономно в рамках отдельных технических дисциплин; изучалось “электрическое моделирование акустических систем”, “моделирование механических систем” и т. п. То, что все эти виды моделирования основываются на аппарате дифференциальных уравнений, описывающих процессы различной природы, привело к “универсализации” электрических (электронных) моделей, и их начали использовать в качестве инструмента для решения дифференциальных уравнений и их систем, вне зависимости от того, какие реальные системы и процессы этими уравнениями описываются. Так было положено начало развитию аналоговых вычислительных машин (АВМ) и так называемому математическому моделированию.

Примерно к этому времени, т. е. к 30-м годам 20-го века, усилиями ряда ученых (Л.И. Гутенмахер, Г.Л. Полисар и др.) было показано, что электрические сети могут применяться для моделирования более сложных систем, для решения уравнений в частных производных. Появились сеточные электрические модели, которые стали применяться для решения задач строительной механики, теории упругости, гидродинамики и др. В развитие электромоделирования и в создание электронных аналоговых машин, называвшихся также интеграторами, кроме упомянутых выше Л.И. Гутенмахера и Г.Л. Полисара, большой вклад внесли многие советские и зарубежные ученые – А.А. Фельдбаум, В.Б. Ушаков, Г.И. Петров, Г. Крон и др.

Счетно-решающие приборы и математические инструменты. Строго говоря, счетно-решающие приборы можно рассматривать как разновидность моделирующих устройств. Истоки их относятся к древности. При решении землемерных и астрономических задач возникла потребность в решении треугольников и других геометрических проблем. Родилась идея, что задачи эти можно решать в уменьшенном масштабе – “на бумаге” – в виде графических построений, а далее – с помощью механических устройств, в которых длины и углы поворота отдельных деталей соответствуют реальным расстояниям и углам, непосредственно получаемым при измерениях изучаемых объектов. Так появились первые астрономические инструменты, с помощью которых, помимо непосредственного измерения углов, модельным путем – с использованием принципа геометрического подобия – определялись неизвестные линейные размеры объектов. Аналогичные принципы использовались для определения расстояний на земле.

В дальнейшем принцип геометрического подобия стал применяться для выполнения простых математических операций (сложение, вычитание, умножение) и их комбинаций; математические величины вводились в приборы в соответствующем масштабе в виде углов, перемещений, длин и иных чисто механических носителей.

Проблемой, затруднявшей использование подобных устройств, являлась трудность достижения необходимых точностей чисто механическими средствами. Поэтому интенсивное их развитие, главным образом для решения военных задач (военные приборы), началось лишь в 20-м веке, когда прогресс технологии позволил создавать достаточно прецизионную технику. На механических принципах были созданы довольно сложные приборы для управления артиллерийской зенитной стрельбой (ПУАЗО), управления торпедной стрельбой и стрельбой корабельной артиллерии. Важной особенностью такого рода счетно-решающих приборов было то, что они работали в “натуральном масштабе времени”, т. е. результаты получались непрерывно, без задержки, при непрерывном же вводе исходных данных.

Развитие электротехники и электроники привело к введению в описываемые приборы электрических и электронных элементов (потенциометрические схемы, решающие усилители, вращающиеся трансформаторы), а затем к появлению счетно-решающих устройств, полностью построенных на такого рода элементах; эти устройства начали интенсивно разрабатываться в 40-е годы и в значительной степени стимулировали развитие аналоговых моделирующих устройств.

Все это воздействовало на развитие инженерной мысли в области точного приборостроения. Помимо вопросов точности механизмов, которыми занимались такие ученые, как Н.Г. Бруевич и 3.Ш. Блох, возник ряд специальных инженерных дисциплин, связанных с отдельными аспектами теории и методики проектирования систем и устройств, решающих определенные группы математических задач. Кроме упомянутых выше ученых, исследования в этой области вели Б.И. Станиславский, А.А. Папернов, А.Л. Лившиц, Л.Н. Преснухин, В.С. Семенихин и др., а также многие зарубежные специалисты (в их числе были Н. Винер, Л. Заде, Д. Рагаззини и др.).

Развитие цифровых, дискретных устройств типа арифмометров, сначала на основе механических принципов, а затем электромеханических и электронных, привело к включению цифровых элементов в счетно-решающие приборы, а затем и к созданию цифровых счетно-решающих устройств – специализированных ЦВМ, – работавших в натуральном масштабе времени.

Существенным является то, что развитие счетно-решающей техники обусловило переход от управления отдельными объектами (станок, орудие, батарея и т. п.) к управлению их комплексами, т. е. выдвинуло задачу управления техническими системами сложной природы. Иначе говоря, возникли подходы кибернетического плана. Примечательно, что работы Н. Винера в области теории ПУАЗО и счетно-решающих приборов помогли ему сформулировать ряд идей, которые вошли в его первую книгу о кибернетике.

Математические инструменты. Их развитие началось с упоминавшихся выше астрономических инструментов и тоже шло по пути создания точных приборов аналогового типа; развитие это отличается разве что меньшей интенсивностью и тем, что принцип работы в натуральном масштабе времени здесь не использовался, так как эти приборы предназначались, главным образом, для решения статических задач, таких, как измерения геометрических объектов, площадей, длин, для интегрирования и дифференцирования графически заданных функций и т. п.

Не останавливаясь подробно на истории математических инструментов – она достаточно освещена в литературе,4 – заметим, что в их конструкции часто использовались принципы и решения, разработанные в теории счетно-решающих приборов, и наоборот, ряд принципов и решений, применимых в математических инструментах, нашли успешное использование в счетно-решающих устройствах. Научно-исследовательский семинар по точности механизмов, которым руководил Н.Г. Бруевич (40-е–50-е годы), значительное время занимался почти исключительно проблемами, связанными с точностью математических инструментов, и, тем не менее, сыграл заметную роль в развитии теории счетно-решающих приборов.

