تعتمد آلة تورينج الشهيرة على بنية رياضية قوية ومكتفية ذاتيًا تتمتع بصفات لحل العمليات الرياضية من خلال الاستخدام الخوارزمي. وعلى الرغم من أن هذا التعريف معقد للغاية، إلا أن الواقع ليس كذلك.
ببساطة، هذا الجهاز هو جهاز تم تصنيعه عام 1936 لحساب بيانات الكمبيوتر بشكل لا نهائي. ولا شك أن تطورها يمثل حدثًا رئيسيًا في تاريخ الحوسبة . في الواقع، يمكننا أن نعتبر أنه بفضل هذه الآلة أصبحت أجهزة الكمبيوتر التي نعرفها موجودة اليوم.
ببساطة، آلة تورينج ليست معقدة. على العكس من ذلك، فإن إحدى أهم سماته هي على وجه التحديد سهولة أدائه. إنه يستخدم ببساطة تمثيلات رمزية على شريط يتبع عمليات مختلفة. ومع ذلك، لمجرد أنها بسيطة لا يعني أنها عديمة الفائدة. إنه عكس ذلك تمامًا.
تقبل آلة تورينج جميع أنواع التعليمات البرمجية الخوارزمية من أجهزة كمبيوتر مختلفة. وبهذا المعنى، فإنه يحاكي بسلاسة منطق سلوك الكمبيوتر.
تدين هذه الآلة باسمها لمخترعها آلان تورينج من أصل إنجليزي. وبرزت هذه الشخصية خلال حياته في مجالات مختلفة. لقد برع في المقام الأول باعتباره عبقريًا منطقيًا. في الواقع، مما سبق، تم تسمية الآلة في البداية بـ “آلة الحوسبة المنطقية”.
تمثل آلة تورينج واحدة من أكثر المساهمات أهمية في تاريخ الحوسبة.
تاريخ إنشاء آلة تورينج
بحلول القرن التاسع عشر، اكتسبت الرياضيات أهمية في العديد من المجالات. ومع ذلك، فإن هذا لم يصبح رسميًا بعد. لقد عمل معظم خبراء الموضوع بجد من أجل إنشاء هذا المجال من الدراسة.
لقد كان الأمر يتعلق بتنفيذ فرضية على مجموعة من الرموز والأساليب التي سيكون تحقيقها على عاتق الآلة.
كشف آلان تورينج عن مبادرة آلة تورينج في عام 1936 . حدث هذا بالضبط في عرض بحثه “حول الأرقام القابلة للحساب، مع تطبيق على مشكلة Entscheidungsproblem” . قام المنشور، الصادر في نفس العام، بتحليل نهج ديفيد هيلبرت في تحديد الرياضيات.
بمعنى آخر، كان النهج هو تأكيد وجود إجراء ثابت ينطبق على أي إجابة رياضية وهذا بدوره يؤكد ما إذا كانت النتيجة المذكورة صحيحة أم لا. وبناء على ما سبق قام آلان تورينج بتصميم آلة تورينج، مؤكدا أن بعض الآلات يمكنها حل الخوارزميات المختلفة.
حتى الآن، ترك تورينج إرثًا مهمًا. على الرغم من أن عمله لا يركز على التمثيل المادي، إلا أنه لا يمكن إنكار أهميته لتصميم الكمبيوتر الحديث. إلى كل هذا، عندما نلاحظ سلوك جهاز الكمبيوتر، فإننا نواجه آلة تورينج.
كيف يتم صنع آلة تورينج؟
تحتوي آلة تورينج على عدد غير محدود من الأشرطة المقسمة إلى أقسام إدارة تعمل كجهاز تخزين. بالإضافة إلى ذلك، فهو يحتوي على رأس يقرأ ويكتب الرموز على الشريط. ومن ناحية أخرى، فإن هذا الجزء نفسه هو المسؤول عن نقل الشريط من مساحة إلى أخرى.
ويتضمن أيضًا سجل فحص الصحة وجدول العمليات المخفض. يُعرف الأخير أيضًا باسم جدول الإجراءات. كما ذكرنا من قبل فإن آلة تورينج تعمل بشكل تلقائي . ولذلك، لفك أنواع مختلفة من الخوارزميات، فإنه يحكمها التسلسل الهرمي تشومسكي.
- الشريط : هذا الشريط مقسم إلى أقسام ويتم وضع كل منها وفقًا للآخر. جميع الخلايا لها رموز تمهيدي محدود. التمهيدي، بدوره، لديه رمز خاص يسمى “B”. بالإضافة إلى ذلك، فهو يتضمن رموزًا إضافية أخرى. يمتد الشريط في أي من الاتجاهين (يسارًا أو يمينًا) حسب الحاجة لعملك.
- الرأس – يقرأ هذا الجزء من آلة تورينج ويولد الرموز على الشريط. بالإضافة إلى ذلك، فهو مسؤول عن تحريك الشريط في الاتجاه المقابل. اعتمادًا على نموذج الرأس، قد يتحرك. إذا كان الأمر كذلك، فإن الفرقة ثابتة.
- حفظ الحالة – كما يوحي الاسم، تحتاج إلى حفظ حالة الجهاز. وهذا يشير إلى حالة محدودة. بالإضافة إلى ذلك، هناك حالة افتتاحية معينة يبدأ معها السجل العمل. يقول آلان تورينج أن كل حالة تحل محل “الحالة العقلية” عندما يقوم الفرد بإجراء عملية حسابية معينة.
