Введение
Устройство для вычисления. Абакус (или абакусы), также называемый счётной рамкой, — ручной инструмент для вычисления, который использовался с древних времен на Древнем Ближнем Востоке, в Европе, Китае и России до принятия арабской системы счисления. Абакус состоит из двухмерного массива скользящих бусин (или аналогичных объектов). В самых ранних конструкциях бусины могли быть рассыпанными на плоской поверхности или скользить в пазах. Позже бусины стали скользить по стержням и встраиваться в рамку, что позволило быстрее ими манипулировать. Каждый стержень обычно представляет собой одну цифру многозначного числа, записанного с использованием позиционной системы счисления, такой как десятичная (хотя некоторые культуры использовали разные числовые основания). Римские и восточноазиатские абакусы используют систему, напоминающую биквинарный код десятичных чисел, с верхней палубой (содержащей одну или две бусины), представляющей пятерки, и нижней палубой (содержащей четыре или пять бусин), представляющей единицы. Обычно используются натуральные числа, но некоторые допускают простые дробные компоненты (например, , , и в римском счёте), а десятичная точка может быть подразумеваемой для арифметики с фиксированной точкой. Любая конкретная конструкция абака поддерживает множество методов выполнения вычислений, включая сложение, вычитание, умножение, деление, а также извлечение квадратных и кубических корней. Сначала бусины располагают так, чтобы представить число, затем ими манипулируют для выполнения математической операции с другим числом, и их конечное положение можно прочитать как результат (или использовать в качестве исходного числа для последующих операций). В древнем мире абакусы были практичным инструментом для вычислений. Хотя сегодня вместо абакусов обычно используются калькуляторы и компьютеры, абакусы по-прежнему используются в повседневной жизни в некоторых странах. Абакус имеет преимущество в том, что не требует письменных принадлежностей и бумаги (необходимых для алгоритмов) или источника электроэнергии. Купцы, торговцы и клерки в некоторых частях Восточной Европы, России, Китая и Африки используют абакусы. Абакус остаётся распространённой системой подсчёта в настольных играх без электронных компонентов. Другие могут использовать абакус из-за нарушения зрения, которое препятствует использованию калькулятора. В качестве альтернативы, без обращения к древним текстам по этимологии, было предположено, что слово означает «квадратная табличка, усыпанная пылью», или «чертёжная доска, покрытая пылью (для использования в математике)» (точная форма латинского слова, возможно, отражает родительный падеж греческого слова ἄβαξ (abaks)). Хотя определение «таблица, усыпанная пылью» популярно, некоторые утверждают, что доказательств недостаточно для такого вывода. И К. Дж. Гадд, хранитель египетских и ассирийских древностей в Британском музее, и Якоб Леви, еврейский историк, автор словаря «Neuhebräisches und chaldäisches Wörterbuch über die Talmudim und Midraschim» [Неоеврейский и халдейский словарь Талмуда и Мидрашей], не согласны с теорией «пылевого стола». Как абакусы, так и абаки.
An abacus (: abaci or abacuses), also called a counting frame, is a hand operated calculating tool which was used from ancient times in the ancient Near East, Europe, China, and Russia, until the adoption of the Arabic numeral system. An abacus consists of a two dimensional array of slidable beads (or similar objects). In their earliest designs, the beads could be loose on a flat surface or sliding in grooves. Later the beads were made to slide on rods and built into a frame, allowing faster manipulation. Each rod typically represents one digit of a multi digit number laid out using a positional numeral system such as base ten (though some cultures used different numerical bases). Roman and East Asian abacuses use a system resembling bi quinary coded decimal, with a top deck (containing one or two beads) representing fives and a bottom deck (containing four or five beads) representing ones. Natural numbers are normally used, but some allow simple fractional components (e. g. , , and in Roman abacus), and a decimal point can be imagined for fixed point arithmetic. Any particular abacus design supports multiple methods to perform calculations, including addition, subtraction, multiplication, division, and square and cube roots. The beads are first arranged to represent a number, then are manipulated to perform a mathematical operation with another number, and their final position can be read as the result (or can be