Цифровые вычислительные машины. ЦВМ также имеют достаточно большую историю. Многие вопросы этой истории подробно освещены в литературе5. Мы остановимся, поэтому, лишь на некоторых основных аспектах развития ЦВМ. Первым шагом здесь является создание – еще в древности – абака, разновидностью которого являются русские конторские счеты. В этих простейших приборах уже используется кодирование десятичных цифр с помощью дискретных единиц-костяшек и осуществляется реализация простейших арифметических действий. Следующий шаг – это создание арифмометров, т. е. механических устройств для выполнения операций арифметики. 19-й век ознаменован арифмометром с колесом Однера (1874); позже выпускались счетно-клавишные машины ВК, “Мерседес”, “Рейнметалл” и др. Затем появилось множество разнообразных клавишных электронных калькуляторов, способных выполнять относительно простые вычислительные процедуры. Изменилась техника – от механических систем произошел переход к электромеханическим, а затем к электронным; изменился источник энергии – ручной привод заменился электродвигателями, а затем электронными источниками питания. Однако основной принцип работы – составление на бумаге плана расчета и пошаговое последующее его выполнение – остались.

Принципиально новой идеей, восходящей к работам Ч. Бэббиджа, явилось использование бумажного носителя информации – перфокарт, примененных ранее Ж. Жаккаром для управления ткацким станком,– с целью реализации фиксированных последовательностей арифметических операций, т. е. вычислительного процесса. Эта идея привела к зарождению элементов программирования, заключавшегося в изготовлении управляющих перфокарт, а также позднее к коммутации на наборных досках и вылилась в то направление вычислительной техники, которое связывают с именем Г. Холлерита и называют счетно-перфорационной техникой. Существенным в счетно-перфорационных машинах является то, что для “программирования” последовательности операций используются не перфокарты, а коммутационные доски со штеккерными соединениями. На перфокартах же кодируется числовая информация.

Комплекты счетно-перфорационных машин в 30-е–40-е годы сыграли существенную роль в решении массовых вычислительных задач для народного хозяйства и обороны страны. В разработку методов их использования внесли вклад работы Л.Я. Нейшуллера, И.Я. Акушского, С.К. Неслуховского и других ученых.

Существенным этапом, с которого началось развитие современных ЦВМ, явилась разработка в начале 40-х годов релейных и электронных схем для хранения в машинах цифровой информации – промежуточных данных и результатов вычислений. Началось развитие одного из важнейших устройств ЭВМ – блока памяти. Развитие науки и техники, особенно электроники, привело в дальнейшем к использованию целой гаммы принципов построения запоминающих устройств – регистровых, на магнитных барабанах, лентах и дисках, электронно-лучевых, ферритовых, пленочных, оптоэлектронных – что существенным образом сказалось на развитии ЭВМ и росте их производительности.

К началу формирования кибернетики как научного направления (конец 40-х годов) относится революционная идея Дж. фон Неймана относительно “единства” информации, используемой на всех этапах работы ЦВМ, и, в частности, о хранении в памяти машины, помимо текущей информации, связанной с решаемой задачей, также и информации программной. Идея эта – важнейшая в комплексе принципов, составивших то, что обычно называют фоннеймановской структурой ЭВМ, и в значительной степени сохранившая свою жизненность до наших дней, привела к возможности оперировать с командами программ так же, как и с числами: осуществлять в машине их преобразования, выполнять над ними логические и арифметические операции. В концепции фон Неймана автоматический цифровой вычислитель выступил как устройство для переработки информации любой природы, не обязательно числовой.

Уже к концу 40-х годов на развитие ЭВМ и их теории существенное влияние оказывали и такие составные части (“корни”) кибернетики, как теория релейно-контактных схем и автоматов, математическая логика; возрастающее значение стали приобретать вопросы программирования. Необходимо, однако, отметить, что ЭВМ и их теорию нельзя отождествлять с кибернетикой: они лишь частично смыкаются с ней, выступая в качестве ее технической базы.

В самом деле, “ипостаси” ЭВМ многообразны. Эти машины являются мощным средством выполнения сложнейших математических расчетов, решения разнообразных научных и инженерных задач; это не всегда имеет непосредственные связи с кибернетикой, но, безусловно, относится к прикладной математике. В силу высокого быстродействия ЭВМ являются мощным инструментом информационного (не обязательно математического!) моделирования разнообразных объектов, систем, процессов и явлений; в качестве универсального инструмента моделирования они, естественно, используются для решения задач собственно кибернетического плана; в этом смысле ЭВМ являются одним из основных инструментов кибернетики. Далее, ЭВМ входят в качестве ведущей компоненты в сложные управляющие и информационные системы, изучаемые в кибернетике. Наконец, архитектура, возможности, теория и принципы совершенствования ЭВМ являются объектами кибернетического рассмотрения.

Программирование для ЦВМ. Родоначальником программирования считается Ада Лавлейс – дочь знаменитого поэта Дж. Г. Байрона,– которая составляла первые программы для “аналитической машины” Бэббиджа. Однако серьезно о программировании стало возможным говорить лишь с момента появления первых ЭВМ и внедрения фоннеймановского принципа ввода и хранения программ в памяти машины.

К моменту зарождения кибернетики уже накопился некоторый опыт составления программ для ЭВМ. Так, в начале 50-х годов элементы программирования были включены С.А. Лебедевым в лекции по вычислительной технике, которые он читал в Московском энергетическом институте. Первый в СССР самостоятельный курс программирования был прочитан в это же время А.А. Ляпуновым6. Накопление опыта программирования привело к возникновению элементов теории программирования, к разработке вопросов программирования невычислительных задач, к попыткам использования ЭВМ для автоматизации программирования, что сразу же стало объектом исследований возникавшей в это же время кибернетики. Именно поэтому теорию программирования для ЭВМ, тесно связанную с использованием методов математической логики и дискретной математики, следует считать одним из “корней” – и составных частей – кибернетики.

Релейно-контактные схемы и их теория. Переключательные элементы, позже получившие название “реле”, появились в начале 19-го века, истоки же их – аналогичные элементы неэлектрической природы – создавались еще ранее. Первые конструкции электромагнитных реле можно обнаружить уже в пишущем устройстве телеграфного аппарата С. Морзе. Впоследствии, с развитием электротехники и электросвязи, многообразие релейных устройств резко возрастает. Релейные, или, точнее, релейно-контактные схемы начинают применяться в средствах защиты электротехнических систем, в связи, в системах автоматики, телемеханики и телеуправления. В первой половине 20-го века релейная техника продолжает быстро развиваться; появляются телемеханические системы различного назначения, широко использующие релейные схемы.

