ダグラス・ハートリー

ダグラス・ハートリー フランス
生まれる	ダグラス・レイナー・ハートリー ( 1897-03-27 )1897年3月27日 ケンブリッジ、イングランド、イギリス
死亡	1958年2月12日(1958-02-12)（60歳） イギリス、イングランド、ケンブリッジ
母校	ケンブリッジ大学セント・ジョンズ・カレッジ
知られている	MCHF アップルトン・ハートリー方程式 微分分析装置 ハートリー（エネルギーの単位） ハートリー方程式 ハートリー・フォック法
受賞歴	王立協会会員[1]
科学者としてのキャリア
フィールド	数値解析 原子物理学
機関	マンチェスター大学 補給省 ケンブリッジ大学
博士課程の指導教員	ラルフ・H・ファウラー[2]
博士課程の学生	オスカー・ブネマン シャーロット・フィッシャー アーロン・クラッグ フィリス・ニコルソン シセリー・リドリー[2]

ダグラス・レイナー・ハート リー（1897年3月27日 - 1958年2月12日）は、イギリスの数学者、物理学者であり、数値解析の開発と原子物理学のハートリー・フォック方程式への応用、およびメカノを使用した微分解析装置の構築で最も有名である。^{[2] [3]}

ダグラス・ハートリーはイギリスのケンブリッジで生まれた。父ウィリアムはケンブリッジ大学の工学講師で、母エヴァ・レイナーは英国女​​性全国協議会の会長で、ケンブリッジ市初の女性市長であった。曽祖父のひとりはサミュエル・スマイルズ^[1]、もうひとりはジョン・ペンのパートナーで海洋技師のウィリアム・ハートリーである^[4]。ダグラス・ハートリーは、乳児期を生き延びた3人の息子の長男であった。彼がまだ子供だったころ、兄と妹が乳児期に亡くなったが、後に2人の兄も亡くなった。ハートリーの7歳の兄ジョン・エドウィンはハートリーが17歳のときに亡くなり、22歳の弟コリン・ウィリアムは1920年2月に髄膜炎で亡くなったとき、ハートリーは23歳だった。^[5]母方のいとこは地質学者ドロシー・ヘレン・レイナーである^[6]。

ハートリーはケンブリッジのセント・フェイス・スクール、次いでベデイルズ・スクールに通い、ケンブリッジのセント・ジョンズ・カレッジで学位取得のために勉強するためにケンブリッジに戻ったが、第一次世界大戦で中断された。彼（と父と兄）はAVヒルの下で対空弾道学を研究するグループに参加し、そこでかなりの技術を身につけ、微分方程式の実用的な計算と数値計算法に絶え間ない興味を持ち、ほとんどの作業を鉛筆と紙で行った。^[7]ヒルはハートリーの死亡記事の中で「ある日、彼はひっそりと針金、支柱、鋼鉄テープを使って長底高測定器を即席で作った」と書いている。これはハートリー高測定器として知られるようになり、より優れた光学式高測定器が導入されるまでイギリスの対空部隊で広く使用された。その利点は、観測された量から「単純な算術だけを使って非常に迅速に」高さを計算できることと言われていた。また、製造コストが安く、使い方も簡単だった。

第一次世界大戦の終結後、ハートリーはケンブリッジに戻り、1922年に自然科学の二級学位を取得して卒業した。

1921年、ニールス・ボーアがケンブリッジを訪れたことがきっかけでハートリーはボーアの原子理論に数値計算のスキルを応用するようになり、1926年にその理論で博士号を取得した。指導教官はアーネスト・ラザフォードだった。同年、シュレーディンガー方程式が発表され、ハートリーは微分方程式と数値解析の知識を新しい量子論に応用することができた。彼は原子内の電子の分布に関するハートリー方程式を導き、その解法として自己無撞着場法を提案した。この理論の波動関数はパウリの排他原理を満たさなかったが、スレイターはそのためには行列式関数が必要であることを示した。V . フォックは「交換を伴う方程式」、現在ハートリー-フォック方程式として知られている方程式を発表した。これらは、ハートリーが交換寄与の計算に提案した効率的な方法を用いても、計算上はかなり要求が厳しいものであった。今日、ハートリー・フォック方程式は計算化学の分野で非常に重要であり、分子や凝縮相系の電子構造計算に使用されるほとんどの密度汎関数理論プログラム内で数値的に適用され、解かれています。^{[8] [9]}

1929年、ハートリーはマンチェスター大学の応用数学のベイヤー教授に任命された。1933年、マサチューセッツ工科大学のヴァネヴァー・ブッシュを訪問し、彼の微分解析装置について直接学んだ。マンチェスターに戻るとすぐに、彼はメカノ製の独自の解析装置の構築に取りかかった。その機械を使用して数値解析法をさらに活用できる可能性を見て、彼はロバート・マクドゥーガル卿を説得して、メトロポリタン・ビッカースと共同でより堅牢な機械を開発するための資金を提供した。

この機械の最初の用途は、ハートリーの鉄道に対する熱意を反映して、ロンドン・ミッドランド・アンド・スコティッシュ鉄道の時刻表を計算することだった。^[10]彼はその後10年間、微分解析装置を応用して、流体力学における制御理論や層流境界層理論など、物理学で生じる微分方程式の解を求めることに費やし、それぞれの分野に多大な貢献をした。