used as the starting number for subsequent operations). In the ancient world, abacuses were a practical calculating tool. Although calculators and computers are commonly used today instead of abacuses, abacuses remain in everyday use in some countries. The abacus has an advantage of not requiring a writing implement and paper (needed for algorism) or an electric power source. Merchants, traders, and clerks in some parts of Eastern Europe, Russia, China, and Africa use abacuses. The abacus remains in common use as a scoring system in non electronic table games. Others may use an abacus due to visual impairment that prevents the use of a calculator. Alternatively, without reference to ancient texts on etymology, it has been suggested that it means "a square tablet strewn with dust", or "drawing board covered with dust (for the use of mathematics)" (the exact shape of the Latin perhaps reflects the genitive form of the Greek word, ἄβακoς (abakos)). While the table strewn with dust definition is popular, some argue evidence is insufficient for that conclusion. refn|group=nb|Both C. J. Gadd, a keeper of the Egyptian and Assyrian Antiquities at the British Museum, and Jacob Levy, a Jewish Historian who wrote Neuhebräisches und chaldäisches wörterbuch über die Talmudim und Midraschim [Neuhebräisches and Chaldean dictionary on the Talmuds and Midrashi] disagree with the "dust table" theory. Both abacuses and abaci
Месопотамия
Шумерский абакус появился между 2700 и 2300 годами до н.э. Он содержал таблицу последовательных столбцов, которые определяли последовательные порядки величин в их шестидесятеричной (основание 60) системе счисления. Некоторые исследователи указывают на знак в вавилонской клинописи, который мог быть производным от изображения абакаса. По мнению ученых Древней Вавилонии, таких как Этторе Карруччо, древние вавилоняне, по-видимому, использовали абакус для сложения и вычитания, однако это примитивное устройство оказалось сложным в использовании для более сложных вычислений.
Египет
Греческий историк Геродот упоминал об абаке в Древнем Египте. Он писал, что египтяне манипулировали камешками справа налево, в отличие от греческого метода, использующего направление слева направо. Археологи обнаружили древние диски различных размеров, которые, предположительно, использовались для счета. Однако изображений этого инструмента на стенах пока не найдено.
Персия
Около 600 года до н.э. персы впервые начали использовать абакус во времена империи Ахеменидов. В период существования парфянской, сасанидской и иранской империй ученые сосредоточились на обмене знаниями и изобретениями со странами, окружавшими их – Индией, Китаем и Римской империей, – таким образом абакус мог быть распространен в другие страны.
Греция
Самые ранние археологические свидетельства использования греческого абака датируются V веком до н.э. Демосфен (384–322 гг. до н.э.) жаловался, что необходимость использовать камешки для вычислений была слишком сложной. В пьесе Алексиса IV века до н.э. упоминается абакус и камешки для ведения счетов, а Диоген и Полибий используют абакус как метафору человеческого поведения, говоря, что "люди порой значат больше, порой меньше", подобно камешкам на абаке. Также к этому периоду относится ваза Дария, обнаруженная в 1851 году. Она покрыта изображениями, в том числе "казначея", держащего в одной руке восковую табличку, а другой – перебирающего счетные косточки на столе. Один из примеров археологических свидетельств римского абака, представленный поблизости в реконструкции, датируется I веком н.э. Он имеет восемь длинных желобков, в каждом из которых до пяти бусин, и восемь коротких желобков, в каждом из которых либо одна бусина, либо её нет. Желобок, обозначенный I, указывает единицы, X – десятки и так далее до миллионов. Бусины в коротких желобках обозначают пятерки (пять единиц, пять десятков и т.д.), напоминая двоично-пятеричную систему счисления, связанную с римскими цифрами. Короткие желобки справа могли использоваться для обозначения римских "унций", то есть дробей.
Средневековая Европа
Римская система "контр-литья" широко использовалась в средневековой Европе и сохранялась в ограниченном применении вплоть до XIX века. Зажиточные абакисты использовали декоративные литые счетчики, называемые жетонами. Благодаря повторному введению папой Сильвестром II абака с модификациями, он вновь получил широкое распространение в Европе в XI веке. В отличие от традиционных римских счетов, он использовал бусины на проволоках, что позволяло использовать абакус значительно быстрее и легче его транспортировать.