Теоретические исследования этого времени ограничиваются вопросами расчета и проектирования реле как самостоятельных устройств. Исследований, связанных с построением таких схем из реле, которые обладали бы заданными свойствами и выполняли требуемые функции, не было. Каждая релейная схема, разработанная для практических задач, не основывалась на теоретической модели, а была отдельным изобретением. В середине 30-х годов 20-го века начала зарождаться теория релейно-контактных схем, т. е. схем, состоящих из нескольких релейных элементов. В нашей стране слово в этой области было сказано В.И. Шестаковым. В его диссертации (1938 г.) – она называлась “Некоторые математические методы конструирования и упрощения двухполюсных схем класса А” – для анализа и расчета релейно-контактных схем были использованы методы алгебры логики. Работы Шестакова, по-видимому, опередили аналогичные исследования, выполненные известным специалистом по информатике и кибернетике Клодом Шенноном (США).

Большая роль в развитии логико-математических методов анализа и синтеза релейно-контактных схем и в их внедрении в инженерную практику принадлежит М.А. Гаврилову, его последователям и ученикам (В.Н. Рогинский, В.Г. Лазарев, П.П. Пархоменко и др.). В 1943 г. М.А. Гаврилов выпустил первый отчет о своей работе и начал активную деятельность по привлечению научных сил к этой проблеме. Он явился основателем школы исследователей, работающих в области релейно-контактных схем и теории автоматов,– школы, которую называют “гавриловской”.

В настоящее время многие идеи и результаты М.А. Гаврилова7 заняли прочное место в соответствующих учебных курсах, но не так было в 40–50-е годы, когда его работы не всегда встречали понимание, и надо было обладать мужеством и научной убежденностью, чтобы противостоять оппонентам, выступавшим против логико-математических методов в инженерной практике: М.А. Гаврилову ставили в вину “формализм” и даже идеализм. Несколько позже, уже в русле чисто кибернетических исследований на базе математической логики, существенные результаты в данной области были получены С.В. Яблонским, О.Б. Лупановым и другими советскими математиками.

Таким образом, к моменту выдвижения концепции кибернетики Н. Винером (1948 г.) уже были заложены основы теории, показывающей, в частности, что положения алгебры логики, созданной в прошлом веке, “воспроизводятся” с помощью релейно-контактных схем и что, наоборот, релейно-контактные схемы описываются алгебро-логическими методами. Этот теоретический “задел” явился базой для развития теории автоматов и вместе с последней вошел в качестве составной части в кибернетику; в дальнейшем он составил теоретическую основу анализа и рационального проектирования логических схем цифровых вычислительных машин8.

Устройства связи и теория связи. Технические средства связи – подобно часам, методам и средствам измерений – в идейном плане представляют собой наиболее древние прообразы кибернетических систем. Действительно, если любые технические системы могут характеризоваться коэффициентом полезного действия, т. е. отношением полезной энергии или вещества к энергии или веществу, затраченным для получения требуемого эффекта, то задачей систем связи и измерительных систем является получение сведений, сообщений, сигналов, т. е. того, что ныне получило общее наименование информации и является одним из основных понятий кибернетики. Сигнальный, информационный характер измерительных приборов и средств связи делает их прямым предшественником кибернетических систем. Ибо в их основе лежит понятие сигнала, знака. Почтовое или телеграфное сообщение ценно не благодаря его вещественному или энергетическому содержанию, а из-за смысла, информации, в нем заложенной; можно идти еще дальше и считать отдаленными корнями кибернетики язык и письменность – первые системы, в которых знаковый, информационный характер является “оправданием” их существования.

Вернемся, однако, к системам связи. Развитие их привело к появлению таких важных для кибернетики понятий, как кодирование сообщений, канал связи, источник и приемник информации, помехи, шумы и т. п. Интересно отметить, что первый пример научного – а именно статистического – подхода к кодированию связан с именем С. Морзе, который при разработке (1838 г.) телеграфного кода, названного его именем, учитывал частоты встречаемости различных букв в англоязычных текстах. Можно вспомнить о другом “эпизоде” дешифрирования сообщений – типично кибернетической задаче! – который фигурирует в известном рассказе Эдгара По “Золотой жук”, относящемся еще к 1843 г.

Прогресс систем связи, появление радио, электронных схем и таких специфических информационных средств, как радиолокация, повлекло за собой развитие теории связи, ее выделение в самостоятельную научно-техническую дисциплину, вошедшую в состав кибернетики. Большое влияние на последующее развитие оказали работы академика В.А. Котельникова, которые позволили установить связь между непрерывными сигналами и их дискретными кодами и возможность представления любого непрерывного сигнала в дискретной форме.

Системы передачи цифровых (дискретных) данных являются необходимой основой большинства современных сложных управляющих систем, требующих наличия развитой структуры каналов и сетей передачи управляющей информации. Развитие теории релейно-контактных схем и средств вычислительной техники сыграло большую роль в совершенствовании современных средств связи, особенно при решении задач коммутации, кодирования и декодирования сообщений.

Биомедицинские исследования. Биология и медицина, темпы развития которых непрерывно возрастают, также оказали заметное влияние на возникновение кибернетических идей. Прежде всего это относится к общей физиологии и физиологии высшей нервной деятельности.

Еще в 19-м веке предпринимались попытки привлечения научных знаний из области механики для изучения движения живых организмов. Исследования кровотока привели к открытию ряда законов гидродинамики (А. Навье, Дж. Г. Стокс). Физиологические исследования (Н.А. Белов, М.М. Завадовский, Н.А. Бернштейн, а затем П.К. Анохин) привели к установлению существенной роли принципа обратной связи в функционировании живых организмов.

Модельные представления при исследовании физиологических процессов привлекались еще И.М. Сеченовым (1829–1905); широко известные работы И.П. Павлова (1849–1936) раскрыли роль сигнальной информации в высшей нервной деятельности животных и человека. В работах У. Б. Кеннона, сформулировавшего в 1929 г. положение о гомеостазе, были рассмотрены основы устойчивого функционирования физиологических систем, которые после изобретения У. Р. Эшби гомеостата9 легли в основу одного из кибернетических направлений – гомеостатики. К этому же времени было установлено наличие в организме сложных взаимосвязанных регулирующих систем, поддерживающих – несмотря на изменение внешних воздействий – в определенных пределах ряд жизненно важных параметров организма, как, например, температуру тела, давление и химический состав крови, частоту пульса, дыхания и т.д.