- جدول التعليمات – يعتني بشكل أساسي بجميع مطالبات آلة تورينج. أي أنه يشير إلى ما يجب أن يعمل عليه الجهاز في وقت معين. على سبيل المثال، قم بتحريك الرأس أو كتابة رمز أو حذفه، من بين أمور أخرى.
كيف تعمل آلة تورينج؟
تقوم آلة تورينج بثلاث مهام أساسية بمجرد وضع الرأس على الشريط. يقرأ هذا الجهاز الرمز الموجود في خلية معينة، أو يغير قيمة الرمز الموجود في خلية، أو يحرك الشريط يمينًا أو يسارًا لفك تشفير الخلية المجاورة واستبدالها.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون لكل من القيم مهمة ذات صلة. أي أنه، على سبيل المثال، إذا كان الرمز المقروء يتوافق مع الرقم 1، فإن آلة تورينج تكتب 0 وتحرك الشريط إلى اليمين. ومع ذلك، إذا كان الرمز المقروء هو 0، فإن الجهاز يكتب الرقم 1.
تسمى هذه المهمة التي تقوم بها آلة تورينج بالانعكاس. هذا إذن، القيم الثنائية لها مصلحة. وهكذا، تتم برمجة آلة تورينج لأداء مهام محددة، والتي تقوم بفك رموز خوارزميات معقدة للغاية. الهدف المركزي لهذا الجهاز هو الأرقام التي يتم حسابها عن طريق العمليات الرياضية.
ما هو استخدام آلة تورينج؟
في الواقع، كان لآلة تورينج استخدامات لا تعد ولا تحصى طوال تاريخها. وليس أقلها أنه اختراع ثوري غيّر الطريقة التي نرى بها الرياضيات ونفسرها. في السابق كان يستخدم كمولد لغة ، على سبيل المثال.
ومع ذلك، هناك العديد من التطبيقات التي يمكن مناقشتها في هذه المرحلة. بعض من أهمها هي:
- نظرية الحساب – هذه النظرية جزء من دراسة علوم الكمبيوتر والرياضيات. هدفها الرئيسي هو تحليل الصفات الأساسية وحدود أجهزة الكمبيوتر. وعلى وجه الخصوص، تحاول هذه النظرية إيجاد إجراءات رياضية تسمح بإمكانية حساب وتصنيف عملية ما وفقًا لمستوى تعقيدها.
- آلة أوراكل : هذا نوع من آلات تورينج التي تحتوي على أوراكل يجيب على الأسئلة المتعلقة برموز رقمية محددة.
ما هي أنواع آلات تورينج الموجودة؟
هناك عدة أنواع من آلات تورينج. وُلد كل واحد منهم بهدف تبسيط عملية حل المشكلات الخوارزمية. الأنواع الخمسة موضحة أدناه:
- آلة تورينج مع توجيه البقاء – تحتوي هذه الآلة على نطاق غير محدود يتحرك في اتجاه واحد. عادة ما يتحرك الشريط إلى اليمين. تم تعطيل التنقل إلى اليسار.
- آلة تورينج ثنائية الاتجاه – إذا كانت آلة تورينج تحتوي على عدد غير محدود من الأشرطة، فيمكنها العمل مثل آلة ثنائية الاتجاه، ولكن بمسارين. في هذه الحالة، يتم تحديد موقع المعلومات بناءً على تخطيط النطاقات، إن أمكن.
- آلة تورينج متعددة الأشرطة – كما يوحي اسمها، فهي تحتوي على أشرطة متعددة. خصوصيتها هي أن كل واحد منهم لديه رأسه الخاص. ولذلك فإن كل جزء من هذه الأجزاء يعمل بشكل مستقل. ومن ناحية أخرى، ليس من الضروري أن يتحركوا في نفس الاتجاه أو في وقت واحد.
- آلة تورينج متعددة الأبعاد : في هذه الحالة، يكون لشريط الآلة عدة أبعاد. أي شريط ثنائي الأبعاد يتحرك يمينًا ويسارًا ولأعلى ولأسفل. اعتمادًا على حالة الجهاز والخوارزمية المراد فك تشفيرها، يتم تعديل الحالة.
- آلة تورينج غير حتمية : من الممكن محاكاة آلة حتمية بآلة غير حتمية والعكس صحيح. في حالة الحتمية، يعتمد الأمر على أن رمز الشريط والحالة الحالية يتكون من عدد محدود من الأرقام للاختيار من بينها.
ما هي مميزات آلة تورينج؟
ومن أهم مميزات هذا النوع من الآلات، مقارنة بغيره، أن لغته واسعة جدًا. من ناحية أخرى، يمكن السماح بالخوارزمية أو رفضها دون الحاجة إلى إعادة قراءتها بالكامل. يتم حساب العمليات على أي حال عند التعامل مع آلة تورينج. علاوة على ذلك، فإن ترميزه قابل للتقرير .
تقوم هذه الآلات بسرد أو تعداد اللغة. ومن ناحية أخرى، فإن الحكم الذاتي الذي يتمتعون به لا يمكن مقارنته بأي شيء آخر. هذا الأخير يسمح لها بالقفز بين الدول المختلفة. ليست هناك حاجة لتلخيص المعادلات المنطقية، لأن الذاكرة كبيرة بما فيه الكفاية.