Китай
Самый ранний известный письменный документ об китайских счётах датируется II веком до н.э. Китайские счётные палочки, также известные как суанпан (算盤/算盘, буквально «счётный лоток»), имеют различную длину и ширину в зависимости от пользователя. Обычно на них более семи стержней. На каждом стержне верхней секции находится по две бусины, а на нижней – по пять, для представления чисел в системе, подобной двоично-пятеричной кодированной десятичной системе. Бусины обычно округлые и сделаны из твёрдого дерева. Бусины подсчитываются, перемещая их вверх или вниз к перекладине; бусины, перемещённые к перекладине, засчитываются, а те, которые отодвинуты от неё, – нет. Одна бусина в верхней секции представляет 5, а одна в нижней – 1. Под каждым стержнем указано разрядное значение. Суанпан можно мгновенно вернуть в исходное положение быстрым движением по горизонтальной оси, чтобы отвести все бусины от центральной перекладины. Прототип китайских счётов появился во времена династии Хань, и бусины были овальными. В династии Сун и ранее использовались счётные палочки типа 1:4, то есть с четырьмя бусинами, аналогичные современным, включая форму бусин, известную как японский стиль. В начале династии Мин счётные палочки стали появляться в соотношении 1:5 – одна бусина в верхней секции и пять в нижней. В конце династии Мин появились стили счётов в соотношении 2:5. В индуистских текстах термин śūnya (ноль) использовался для обозначения пустой колонки на счётах.
Япония
В Японии абакус называется соробан (算盤, そろばん, lit. "счетная доска"). Он был импортирован из Китая в XIV веке. Вероятно, рабочий класс использовал его на столетие или более раньше, чем правящий класс, поскольку сословная структура препятствовала таким изменениям. Абакус 1:4, с удалением редко используемых второй и пятой бусин, стал популярным в 1940-х годах. Современный японский абакус – это четырехбусинный абакус типа 1:4, завезенный из Китая в эпоху Муромати. Он имеет форму верхней планки с одной бусиной и нижней с четырьмя бусинами. Верхняя бусина на верхней планке равна пяти, а нижние бусины аналогичны китайскому или корейскому абакусу, позволяя выражать десятичные числа, поэтому абакус сконструирован как устройство 1:4. Бусины всегда имеют форму ромба. Частное деление обычно используется вместо обычного метода деления; одновременно, для обеспечения согласованности цифр при умножении и делении, применяется деление-умножение. Позже в Японии появился абакус 3:5 под названием 天三算盤, который сейчас хранится в коллекции Изе Ронгджи в деревне Шанси города Ямагата. В Японии также использовался абакус типа 2:5. Четырехбусинный абакус распространился и стал распространенным по всему миру. Улучшения японского абакуса появлялись в различных местах. В Китае использовался алюминиевый абакус с пластиковыми бусинами. Счетчик располагается рядом с четырьмя бусинами, а нажатие кнопки "сброс" возвращает верхнюю бусину в верхнее положение, а нижние – в нижнее. Абакус все еще производится в Японии, несмотря на широкое распространение, практичность и доступность карманных электронных калькуляторов. Использование соробана до сих пор преподается в японских начальных школах в рамках математики, в основном как средство для более быстрого устного счета. Использование визуальных образов позволяет выполнить вычисление так же быстро, как с помощью физического инструмента.
Южная Корея
Китайские счёты распространились из Китая в Корею примерно в 1400 году нашей эры. Корейцы называют их jupan (주판), supan (수판) или jusan (주산). Счёты с четырьмя счётами в одном ряду (1:4) были введены во времена династии Корё. Счёты с пятью счётами в одном ряду (5:1) были завезены в Корею из Китая во времена династии Мин.