Исследования высшей нервной деятельности и морфологии нервной системы и головного мозга, изучение функционирования нервных клеток позволили установить роль электрических (ионных) процессов в функционировании нервной системы, дискретный – на определенном уровне “срабатывания” – характер работы нейронов; была раскрыта грубая структура некоторых зон мозга, в частности анализаторных. Выяснилось, что в первом приближении нейроны работают по принципу “все или ничего”, т. е. в определенной степени аналогично релейным переключательным элементам.

К 30-м годам 20-го века относятся кибернетически значимые исследования Н.А. Бернштейна и П.К. Анохина. Последним, в частности, было постулировано существование в живых организмах “акцепторов действия” (синоним известного в технике упреждающего механизма – “предиктора”), а в дальнейшем сформулирована идея функциональной системы и показано, что введение этого понятия проливает свет на природу целесообразного функционирования физиологических систем организма и его целенаправленного поведения.

Сложность биологических образований и процессов, большое число и разнообразие связей между их элементами и подсистемами, трудности изучения таких систем традиционными методами привели в это же время к зарождению элементов “общей теории систем” (Л. фон Берталанфи), которая в первое время развивалась параллельно кибернетике, а в дальнейшем практически слилась с нею.

Элементы теории управления в социальных структурах. Своеобразным корнем кибернетики, относительно мало заметным на первых этапах ее исторической подготовки и становления, явились попытки научного рассмотрения проблем управления социальными и экономическими системами. Здесь следует отметить упоминавшиеся выше работы Ф.Б. Трентовского, который задолго до Винера пользовался термином “кибернетика”, а также опубликованный в 10–20-х годах 20-го века трехтомный труд А.А. Богданова “Тектология”10, в котором предпринималась попытка, говоря современным языком, системно-кибернетического анализа некоторых вопросов функционирования социальных структур и управления ими.

Работы А.А. Богданова (1873–1928) и Л. фон Берталанфи представляют собой первые попытки построения “общей” теории больших и сложных систем, какими являются биологические и социально-экономические системы, рассмотрения этих систем со структурно-информационной точки зрения, при существенном отвлечении от их “субстратного” состава.

К моменту “оформления” кибернетики также был выполнен ряд исследований, в которых математические методы использовались для анализа экономических систем и для решения ряда народнохозяйственных задач. Одной из первых работ этого рода явилась работа Л.В. Канторовича “Математические методы организации и планирования производства”11, относящаяся к 1939 г. Необходимо также отметить шедшие в аналогичном русле исследования В.С. Немчинова (1894–1964), В.В. Новожилова (1892–1970), М.К. Гавурина, В.А. Залгаллера, а в США – В.В. Леонтьева (1906–1999) – ученых, которым, в частности, принадлежит инициатива в использовании модельных подходов в экономике и в построении ряда экономических моделей, сыгравших существенную роль в развитии математической экономики, называемой также экономической кибернетикой.

Заметим, что на первых порах формирования кибернетики социальные, и в том числе экономические, структуры в силу их сложности и трудности формализации не рассматривались еще как объекты кибернетического и информационного анализа. Эти работы, часто неявно, уже содержали некоторые общие принципы и положения, которые впоследствии вошли в концептуальный аппарат кибернетики (обратная связь, информация, целостность системы и др.).

Инженерная психология и психология труда. Развитие автоматизированных управляющих систем, технических средств управления отдельными объектами и сложными техническими комплексами привело к исследованию возможностей человека в работе с такими системами, в выполнении функций “элемента” в так называемых человеко-машинных системах.

Исследования по изучению свойств и особенностей человека-оператора, работающего с техническими управляющими системами, которые охватываются понятием инженерной психологии, стали активно развиваться с конца 30-х годов 20-го века. В известной мере эти исследования продолжили работы по психологии труда, в которых изучалась общая проблема взаимодействия человека с техническими устройствами. Эти работы активно проводились в нашей стране уже в начале 20-х годов и связаны с именами А.К. Гастева12 (1882–1941) и его учеников, а также Н.А. Бернштейна, С.Г. Геллерштейна и др. Анализировались проблемы управления движениями человека, изучались его механические и психофизиологические характеристики, определяющие возможности и успешность его работы с техникой, вопросы обучения соответствующей трудовой деятельности и пр.

Человеко-машинные системы по своему характеру и по функциям, ими выполняемым, полностью относятся к управляющим системам, и поэтому естественно, что с возникновением кибернетики инженерная психология, не перестав быть разделом психологии, стала во многом также и ответвлением кибернетики.

Математические корни кибернетики. Некоторые математические направления, развиваясь в рамках своей науки, стали необходимым и важным инструментом кибернетических исследований. Среди этих направлений следует прежде всего указать на теорию обыкновенных дифференциальных уравнений и особенно на вопросы их устойчивости (А.М. Ляпунов), а также на проблематику оптимизации сложных динамических систем, описываемых дифференциальными уравнениями и их системами.

Характерным для кибернетики явилось использование таких экзотических в свое время разделов математики, какими являются математическая логика и теория алгоритмов. Возникшие в рамках “чистой” математики, эти ее разделы традиционно связывались лишь с общими вопросами обоснования математики; долгое время считалось, что они не имеют прикладного значения. И только появление теории релейно-контактных схем, использование в ЦВМ двоичной системы счисления (удобной для технических реализаций), тесно связанной с двоичной же алгеброй логики (булевой алгеброй), потребности в разработке и оптимизации логических и вычислительных элементов и узлов ЦВМ сделали математическую логику, а в известной степени и всю дискретную математику, одним из эффективных инструментов кибернетических исследований. То же можно сказать и о теории алгоритмов и рекурсивных функций, возникшей в рамках математической логики в связи с проблемами вычислимости и доказуемости, но по мере развития программирования превратившейся в его теоретическую основу и инструмент дальнейшего развития.

Существенно отметить, что развитие кибернетики, в свою очередь, оказало стимулирующее влияние на исследования в области математической логики, теории алгоритмов и всей дискретной математики. Здесь следует упомянуть идеи и результаты А. М. Тьюринга (1912–1954), Э. Поста (1897–1954), А.А. Маркова (мл.) (1903–1979), С.А. Яновской (1896–1966) и других отечественных и зарубежных математиков и логиков, работы которых сформировали математический фундамент кибернетики.

