미분 해석기

미분 해석기(differential analyser)는 바퀴와 원판 메커니즘을 사용하여 적분을 수행함으로써 미분방정식을 적분으로 풀도록 설계된 기계식 아날로그 컴퓨터이다.^[1] 이것은 실제로 사용된 최초의 고급 컴퓨팅 장치 중 하나였다.^[2] 적분 장치 외에도 이 기계는 에피사이클 미분 메커니즘을 사용하여 덧셈이나 뺄셈을 수행했는데, 이는 앞바퀴굴림 자동차에 사용되는 것과 유사하다. 앞바퀴굴림 자동차에서는 두 출력 샤프트(바퀴를 구동하는)의 속도가 다를 수 있지만, 그 속도들이 입력 샤프트의 속도에 합산된다. 정수 값의 곱셈/나눗셈은 간단한 기어비로 달성되었고, 분수 값의 곱셈은 곱셈표를 통해 달성되었는데, 이 경우 조작자는 막대의 기울기를 따라 스타일러스를 유지해야 했다. 이 수동 조작 표의 변형은 다항식과 같은 다른 함수를 구현하는 데 사용되었다.

볼앤디스크 적분기를 이용한 조석 연구

역사

케이 맥널티, Alyse Snyder, Sis Stump가 펜실베이니아주 필라델피아 펜실베이니아 대학교 무어 전기 공학 학교 지하에서 미분 해석기를 조작하는 모습, 1942년~1945년경.

1951년 NACA 루이스 비행 추진 연구소의 미분 해석기

아놀드 노르시크가 제작한 미분 해석기, 컴퓨터 역사 박물관

면적기를 제외한 기계 장치를 이용한 미분방정식 해법 연구는 적어도 1836년 프랑스 물리학자 가스파르-귀스타브 코리올리가 1차 미분방정식을 적분하는 기계 장치를 설계했을 때부터 시작되었다.^[3]

어떤 차수의 미분방정이든 적분할 수 있는 장치에 대한 첫 번째 설명은 1876년 제임스 톰슨에 의해 발표되었는데, 그는 1822년 벨파스트에서 태어났지만 10살 때부터 스코틀랜드에서 살았다.^[4] 톰슨은 자신의 장치를 "적분 기계"라고 불렀지만, 그 장치에 대한 설명과 함께 그의 동생인 켈빈 경이 1876년에 추가로 발표한 두 가지 설명이 미분 해석기의 발명을 나타낸다.^[5]

톰슨의 개념이 최초로 실질적으로 사용된 사례 중 하나는 켈빈 경이 1872년에서 1873년 사이에 만들기 시작한 조석 예측 기계였다. 켈빈 경의 조언에 따라 톰슨의 적분 기계는 나중에 아서 폴렌이 개발하던 해군 포병용 사격 통제 장치에 통합되어 1912년경에 완성된 전기 구동식 기계 아날로그 컴퓨터가 탄생했다.^[6] 이탈리아 수학자 에르네스토 파스칼도 미분방정식의 기계적 적분을 위한 인테그라프를 개발했으며 1914년에 자세한 내용을 발표했다.^[7]

그러나 최초의 널리 실용적인 범용 미분 해석기는 MIT에서 해럴드 로크 헤이젠과 버니바 부시가 1928년부터 1931년 사이에 6개의 기계적 적분기를 포함하여 제작했다.^[8][9][10] 같은 해, 부시는 이 기계를 학술지 기사에서 "연속 적분기"라고 설명했다.^[11] 1931년에 이 장치에 대한 추가 기사를 발표했을 때, 그는 이를 "미분 해석기"라고 불렀다.^[12] 이 기사에서 부시는 "현재 장치는 [켈빈 경의] 것과 동일한 적분 장치 상호 연결의 기본 아이디어를 통합하고 있다. 그러나 세부적으로는 이전 모델과 거의 유사하지 않다"고 밝혔다. 1970년 자서전에 따르면, 부시는 "최초의 미분 해석기가 작동하기 전까지 켈빈의 작업을 알지 못했다"고 한다.^[13] 클로드 섀넌은 1936년 부시의 연구실에서 미분 해석기를 운영하기 위해 연구 조교로 고용되었다.^[14]

맨체스터 대학교의 더글러스 하트리는 부시의 설계를 영국으로 가져왔고, 그곳에서 그는 1934년 학생 아서 포터와 함께 첫 번째 개념 증명 모델을 제작했다. 그 결과, 대학은 1935년 3월에 메트로폴리탄-비커스가 제작한 4개의 기계식 적분기를 포함하는 대규모 기계를 구입했고, 하트리에 따르면 이 기계는 "미국 외 지역에서 가동된 최초의 기계"였다.^[15] 다음 5년 동안 케임브리지 대학교, 퀸스 대학교 벨파스트, 판보로의 왕립 항공 연구소에 3대가 더 추가되었다.^[16] 이 개념 증명 장치 중 하나의 적분기는 런던 과학 박물관의 컴퓨터 역사 섹션에 완전한 맨체스터 기계와 함께 전시되어 있다.