Коренная Америка
В некоторых источниках упоминается использование абака, называемого nepohualtzintzin, в древней культуре ацтеков. Эта мезоамериканская абака использовала 5-значную систему с основанием 20. Слово Nepōhualtzintzin происходит от языка науатль и образовано корнями: *Ne* – личный; *pōhual* или *pōhualli* – счёт; и *tzintzin* – небольшие одинаковые элементы. Его полное значение понималось как: счёт с помощью небольших одинаковых элементов. Его использованию обучали в Calmecac учеников, называемых temalpouhqueh, которые с детства занимались учётом небесных явлений. Nepōhualtzintzin делился на две основные части, разделённые перекладиной или промежуточным шнуром. В левой части находились четыре бусины. Бусины в первом ряду имели номиналы 1, 2, 3 и 4, а на правой стороне три бусины имели номиналы 5, 10 и 15 соответственно. Чтобы определить значение соответствующих бусин в верхних рядах, достаточно умножить на 20 (для каждого ряда) значение соответствующего счёта в первом ряду. Устройство состояло из 13 рядов по 7 бусин, всего 91. Это число было базовым для данной культуры. Оно тесно связано с природными явлениями, подземным миром и циклами небес. Один Nepōhualtzintzin (91) соответствовал количеству дней в сезоне года, два Nepōhualtzintzin (182) – количеству дней в цикле кукурузы, от посева до сбора урожая, три Nepōhualtzintzin (273) – количеству дней беременности, а четыре Nepōhualtzintzin (364) завершали цикл и приближались к одному году. При переводе на современную компьютерную арифметику, Nepōhualtzintzin соответствовал точности от 10 до 18 знаков в формате с плавающей точкой, что позволяло точно вычислять большие и малые значения, хотя округление было недопустимо. Заново открыл Nepōhualtzintzin мексиканский инженер Давид Эспарса Идальго, который в своих путешествиях по Мексике обнаружил различные гравюры и изображения этого инструмента и реконструировал несколько экземпляров из золота, нефрита, перламутра и других материалов. Очень древние Nepōhualtzintzin приписываются культуре ольмеков, а также некоторые браслеты майя и разнообразие форм и материалов в других культурах. Санчес в своей книге «Арифметика майя» писал, что на полуострове Юкатан был найден ещё один абака с основанием 5 и основанием 4, который также использовался для вычисления данных календаря. Это был пальцевый абака, где на одной руке использовались цифры 0, 1, 2, 3 и 4, а на другой – 0, 1, 2 и 3. Обратите внимание на использование нуля в начале и конце обоих циклов. Кипу инков представляла собой систему из цветных узелковых шнуров, использовавшихся для записи числовых данных, подобно продвинутым счётным палочкам, но не для выполнения вычислений. Вычисления осуществлялись с помощью юпаны (кечуа для «счётный инструмент»; см. рисунок), которая продолжала использоваться и после завоевания Перу. Принцип работы юпаны неизвестен, но в 2001 году итальянский математик Де Паскуале предложил объяснение. Сравнивая форму различных юпан, исследователи обнаружили, что вычисления основывались на последовательности Фибоначчи 1, 1, 2, 3, 5 и степенях 10, 20 и 40 в качестве разрядных единиц для различных полей инструмента. Использование последовательности Фибоначчи позволяло минимизировать количество зёрен в любом поле.
Россия
Русский счётчик, счёты (множественное число от «считать»), обычно имеет одну наклонную рамку с десятью бусинами на каждой проволоке (кроме одной проволоки с четырьмя бусинами для представления четвертей рубля). Проволока с четырьмя бусинами была введена для счёта четвертей копейки, которые чеканились до 1916 года. Русский счётчик используется вертикально, при этом каждая проволока расположена горизонтально. Проволоки обычно изогнуты вверх в центре, чтобы бусины оставались прижатыми к обеим сторонам. Счётчик очищается, когда все бусины перемещаются вправо. При работе бусины перемещаются влево. Для удобства обзора средние две бусины на каждой проволоке (пятая и шестая) обычно окрашены в цвет, отличный от остальных восьми. Аналогично, левая бусина на проволоке тысяч (и на проволоке миллионов, если она присутствует) также может быть другого цвета. Русский счётчик широко использовался в магазинах и на рынках по всему бывшему Советскому Союзу, и его использованию обучали в большинстве школ до 1990-х годов. Даже изобретение механического калькулятора Однера в 1874 году не смогло полностью заменить его в России. По словам Якова Перельмана, некоторые предприниматели, пытавшиеся импортировать калькуляторы в Российскую империю, уходили в отчаянии, увидев работу опытного оператора счётов. Массовое производство арифмометров «Феликс» с 1924 года также не привело к значительному сокращению использования счётов в Советском Союзе. Русский счётчик начал терять популярность только после массового производства отечественных микрокалькуляторов в 1974 году. Русский счётчик был привезён во Францию около 1820 года математиком Жаном Виктором Понселе, служившим в армии Наполеона и побывавшим в русском плену. В западноевропейских странах счётчик вышел из употребления в XVI веке с распространением десятичной системы счисления и алгоритмических методов. Для французских современников Понселе он был внове. Понселе использовал его не для практических целей, а в качестве наглядного пособия для обучения и демонстрации. Турки и армяне использовали счёты, подобные русским. Турки называли его кульба, а армяне – хореб.
