Olen joskus kirjoittanut tällä palstalla laskemisesta, itse asiassa montakin kertaa. Ja tässä ei ole niinkään kysymys matematiikasta, vaan ihmiskunnan kulttuurihistoriasta. Kun ihmisten välinen vuorovaikutus historiamme alkuhämärässä alkoi vähitellen lisääntyä ja käydä mutkikkaammaksi, syntyi tarve laskea – ja samalla alkoi kehittyä myös laskemisen taito. Metsästäjillä ja kalastajilla oli tarve jakaa saalis reilusti, kauppiaat laskivat tavaroiden hintoja eri suuruisille myyntierille, maanmittareilla oli tarve jakaa ja lohkoa maata oikeudenmukaisesti. Rakentajat tarvitsivat laskutaitoa, samoin teknikot ja insinöörit. Samalla siinä keksittiin erilaisia lukujen lajeja, ja myös erilaisia laskentaoperaatioita. Laskemista kehittyi myös abstraktimpaa matematiikkaa. Kaikki tämä on tavattoman kiehtovaa. Se todella on kulttuurihistoriaa, aivan erityinen osa sitä. Olenkin julkaissut aiheesta myös yleistajuisen kirjoituksen lehdessä Tieteessä tapahtuu.
https://journal.fi/tt/article/view/76494/37770
Nyt on tarkoitus kertoa logaritmeilla laskemisesta. Tämä voi kuulostaa pelottavalta, mutta se ei ole sitä. En nimittäin aio ahdistaa lukijaa kertomalla logaritmifunktioista ja niiden ominaisuuksista. Pelkästään edellisestä lauseesta kun voi mennä kieli solmuun. Sen sijaan kerron aivan konkreettisesti, miten ”logaritmeilla laskeminen” tapahtuu. Itse kävin lukion 1960-luvun lopulla, ja silloin laskimme koulussa logaritmeilla. Tämä tapahtui ennen taskulaskimien keksimistä. Ja lukija arvaa oikein: kun taskulaskin tuli, se passitti logaritmit kerralla historian hämärään. Logaritmien kukoistuskausi kesti vain noin 300 vuotta. Mutta tuona aikana tapahtui kiehtovia asioita.
Logaritmifunktio matemaattisena käsitteenä keksittiin 1600- luvulla, ne keksi skotti John Napier. Samalla keksittiin myös logaritmeihin perustuva laite: laskuviivain eli laskutikku. Ja kyllä vain, taskulaskin lopetti myös tämän laitteen käytön. Itselläni on tallessa parikin laskutikkua, ja joskus olen esitellyt niitä nuoremmille vierailleni. He ovat olleet varsin ihmeissään.
Mutta asiaan: miten logaritmeilla lasketaan ja miksi? Siihen tarvitaan eräs olennainen apuväline: logaritmitaulut. Se on pieni kirjanen, missä on valtava määrä numeroita. Kirjassa on esimerkiksi lueteltu kaikki luvut järjestyksessä yhdestä kymmeneentuhanteen, ja jokaisen luvun kohdalle on merkitty myös tuon luvun logaritmi, esimerkiksi viisinumeroisena lukuna. Surukseni olen hukannut omat logaritmitauluni, niitäkin olisi mukava esitellä.
Jotain täsmällistä pitäisi ehkä kertoa näistä ”logaritmeiksi” kutsutuista abstrakteista hirviöistä. Logaritmilla on aina joku kantaluku, ja yleisesti käytetään ns. Briggsin logaritmeja, joiden kantaluku on 10. Ja nyt hieman aivovoimistelua. Jonkun luvun logaritmilla tarkoitetaan sitä potenssia, johon kantaluku pitää korottaa, jotta saataisiin tuo luku. Esimerkiksi Briggsin logaritmi luvusta 1000 on kolme, koska 1000 on kymmenen potenssiin kolme.