Примечания

1 См.: Г.Н. Поваров. Ампер и кибернетика. М.: Советское радио, 1977, 95 с.

2 Ф.-Б. Трентовский – автор вышедшей в 1843 г. в Познани на польском языке книги “Отношение философии к кибернетике как искусству управления народом”.

3  Д.К. Максвелл, И.А. Вышнеградский, А. Стодола. Теория автоматического регулирования (линеаризованные задачи) / М.: Изд-во АН СССР, 1949, 430 с.

4 В. Мейер цур Капеллен. Математические инструменты. Изд. 2-е: Пер. с нем. М.: Издательство иностранной литературы, 1950, 316 с

5 См.: Р.С. Гутер, Ю.Л. Полунов. От абака до компьютера // М.: Издательство “Знание”, 1981, 208 с.; Б.Н. Малиновский. История вычислительной техники в лицах // Киев:КИТ, 1995, 384 с.

6 В 50-е годы ряд лекционных курсов по программированию (главным образом для преподавателей вузов – математиков) читался также в некоторых московских высших технических учебных заведениях. Курсы в основном повторяли материал А.А. Ляпунова, и лекторами были А.И. Китов, Н.А. Криницкий, М.Г. Гаазе-Рапопорт и некоторые другие специалисты.

7 Укажем в этой связи его фундаментальную монографию “Теория релейно-контактных схем. Анализ и синтез структуры релейно-контактных схем” (М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1950, 303 с.)

8 Стоит отметить, что как за рубежом, так и в СССР были выполнены исследования и созданы образцы ЦВМ, построенных полностью на релейных элементах; однако относительно низкая скорость срабатывания реле сделала подобные машины “неконкурентоспособными” по отношению к ЭВМ.

9 У. P. Эшби. Введение в кибернетику: Пер. с англ. М.: Издательство иностранной литературы, 1959, 432 с.

10 А.А. Богданов. Всеобщая организационная наука (тектология). Спб., 1913, ч. 1; 1917, ч. 2; третье издание: М., 1925, т. 1; Берлин, 1927, т. 2; Берлин, 1929, т. 3.

11 Л.В. Канторович. Математические методы организации и планирования производства. Л.; МГУ, 1939, 68 с. За работы в области математической экономики Л.В. Канторович (1912–1986), академик с 1964 г., лауреат Государственной (1949) и Ленинской (1965) премий, был в 1975 г. удостоен (вместе с Т.Ч. Купмансом) Нобелевской премии по экономическим наукам.

12 См.: А. Гастев. Как надо работать: Практическое введение в науку организации труда. 2-е изд. М.: Экономика, 1972, 478 с.

Вопросы

1. В какие годы зародились кибернетические идеи?
2. В каких странах термин “кибернетика” использовался в 19-ом веке для обозначения науки об управлении общественными системами?
3. Основные направления технических и фундаментальных наук, послуживших корнями кибернетики?

Физико-техническая база

4. Что позволяет системы автоматического регулирования и управления, теорию автоматического регулирования рассматривать как корни кибернетики?
5. Что позволяет релейно-контактные схемы управления и защиты, элементы теории релейно-контактных схем рассматривать как корни кибернетики?
6. Что позволяет средства связи и некоторые вопросы теории связи рассматривать как корни кибернетики?
7. Что позволяет счетно-решающие приборы и математические инструменты рассматривать как корни кибернетики?
8. Что позволяет цифровые вычислительные машины рассматривать как корни кибернетики?

Социально-биологические истоки

9. Что позволяет биомедицинские исследования, такие как биомеханика, общая физиология, физиология высшей нервной деятельности рассматривать как корни кибернетики?
10. Что позволяет элементы психологии труда и инженерной психологии рассматривать как корни кибернетики?
11. Что позволяет вопросы административного и производственного управления рассматривать как корни кибернетики?
12. Что позволяет элементы общей теории систем рассматривать как корни кибернетики?

Теоретические основы

13. Что позволяет элементы моделирования и теории моделей для различных областей техники рассматривать как корни кибернетики?
14. Что позволяет такую часть математики как математическая логика рассматривать как корни кибернетики?
15. Что позволяет элементы программирования для ЦВМ рассматривать как корни кибернетики?

Автоматическое регулирование и управление.

16) Приведите пример физического устройства, в котором исторически впервые использовался принцип обратной связи.

17) С чьими именами связаны первые исследования систем с обратной связью?

18) В каких системах теория автоматического регулирования нашла практическое

применение?

Моделирование.

19) Что называют натурным или масштабным моделированием?

20) Примеры натурных моделей при конструировании и реализации изобретений?

21) Решение каких задач привело к созданию теории подобия?

22) Назовите имена ученых, обосновавших электромоделирование.

23) В каких областях применяют электромоделирование – электрические сети?

24) Назовите имена ученых, создававших аналоговые машины – интеграторы.

Счетно-решающие приборы и математические инструменты.

25) В каких задачах успешно применяют принцип геометрического подобия?

26) Приведите примеры математических приборов, использующих геометрическое

подобие для умножения и других операций.

27) Какие работы Н. Винера в области счетно-решающих приборов повлияли на

формулировку его кибернетических идей?

Биомедицинские исследования.

28) Назовите направление исследований, давшее идеи обратной связи.

29) Чьи исследования кровотока привели к открытию ряда законов гидродинамики?

30) Назовите авторов исследований по обратной связи в функционировании живых

организмов.

31) Кто использовал модельные представления при исследовании физиологических

процессов?

32) Кто первым раскрыл роль сигнальной информации в высшей нервной деятельности

животных и человека?

33) Кто начал исследования в области устойчивого функционирования и сформулировал в

1929 г. положение о гомеостазе?

34) Кто ввел в кибернетику понятие гомеостаза как основы одного из кибернетических

направлений – гомеостатики?

35) Как проявляется взаимосвязь регулирующих систем в организме?

36) В чем проявляется аналогия нейрона и его срабатывания с релейным

переключательным элементом?

37) Кто автор “общей теории систем”, развивавшейся параллельно с кибернетикой?

Элементы теории управления в социальных структурах.

38) Назовите авторов общей теории управления сложными системами.