Школьный абакус
По всему миру абакусы используются в детских садах и начальных школах в качестве средства обучения системе счисления и арифметике. В западных странах распространена рамка с бусинами, похожая на русский счёты, но с прямыми проводами и вертикальной рамой (см. рисунок). Такая рамка может использоваться как с позиционной системой счисления, как и другие абакусы (например, 10-проводной вариант может представлять числа до 9 999 999 999), так и каждая бусина может представлять одну единицу (например, число 74 можно представить, сдвинув все бусины на 7 проводах и 4 бусины на 8-м проводе, таким образом, можно представлять числа до 100). На изображении рамки с бусинами, промежуток между 5-й и 6-й проволокой, соответствующий смене цвета между 5-й и 6-й бусинами на каждой проволоке, указывает на второе использование. Обучение умножению, например, 6 умножить на 7, можно представить сдвигом 7 бусин на 6 проводах. Красно-белый абакус используется в современных начальных школах для широкого спектра уроков, связанных с числами. Часто используется версия с двадцатью бусинами, известная под голландским названием rekenrek («счётная рама»), либо на нити из бусин, либо на жёсткой раме.
Фейнман против абака
Физик Ричард Фейнман был известен своей легкостью в математических вычислениях. Он писал о встрече в Бразилии с японским экспертом по счётам (абакусу), который предложил ему посоревноваться в скорости: Фейнман – с ручкой и бумагой, а эксперт – со счётами. Счёты были значительно быстрее при сложении, несколько быстрее при умножении, но Фейнман справлялся с делением быстрее. Когда эксперт использовал счёты для действительно сложной задачи, например, извлечения кубического корня, Фейнман легко победил. Однако случайно выбранное число оказалось близко к кубу, который Фейнман случайно знал наизусть, что позволило ему использовать приближённые методы.
Неврологический анализ
Учиться вычислять с помощью абака может улучшить способности к ментальным вычислениям. Ментальные вычисления на основе абака (AMC), возникшие из практики использования абака, – это выполнение вычислений, включая сложение, вычитание, умножение и деление, в уме посредством манипулирования воображаемым абаком. Это высокоуровневый когнитивный навык, выполняющий вычисления с использованием эффективного алгоритма. Люди, долгое время занимающиеся AMC, демонстрируют более высокую емкость числовой памяти и более эффективно развитые нейронные связи. Они способны извлекать информацию из памяти для решения сложных задач. AMC включает в себя как визуально-пространственную, так и визуально-моторную обработку, создающую визуальный образ абака и перемещающую воображаемые бусины. Поскольку требуется запоминать только конечное положение бусин, это требует меньше памяти и времени на вычисления. Абак демонстрирует, как числа, буквы и символы могут быть представлены в двоичной системе на компьютере или с помощью ASCII. Устройство состоит из ряда бусин на параллельных проволоках, расположенных в три отдельных ряда. Бусины представляют собой переключатель на компьютере, находящийся в состоянии "включено" или "выключено".
Пользователи с нарушениями зрения
Адаптированный абакус, изобретенный Тимом Кранмером и называемый абакусом Кранмера, обычно используется людьми с нарушениями зрения. За бусинами помещается кусок мягкой ткани или резины, чтобы они оставались на месте во время манипуляций. С помощью этого устройства можно выполнять математические операции: умножение, деление, сложение, вычитание, извлечение квадратного и кубического корней. Несмотря на то, что слабовидящие и незрячие ученики пользуются говорящими калькуляторами, абакус часто преподают им уже в начальных классах. Незрячие ученики также могут выполнять математические задания с помощью письменного шрифта Брайля и кода Немета (специального кода Брайля для математики), но сложные умножения и деления в столбик требуют значительных усилий. Абакус предоставляет этим ученикам инструмент для решения математических задач, позволяющий достичь скорости и уровня математических знаний, сопоставимых с их зрячими сверстниками, использующими карандаш и бумагу. Многие незрячие люди считают этот счетный инструмент полезным на протяжении всей жизни.