Miksi ihmeessä nämä kauhean hankalat luvut on keksitty? Siksi, että logaritmien avulla kerto- ja jakolaskut voidaan muuttaa yhteen- ja vähennyslaskuiksi. Se tapahtuu seuraavasti. Haluamme kertoa keskenään luvut A ja B. Etsitään logaritmitaulusta kumpaakin lukua vastaavat logaritmit, logA ja logB. Sitten nämä lasketaan yhteen, ja haetaan logaritmitaulukosta luku, joka vastaa tämän summan logaritmia. Ja siinä se vastaus on! Jakolasku tapahtuu samalla tavalla, nyt vain logaritmit vähennetään toisistaan. Logaritmitauluista löytyy myös trigonometristen funktioiden logaritmeja, niin että sinien, kosinien ja tangenttien laskeminen on yhtä suoraviivaista.
Selitys logaritmien käytölle on siis puhtaasti käytännöllinen: yhteen- ja vähennyslaskut kynällä ja paperilla ovat paljon helpompia ja nopeampia kuin kerto- ja jakolaskut, joissa lisäksi tapahtuu helposti virheitä. 1600-luvulta lähtien merenkulku ja tähtitiede kehittyivät voimakkaasti, ja kummallakin alalla tarvitaan paljon laskemista. Laskemista tarvittiin myös nopeasti kehittyvissä teknisissä tieteissä. Laskemiselle oli siis syntymässä jatkuvasti kasvavaa kysyntää.
Entä mistä nämä logaritmitaulut saadaan? Ne on aikanaan laskettu käsin. Jokaisen logaritmin laskeminen tapahtuu pitkänä sekvenssinä yksinkertaisia toistuvia perusoperaatioita. Kuvailin edellä koulussa käyttämääni kymmenentuhannen luvun logaritmitaulukkoa, jossa kukin logaritmi oli laskettu viiden merkitsevän numeron tarkkuudella. Jokaisen logaritmin tuottaminen on vaatinut kymmenien tai jopa satojen tuntien uurastusta.
Logaritmitaulujen laatiminen on siten vaivalloista, yksitoikkoista ja pikkutarkkaa työtä. Laskijoiksi palkattiinkin yleensä naisia, koska heille voitiin maksaa pienempää palkkaa. Ja naisia pidettiin muutenkin tunnontarkkoina työntekijöinä. Näistä laskijoista käytettiin nimitystä ”computer”. Historiallisesta näkökulmasta käsitys naisten heikosta laskupäästä on selvästi vailla perää – tuskin siihen enää kukaan uskookaan.
Logaritmitaulukoiden valmistamisella oli hieman yllättävä sivuvaikutus. Se nimittäin vaikutti jopa ratkaisevasti tietokoneen keksimiseen. Tarvittiin yhä tarkempia logaritmitauluja, ja ne vaativat yhä enemmän työtä. Lisäksi tauluihin jäi usein virheitä, ja se saattoi olla jopa kohtalokasta, koska niitä tarvittiin laivojen navigoinnissa. Niinpä matemaatikot ja keksijät alkoivat haaveilla laskukoneista, joiden avulla työ olisi tarkempaa ja nopeampaa. Varhaisia yrittäjiä olivat Gottfried Leibniz ja Blaise Pacal, heidän koneensa eivät kuitenkaan olleet erityisen hyödyllisiä.
Mekaanisissa laskukonissa pisimmälle pääsivät 1800-luvun puolivälissä britti Charles Babbage ja hänen työtoverinaan toiminut Augusta Ada King, Lovelacen kreivitär. Babbagen keksimä kone, erotuskone eli difference engine perustui jatkuvasti toistettaviin vähennyslaskuihin, siitä nimi. Pian Babbage keksi vielä tehokkaamman koneen analyyttisen koneen, ja Adaa puolestaan pidetään ohjelmoinnin keksijänä. Koneesta oli tuleva massiivinen, ilmeisesti sitä olisi käytetty höyrykoneiden voimalla. Hanke oli kuitenkin liian vaikea, ja se sortui traagisesti teknisiin ja taloudellisin ongelmiin ja mutkikkaisiin ihmissuhteisiin. Lisäksi Ada kuoli varsin nuorena. Olen kertonut tästä aiemminkin tällä palstalla.