노르웨이에서는 MIT 기계와 동일한 원리를 기반으로 현지에서 제작된 오슬로 분석기가 1938년에 완성되었다. 이 기계는 12개의 적분기를 가지고 있었으며, 4년 동안 제작된 분석기 중 가장 큰 규모였다.^[17]

미국에서는 1940년대 초 메릴랜드주의 탄도학 연구소와 펜실베이니아 대학교 무어 전기 공학 학교 지하에서 추가적인 미분 해석기들이 제작되었다.^[18] 후자는 여러 면에서 미분 해석기를 모델로 삼았던 에니악이 발명되기 전 대포 사격표 계산에 광범위하게 사용되었다.^[19] 또한 1940년대 초, 초기 기여자 중 한 명인 새뮤얼 H. 콜드웰과 함께 부시는 기계식이 아닌 전기식 변형을 시도했지만, 다른 곳에서 제작된 디지털 컴퓨터가 훨씬 더 큰 가능성을 보여 프로젝트는 중단되었다.^[20] 1947년 UCLA는 제너럴 일렉트릭이 12만 5천 달러를 들여 제작한 미분 해석기를 설치했다.^[21] 1950년까지 이 기계에 세 대가 더 추가되었다.^[22] UCLA 미분 해석기는 1950년 영화 데스티네이션 문에, 그리고 동일한 장면이 1951년 영화 세계가 충돌할 때에 "DA"라는 이름으로 등장했다. 또 다른 장면은 1956년 영화 지구 대 비행접시에 나타난다.

1944년으로 거슬러 올라가는 초기 컴퓨터-플로터가 70년 후 다시 복잡한 방정식을 풀고 있다.^[23]

1944년경 오사카 제국대학 (현재 오사카 대학)에서는 물체의 움직임과 기타 문제들을 기계 부품으로 계산하고 펜으로 종이에 그래프를 그리는 완전한 미분 해석기 기계가 개발되었다(삽화). 이후 도쿄 이과대학으로 이전되어 신주쿠구에 위치한 학교 과학 박물관에 전시되었다. 2014년에 복원되었으며, 제2차 세계 대전이 끝나기 전에 생산된 작동 가능한 미분 해석기 중 두 대 중 하나이다.^[23]

캐나다에서는 1948년 토론토 대학교에서 베아트리체 헬렌 워슬리가 미분 해석기를 제작했지만, 거의 사용되지 않은 것으로 보인다.^[24]

미분 해석기는 제2차 세계 대전 중 나치 독일의 수력 발전 댐을 공격하는 데 사용된 반동 폭탄 개발에 사용되었을 수 있다.^[25] 미분 해석기는 강 유역 관리 당국에서 토양 침식 계산에도 사용되었다.^[26]

미분 해석기는 결국 전자 아날로그 컴퓨터에 의해, 그리고 나중에는 디지털 컴퓨터에 의해 구식으로 전락했다.

 디지털 미분 분석기 문서에 이 부분의 추가 정보가 있습니다.

메카노 사용

MOTAT의 메카노 미분 해석기가 1937년경 케임브리지 대학교 수학 연구실에서 사용 중이다. 오른쪽 사람은 당시 책임자였던 모리스 윌크스 박사이다.

1934년 더글러스 하트리와 아서 포터가 맨체스터 대학교에서 제작한 모델 미분 해석기는 메카노 부품을 광범위하게 사용했다. 이는 기계를 제작하는 데 비용이 덜 들게 했고, "많은 과학 문제 해결에 충분히 정확하다"는 것이 입증되었다.^[27] J.B. 브래트가 1935년 케임브리지 대학교에서 제작한 유사한 기계는 현재 뉴질랜드 오클랜드의 교통 기술 박물관 (MOTAT) 소장품에 있다.^[27] 1944년 영국 군수 연구부를 위해 작성된 각서에는 이 기계가 제2차 세계 대전 동안 신뢰성 향상과 기능 강화 목적으로 어떻게 개조되었는지 설명되어 있으며, 전시 응용 분야로 열 흐름, 폭발 폭발 및 송전선 시뮬레이션 연구를 포함한다고 명시되어 있다.^[28]

개리 티는 "전 세계 과학자 및 연구자들이 진지한 작업을 위해 약 15대의 메카노 모델 미분 해석기를 제작했다"고 추정했다.^[29]

같이 보기

• 토크 증폭기
• 볼앤디스크 적분기
• 범용 아날로그 컴퓨터