39) Назовите ученых, исследовавших математические модели в экономике.

Математические корни кибернетики.

40) Кто исследовал методы оптимизации при решении систем дифференциальных уравнений?

41) Назовите разделы математики, получившие приложение в кибернетике.

42) Какие науки образуют теоретическую основу вычислимости и доказуемости, её связь с

программированием?

43) Назовите разделы математики, получившие стимул к развитию от информатики.

44) Назовите математиков, получивших мировое признание как исследователи основ

вычислений.

Лекция 3

Норберт Винер и его “Кибернетика”

Как мы знаем, в 1948 году вышла в свет книга американского математика Норберта Винера “Кибернетика или управление и связь в животном и машине”. С этого момента имя “Винер” и слово “кибернетика” неразрывно связаны с новым научным направлением и его многочисленными применениями, которые сейчас объединяются терминами информатика и информационные технологии.

Замечательные обобщения, сделанные Винером в 1948 году, имели под собой весьма солидную основу. Норберт Винер был выдающимся математиком с широким кругозором и философским складом ума. Кроме того, он имел большой опыт изучения и успешного проектирования сложных автоматических устройств (в частности, для управления огнем зенитной артиллерии). В действительности, различные автоматические устройства, так же, как и теория управления такими устройствами, разрабатывались задолго до Винера. Точно так же, в медицине и физиологии были накоплены ценные материалы о процессах, управляющих функционированием живых организмов.

В начале 40-х годов Винер заинтересовался физиологией, много лет сотрудничал и дружил с мексиканским физиологом А. Розенблютом, принимал активное участие в организованном Розенблютом методологическом семинаре, объединявшем представителей разных наук. Сама книга “Кибернетика” имела посвящение: “Артуро Розенблюту, моему товарищу по науке в течение многих лет”.

Надо отметить интересную историю происхождения самого слова кибернетика, которое Винер выбрал в качестве названия новой науки. Это название происходит от греческого “кибернетес”, что означает кормчий. В древности греки были опытными мореплавателями. От искусства кормчего зависела судьба всего путешествия, так что слово это довольно часто встречается у древнегреческих авторов.

Винер считал, что в Новое время он применил это слово впервые. Однако, он ошибался. В 1948 году он не знал, что этот же термин еще в 1834 году использовал для обозначения науки об управлении общественными системами великий французский физик и философ А.-М. Ампер. Ампер, занимаясь “классификацией человеческих знаний”, использовал это слово для обозначения “политической” науки, занимающейся практическим управлением государством. В категории “политических” наук, “Кибернетика” стоит у Ампера в одном ряду с “Международным правом”, “Дипломатией” и “Теорией власти”. Более того, в 1843 году польский ученый Ф. Б. Трентовский издал в Познани книгу, которая называлась “Отношение философии к кибернетике как искусству управления народом”. Этот же корень “киберн” присутствует в таких словах как гувернер или губернатор.

Говоря о кибернетике, необходимо обратить особое внимание на значение связи или иначе – передачи информации при функционировании любых естественных организмов и технических устройств. Сейчас мы говорим, что информатика, выросшая из кибернетики, представляет собой совокупность научных направлений, изучающих общие свойства информации, методы и средства её создания, хранения и передачи. Значение информатики для современного общества трудно переоценить.

В настоящее время информатика, во всех своих применениях, опирается на компьютеры. Появление современных компьютеров по времени примерно совпадает с “Кибернетикой” Винера. Развитие цифровой вычислительной техники и электроники необыкновенно способствовало успехам кибернетики. И это влияние было, конечно, взаимным. Историю этого развития мы рассмотрим подробнее позже.

Норберт Винер

Имя Винера навсегда связано с кибернетикой. И хотя Винер был, прежде всего, математиком, но в истории науки всегда звучит это устойчивое сочетание: “Винер – кибернетика”.

Биографии великих ученых и художников неизменно привлекают внимание неожиданными волнующими событиями. Недаром таким успехом пользуются книги, издаваемые в серии “Жизнь замечательных людей” или в академической серии “Научно-биографическая литература”^[1].

Ученик и соавтор Винера профессор П.Р. Мазани опубликовал в 1990 году фундаментальную биографию ученого: “Норберт Винер. 1894–1964”. Существуют также и другие интересные воспоминания учеников и друзей Винера. Мы приведем здесь отдельные фрагменты из биографических заметок Дэвида Джерисона и Дэниэла Струка^[2], которые были опубликованы в 1994 году в специальном выпуске Трудов Американского Математического Общества, посвящённом столетию со дня рождения ученого. (Эти фрагменты выделены курсивом).

То, что Винер был вундеркиндом, сыграло решающую роль в его жизни. Верно, что вундеркиндами рождаются, но иногда их также создают. Вольфганг Моцарт, возможно, не стал бы Моцартом без своего отца Леопольда, а Норберт Винер – без его отца Лео.

Есть серьёзные причины, по которым Лео Винер занял очень важное место в биографии своего сына. Лео родился в 1862 году в белорусском городе Белостоке и в возрасте 18 лет уехал в Америку. Он проявил феноменальные способности к языкам и уже подростком говорил по-немецки, по-русски, по-французски, по-итальянски и по-польски. Как рассказывает Норберт, его отец мог усвоить существенные черты языка в несколько недель, и в своей профессиональной карьере, “говорил примерно на сорока языках”. Этот замечательный талант обеспечил ему впоследствии должность профессора славянских языков в Гарвардском университете. Интересно отметить, что Лео Винер, будучи убежденным последователем учения Льва Толстого, перевел на английский и издал все основные сочинения Толстого.

В журнале “Америкэн Мегэзин” (“American Magazin”) за июль 1911 года, Лео сообщает, что раннее развитие Норберта проявилось уже в возрасте 18-ти месяцев, когда его няня заметила, что он внимательно следил за тем, как она рисовала буквы на песке пляжа. Через несколько дней Норберт знал весь алфавит. Тогда, как рассказывает Лео, “полагая по этому признаку, что его нетрудно будет заинтересовать чтением, я начал учить его этому в возрасте трех лет. Через несколько недель Норберт научился бегло читать, а к шести годам он был уже знаком с множеством превосходных книг”.