Babbagen kone oli aloittamassa uutta aikakautta, jonka tunnusmerkkejä olisivat valtavat höyrykoneiden voimalla toimivat tietoja käsittelevät koneet. Se tulisi olemaan loisteliaan viktoriaanisen teknologian voittokulkua, sitä luonnehtisivat erilaiset höyrykäyttöiset kulkuneuvot ja tehtaat, ja jopa mekaaniset höyryihmiset – sanaa ”robotti” ei tuolloin vielä oltu keksitty. Höyryvoiman suuri tulevaisuus ei kuitenkaan toteutunut. Adan ja Babbagen seurapiireihin kuului myös Michael Faraday. Ja hän oli jo keksinyt sähkömagneettisen induktion. Höyrykoneiden alasajon lähtölaskenta oli alkanut, oltiin siirtymässä vielä ihmeellisempään sähkön aikakauteen.
Höyrykäyttöiset laskukoneet eivät olleet pelkästään Babbagen visioita. Kuuluisa matemaatikko Gottfried Leibniz oli jo yli sata vuotta aikaisemmin haaveillut mekaanisista ajattelukoneista ja jopa ajattelevista tehtaista. Oman aikamme tieteiskirjallisuus on kuitenkin löytänyt teollistuvan Englannin utooppisen höyrymaailman, sitä kuvaavasta kirjallisuudesta käytetään nimeä steampunk. William Gibson ja Bruce Sterling ovat jopa sijoittaneet Babbagen kehittelemän laskukoneen romaaniinsa The Difference Engine.
Adan ja Babbagen hankkeeseen kietoutuu myös viktoriaanisen ajan kauhuromantiikkaa. Ada oli runoilija lordi Byronin matemaattisesti lahjakas tytär. Lordi Byron oli noihin aikoihin viettämässä ystäviensä kanssa aikaa huvilassa Genevejärven rannalla, ja Byron ehdotti heille kilpailua: kuka kirjoittaisi pelottavimman kauhutarinan. Mary Shelley voitti, ja tunnemme hyvin kertomuksen tohtori Frankensteinin luomasta hirviöstä. Se oli kuolleiden ihmisten ruumiinosista rakennettu keinoihminen, joka herätettiin henkiin sähkön avulla.
Laskukoneiden kehitys ei pysähtynyt Babbagen ja Adan epäonniseen hankkeeseen, se alkoi nyt edetä kohti nykyaikaisia tietokoneita. Kehityksen uuteen vaiheeseen vaikuttaneita henkilöitä olivat muiden ohella Alan Turing ja John von Neumann, heistäkin olen kirjoittanut blogiini. Aluksi hammasrattaat korvattiin sähkömekaanisilla releillä, ja sitten elektroniputkilla ja puolijohteilla. Kun ensimmäiset käytännössä toimivat koneet saatiin aikaan 1940-luvun lopulla, havaittiin kummallinen paradoksi. Nuo koneet oli kehitetty laskemaan logaritmitauluja ja muita teknisiä taulukoita, mutta sitten oivallettiin ettei tällaisia tauluja edes tarvittu. Tietokoneet pystyivät laskemaan tarvittavat funktiot suoraan, ei enää ollut tarvetta tehdä sitä logaritmitaulujen kautta.
Tarkastellaan nyt lähemmin, mitä tekemistä logaritmeilla oli purjelaivakauden navigoinnin kanssa. On selvää, että kun purjehdittiin avarilla valtamerillä, oli aivan olennaista tietää, missä ollaan ja minnepäin mennään. Mutta: kunnollisia karttoja ei tuohon aikaan ollut, ja tarkka paikanmäärityskin oli lähes mahdotonta. Niin, siis lähes, mutta jotain piti yrittää. Onneksi valtameret ovat todella valtavia, ja enimmäkseen pelkkä aavaa merta. Muuten merenkulku olisi ollut mahdotonta. Maan saattoi toki erottaa 20-40 kilometrin päästä, jos sää oli hyvä. Niin, jos…
Siksi purjelaivassa piti olla ainakin kaksi pätevää navigaattoria. Yleensä ne olivat kapteeni ja perämies. Kaksi, sillä jos navigaattori kuolisi kesken matkan, alus olisi tuhoon tuomittu. Tunnetaan tapaus, missä sekä kapteeni että perämies sattuivat molemmat kuolemaan. Onneksi aluksessa sattui olemaan mukana kapteenin vaimo. Hän opetteli navigoimaan, ja johdatti aluksen lopulta turvasatamaan.
Navigaattori tarvitsee teknisiä apuvälineitä. Tarvitaan jonkinlainen kartta, sekä kyniä, astemitta, harppi ja viivoitin. Niiden avulla voidaan määritellä kulloinkin tarpeellinen kurssi eli kompassisuuta, jonne purjehditaan. Kunhan ensin tiedetään, missä ollaan. Kompassi onkin asennettu ruorin lähelle, se on aivan olennainen osa purjehtimista. Sitten se tärkein taito, eli paikanmääritys. Sitä varten jo muinaiset merimiehet käyttivät yksinkertaisia kulmanmittauslaiteita kuten astrolabia. Niistä kehittyi 1700-luvulla sekstantti. Siinä on pieni kaukoputki, tarkka kulma-asteikko 60 asteen laajuudelta ja muutamia pikku peilejä. Sekstantin avulla voidaan mitata taivaankappaleiden korkeus horisontista.
Ja jotta tällaisista mittauksista olisi mitään hyötyä, tarvitaan avuksi aivan erityinen taulukkokirja: merenkulun almanakka eli the Nautical Almanac. Se sisältä tiedot eri taivaankappaleiden asemista eri leveysasteilla. Almanakkaa alettiin julkista vuonna 1767, ja sellainen pitää edelleen olla suurissa laivoissa siltä varalta, että satelliittipaikannus menisi epäkuntoon.
1700-luvulla keksittiin merenkulkijoiden tarkkuuskello eli laivakronometri. Siitä tuli laivoille tavattoman tärkeä apuväline. Sekstantin avulla voidaan määrittää leveyspiiri, mutta pituuspiirin määrittämisen oli käytössä vain hyvin karkeita keinoja. Tarkka kello mullisti tilanteen. Esimerkiksi havainnoidaan se hetki, jolloin aurinko on korkeimmillaan horisontista, ja verrataan sitä taulukoihin. Kronometrin käyntitarkkuus ja auringon korkeimman aseman hetken määritystarkkuus vaikuttavat paikantamiseen. Yhden sekunnin aikana maapallon pinta liikkuu päiväntasaajan lähellä noin puoli kilometriä. Parhaimmillaan sekstantilla päästään alle viiden kilometrin paikannustarkkuuteen, kunhan kronometrin käyntivirhe matkan aikana jää sekuntien luokkaan. Joka tapauksessa paikanmääritys edellyttää laskutoimituksia, ja sitä varten kipparin työkaluihin kuuluvat vielä logaritmitaulut.
Voi olla yllättävää, että tapaamme logaritmitaulut myös maamme kirjallisuushistoriassa. Kustavilainen Volter Kilpi (1874 – 1939) on tunnettu erityisesti meriaiheisista kirjoistaan, ja Alastalon salissa on monesti äänestetty jopa parhaaksi suomalaiseksi romaaniksi. Erityisen väkevä teos on novelli nimeltä Kaaskerin Lundström. Se kertoo kapteenista, joka humalapäissään ajaa laivansa, Raha-Rambergin fregatin kiville Gotlannin edustalla, hukuttaen laivapoikaa lukuun ottamatta koko miehistön.
Siitä alkaa vuosikymmeniä jatkuva hirveä katumustyö. Lundström alkaa opettaa merenkulkuoppia tuleville kippareille, jotta tällainen onnettomuus ei koskaan toistuisi. Hieman Aleksis Kiven lukkarin koulun tapaan Lundström takoo raivoisalla vimmalla ja viinapalkalla logaritmeja ja astelukuja jukuripäisten tulevien kippareiden koviin kalloihin. Romaani on hurjuudessaan aivan omaa luokkaansa, alusta loppuun sitä hallitsee Lundströmin katkera viinanhuuruinen monologi.