Под руководством отца Винер в семь лет читал Дарвина и Данте, в одиннадцать – окончил среднюю школу, в четырнадцать – высшее учебное заведение (Тафтс-колледж) и получил первую в своей жизни ученую степень бакалавра искусств. В восемнадцать лет он становится доктором философии Гарвардского университета. В 1913 году Винер начинает свое путешествие по предвоенной Европе, посещает Кембридж и Геттинген, слушает лекции Бертрана Рассела, Дж. Х. Харди, Давида Гильберта. В связи с началом войны он возвращается в Америку.

Несмотря на свои замечательные способности, Норберт Винер на первых порах испытал ряд досадных неудач при попытках найти достойное место в нескольких американских университетах.

Наконец, гарвардский профессор Осгуд, друг Лео Винера, помог Норберту получить место преподавателя в MIT^[3]

. В 1919 году это не было почетной должностью. В то время математический факультет MIT был чисто служебным, вся его ценность состояла только в обслуживании программы подготовки инженеров. Примечательно поэтому, что Институт устраивала работа молодого Винера, человека, прошлый опыт которого не рекомендовал его в качестве преподавателя. Вдобавок, если бы даже MIT искал талантливого математика-исследователя, то в 1919 году Норберт Винер ещё не был сильным претендентом. Однако, независимо от того, было ли решение MIT дать работу Винеру следствием необычайной интуиции, или попросту результатом “старого знакомства”, назначение Винера несомненно оказалось решением, окупившимся для обеих сторон! Винер оставался в MIT до своего выхода на пенсию в 1960 году, и за это время не только определил место MIT на математической карте, но и сыграл важнейшую роль в создании той культуры, которой MIT в значительной степени обязан своей нынешней славой и престижем.

К концу 1917 учебного года, когда Соединенные Штаты вступили в войну, Норберт попытался поступить в армию. Однако его не приняли ни на какую службу из-за плохого зрения.

Примерно в это же время он получил письмо от принстонского профессора Освальда Веблена, пригласившего его в только что сформированную баллистическую группу при Эбердинском испытательном полигоне в Мериленде. Главная задача этой группы состояла в испытании новых артиллерийских орудий и в расчете таблиц наведения, учитывающих угол подъема, размеры цели и другие факторы. По-видимому, Винеру нравилось прямое практическое применение математики к баллистическим расчетам, и его опыт в Эбердине сослужил ему полезную службу при его исследованиях по противовоздушной обороне во время Второй мировой войны.

В своей деятельности Норберт Винер часто сталкивался с проблемами управления и обратной связи.

В 1933-м году Винер познакомился с Артуро Розенблютом (Arturo Rosenblueth), мексиканским физиологом, который вёл серию междисциплинарных семинаров на Медицинском факультете Гарвардского университета. Эти семинары вызвали большой интерес, и с них началось длительное сотрудничество, в котором воплотились идеи Винера о поведении механических и физиологических систем – и, в особенности, о роли обратной связи. По-видимому, его взаимодействие с Розенблютом привело также в действие ряд мыслей, из которых возникла кибернетика. Таким образом, с интеллектуальной и научной точки зрения их сотрудничество было огромным успехом. Кроме того, судя по теплоте, с которой Винер пишет о нем, Розенблют стал его ближайшим другом.

Когда вспыхнула Вторая мировая война, Винеру пришлось отложить эти исследования. Перед лицом, казалось, неминуемого краха европейской цивилизации, Винер, как и многие ученые, искал способ внести свой вклад в военные усилия. В конце концов, он остановился на проблеме наведения зенитных орудий. Задача, с которой он здесь встретился, была намного более изощренной, чем та, над которой он некогда работал во время Первой мировой войны. Самолеты стали быстрее и опаснее, так что артиллеристу нужна была помощь машины. Более того, теперь уже не было смысла целиться прямо в самолет: к тому времени, когда снаряд долетит до места прицела, самолет оттуда уже уйдет. Таким образом, задача состояла в прогнозировании. Иначе говоря, надо было определить по сигналам радара положение самолета и предсказать его будущую траекторию. Было ясно, что точное предсказание невозможно. Поэтому Винер решил применить статистический подход. Другими словами, он придумал статистическую модель, с помощью которой можно было указать максимальную вероятность успеха.

В 1942-м году сотрудник Винера Джулиан Бигелоу (Julian Bigelow) построил прототип прибора, позволявшего следить за самолетом в течение десяти секунд и предсказывать затем его местонахождение в течение следующих двадцати секунд. К сожалению, усилия Винера и Бигелоу не приблизили окончание войны. Лишь после войны увеличение скорости и точности курса самолетов, а также усовершенствование радарного оборудования, сделали особенно важными устройства для систематической фильтрации и предсказания. Но, с другой стороны, идеи Винера имели приложения, далеко выходившие за их первоначальную мотивировку. Устройство противовоздушной обороны, воспринимающее поток данных, искаженных шумами, решает ту же задачу, что инженер-связист, передающий или принимающий сообщение по каналу с шумом. В обоих случаях можно для исключения помех сконструировать фильтр.

При заданных гипотезах, предложенное Винером решение задачи фильтрации было наилучшим из возможных, в точном математическом смысле. Независимо и примерно в то же время к аналогичной математической теории пришел крупнейший российский специалист по теории вероятностей А.Н. Колмогоров. Таким образом, Колмогоров и Винер впервые развили систематический подход к проектированию фильтров.

Вместе с К. Шенноном, Винер разработал статистические основы современной теории информации и ввел меру количества информации – бит.

Вследствие своего сотрудничества с Розенблютом и работы над теорией связи и противовоздушной обороной, Винер пришел к убеждению, что обратная связь играет важную роль в различных обстоятельствах – физических и биологических. Отсюда уже нетрудно было перейти к предположению, что автоматами и живыми системами управляют одни и те же “законы”.

Появление знаменитой книги Винера связано, как это часто бывает в жизни, со случайным стечением обстоятельств. Летом 1947 года Винер направился во Францию, в Нанси, где проходила одна из математических конференций. Здесь, в Нанси, к нему обратился математик М. Фрейман (M. Freyman) – представитель издательства “Эрман и Ко”, предложивший ему написать книгу об основных идеях его работ в области управления и связи.

Винер охотно подписал контракт, а поздней осенью этого же года, продолжая путешествовать, написал эту книгу в Мексике, посвятив ее Артуро Розенблюту. Посвящение гласит: “Артуро Розенблюту, моему товарищу по науке в течение многих лет”. А первые строки “Кибернетики” сообщают: “Эта книга представляет итог более чем десятилетних исследований, предпринятых совместно с д-ром Артуро Розенблютом, работавшим тогда в Гарвардской медицинской школе”.

Дружба и сотрудничество с Розенблютом ввели математика Винера в мир биологии и медицины. В его сознании стала укрепляться идея универсального методологического подхода к науке.

Кибернетика не относится к какому-нибудь эмпирическому предмету, вроде геологии, а является методом рассмотрения и решения проблем, независимо от предмета, к которому они принадлежат, то есть относится к методологии.

Книга Винера была опубликована в 1948 году, одновременно во Франции и в США, под названием “Кибернетика или управление и связь в животном и машине”. Появление этой книги сразу же превратило Винера в нечто вроде научной кинозвезды.

Винер очень заботился о младших коллегах. Он проявлял щедрое внимание к новым преподавателям математического факультета, приглашал их на обед или на ужин, и в первые несколько недель часто заходил в их кабинеты.

Один из учеников Винера, Амар Бозе (Amar Bose) вспоминает: когда он, никому неизвестный начинающий ученый приехал в Индию, он был принят по королевски – ему дарили специальные издания книг, возили его на спектакли, даже предлагали ему пост делегата в ООН. Оказалось, что причиной этого был Винер, который, проведя предыдущий год в Индии, проложил для него путь, нанося еженедельные визиты директору Индийского статистического института.

Во время Второй мировой войны Винер прилагал серьёзные усилия, чтобы помочь беженцам-математикам. Например, он убедил администрацию MIT уплатить стоимость проезда через Атлантический океан известного польского специалиста по анализу Фурье Антони Зигмунда (Antoni Zygmund), а затем действовал в качестве посредника в поисках работы для Зигмунда в Соединенных Штатах.

Винер неоднократно делал вылазки в беллетристику. В 1952-м году он соорудил киносценарий для Альфреда Хичкока^[4]

. Джозеф Кон (Joseph Kohn) говорит, что время от времени Винер прерывал лекцию и рассказывал сюжет своего очередного детективного романа, опубликованного под псевдонимом.

Норберт Винер был не только великим ученым, но и талантливым литератором. Он написал две автобиографические книги: “Бывший вундеркинд: мое детство и юность” (1953)5 и “Я – математик: дальнейшая жизнь вундеркинда” (1956)6, полупопулярные работы на кибернетические темы “Человеческое использование человеческих существ” (1950)7 и “Бог и Голем” (1964)8, а также роман “Искуситель” (1956)9. В этих работах он выступает как гуманный, страстный человек, видевший, пожалуй, яснее своих современников воздействие технического прогресса на общество. Он был либералом в лучшем смысле этого слова, с глубокими моральными принципами. До конца своей жизни он говорил о волновавших его вопросах, и в этом смысле был противоположностью замкнутым академическим ученым. Он верил в силу человеческого разума, способного предотвратить технократические катастрофы1

^[5]

0.

В обычной жизни Винер был, как говорится, “чудаком”. О нём рассказывают анекдоты. Самый знаменитый из них относится к тому дню, когда Винер переехал из двухквартирного дома в Бельмонте в отдельный дом на расстоянии нескольких кварталов. Когда он уходил в это утро на работу, жена напомнила ему, что вечером он должен вернуться в новый дом. Но к вечеру он все забыл и, направляясь к старому дому, вдруг осознал свою ошибку. Он озабоченно обратился к стоящей поблизости девочке и спросил ее: “Скажи, девочка, ты случайно не знаешь, куда переехала семья Винера?” И девочка ответила: “Да, папа, мама послала меня за тобой”.

Его коллеги и ученики сохранили живую память о нем как об учителе, изображая и приукрашивая комические и эксцентрические стороны его личности. Но они помнят также вдохновляющий энтузиазм, с которым он относился ко всем видам строгой интеллектуальной деятельности. Амар Бозе говорит:

“Я никогда не мог бы отблагодарить Винера за знания, которые он мне дал. И самое главное – он дал мне веру в невероятный потенциал, который кроется в каждом из нас”.

Вопросы

1. Какие имена связаны с историей кибернетики и информатики?
2. История какой науки связана с именем Винера?
3. Как назвал Норберт Винер свои автобиографические книги?
4. Какие успехи в учебе дают право считать Норберта Винера вундеркиндом?
5. В каком возрасте Норберт Винер поучил среднее и высшее образование?
6. Помогли ли способности быстрому успеху Норберта Винера в молодые годы?
7. В каком учебном заведении Норберт Винер получил место преподавателя?
8. В какой области нашёл Норберт Винер практическое применение своему дарованию математика?
9. Изучение каких систем привело Норберта Винера к пониманию роли обратной связи?
10. Какой метод решил применить Норберт Винер для решения задачи прогнозирования во время Второй мировой войны?
11. При решении каких задач Норберт Винер придумал статистическую модель?
12. Авторы статистических основ современной теории информации?
13. Кто ввел меру количества информации – бит?
14. Как названа мера количества информации?
15. Какие работы привели Норберта Винера к пониманию важной роли обратной связи?
16. Название книги Норберта Винера об управлении?
17. Перевод слова “кибернетика” с греческого?
18. В каких науках слово “кибернетика” использовалось до Винера?
19. Название книги, принесшей Норберту Винеру мировое признание?
20. Научно-популярные работы Норберта Винера?
21. Как проявляет свое мировоззрение Норберт Винер в полупопулярных работах на кибернетические темы “Человеческое использование человеческих существ” и “Бог и Голем”, а также в романе “Искуситель”?

Лекция 4.

Краткая история вычислительной техники

Вступление

В этой лекции мы познакомимся с историей вычислительных машин, или – компьютеров. Современный компьютер это сердце всей информатики. Можно сказать даже больше: компьютер – это движущая сила современной цивилизации.

Мы знаем, что первая настоящая вычислительная машина (то есть цифровая и, что очень важно, – электронная!) была построена в США в 1946 году. Вскоре после этого в микроэлектронике и технологии производства интегральных схем были достигнуты замечательные успехи. В результате, компьютеризация приобрела удивительные, сказочные темпы.