微分解析器は交換を含む方程式の解法には適していなかった。フォックの論文がハートリーの交換を含む方程式の研究に先んじると、ハートリーは研究対象を電波伝搬に転じ、アップルトン・ハートリー方程式を導き出した。1935年、父ウィリアム・ハートリーがハートリーのために計算をすることを申し出た。交換を含む結果がすぐに続いた。ダグラスは配置相互作用の重要性を認識し、これを「配置の重ね合わせ」と呼んだ。最初の多配置ハートリー・フォックの結果は、父、息子、バーサ・スワーレス（後のジェフリーズ夫人）によって1939年に発表された。

ハートリーの提案により、バーサ・スワールズは1935年にディラック方程式を用いて原子の交換を含む方程式を導出しました。ハートリーの助言により、最初の相対論的計算（交換なし）は1940年にRBリンゼイの学生であるAOウィリアムズによって報告されました。

第二次世界大戦中、ハートリーは 2 つの計算グループを監督しました。最初のグループは補給省向けで、ジャック・ハウレット^[11]によって微分方程式を解く「ジョブ ショップ」と表現されています。第二次世界大戦が勃発したとき、マンチェスター大学の微分解析装置は国内で唯一のフルサイズ (8 つの積分器) 微分解析装置でした。国家の戦争活動を支援するために、このマシンを利用できるように手配しました。やがて、グループは 4 人のメンバーで構成されました^[12] (ジャック・ハウレット、ニコラス・R・エアーズ、JGL ミシェル、ダグラス・ハートリー、フィリス・ロケット・ニコルソン)。問題は発生源に関する情報なしでグループに提出されましたが、ターゲットの自動追跡、無線伝搬、水中爆発、鋼鉄の熱流、後に同位体分離用であることが判明した拡散方程式などが含まれていました。 2 番目のグループは、フィリス ロケット ニコルソン、デイビッド コプリー、オスカー ブネマンのマグネトロン研究グループでした 。この研究は、レーダーの開発を支援するバルブ開発調整委員会のために行われました。積分器がもっとあれば微分解析器も使用できたはずなので、ハートリーはグループを 3 つの「CPU」に分割し、機械式卓上計算機を並列に操作できるようにしました。解法として、彼は現在では古典的な粒子シミュレーションを選択しました。^[13] ハートリーは、戦時中に数多くの高度な技術を要する秘密報告書を執筆しましたが、マグネトロン研究の成果を雑誌に発表することはありませんでした。

1944年4月、ハートリーを含む委員会は、国立物理学研究所(NPL) 内に数学部門を設立するよう勧告した。10月にこの勧告は実行に移され、その最初の2つの目的は、自動電話装置の科学機器への応用可能性の調査と、高速計算に適した電子計算装置の開発であった。メンバーの中には、コロッサス コンピュータについて既に知っていた者もいたと思われる。ジョン R. ウォマーズリー(チューリングの天敵) が初代所長となった。1945年2月、彼は米国の計算機施設を2か月間視察し、その中にはENIAC (まだ完成していなかった) の訪問も含まれていた。彼は、フォン ノイマンの有名な1945年6月のEDVACレポートの草稿を知った。約2か月後、ハートリーも当時は公に知られていなかった ENIAC を視察した。

1946 年 2 月、マックス ニューマン( Colossus コンピュータの開発に携わっていた) は、マンチェスター大学で汎用コンピュータを構築する作業を開始するための資金援助を王立協会に申請しました。王立協会は、この要請をハートリーとNPL のディレクターであるCG ダーウィンに助言を求めました。ハートリーは助成金を推奨しましたが、ダーウィンは NPL のチューリングのACEで国のニーズを満たすのに十分であるとして反対しました。しかし、ハートリーの意見が採用され、マンチェスターでのコンピューティングの開発が始まりました。

ハートリーは制御システムの研究をさらに進め、デジタルコンピュータの初期の応用に携わり、弾道表の計算にENIACを使用するよう米軍に助言した。1946年の夏、ハートリーはENIACの幅広い科学への応用性を評価するために2度目のENIAC訪問を行い、これをプログラムした最初の民間人となった。このためにハートリーは、音速よりも速く移動する翼の表面上の空気など、表面上の圧縮性流体の流れに関する問題を選択した。^[14]

1945 年の終わりか 1946 年の初めごろ、ハートリーはケンブリッジ大学のモーリス・ウィルクスに、彼が目にした米国におけるコンピューターの比較発展について説明した。ウィルクスはその後、ムーア電気工学学校(ENIAC の製作者) から電子コンピューターのコースに出席するよう招待された。このコースに出発する前に、ハートリーは ENIAC についてさらに詳しく説明することができた。ウィルクスがEDSACのオリジナル設計を計画したのは、帰路の船上でのことであり、EDSAC は 1949 年 5 月に運用開始される予定であった。ハートリーはウィルクスと緊密に協力して、さまざまな問題に対するこのマシンの利用方法を開発し、最も重要なこととして、大学内のさまざまな分野のユーザーに、研究作業でこのマシンをどのように使用できるかを示した。

ハートリーは 1946 年にケンブリッジに戻り、数理物理学のプラマー教授に就任しました。10 月に彼は「計算機: 最近および将来の開発と数理物理学への影響」と題する就任講演を行いました。この講演では、ENIAC とハートリーがそれについて行った作業について説明しました。1946 年、つまりストアード プログラミング電子計算が現実のものになる 2 年前にも、ハートリーはサブルーチンの使用の必要性を感じていました。彼の就任講演は、コンピューターで何ができるのかという考察で終わりました。彼は次のように語りました。「... 経済的、医学的、社会学的に重要で、研究を待っている問題が数多くあることは理解していますが、現在では、計算にかかる膨大な負荷のために、それらに取り組むことはできません。」

1946年11月7日、デイリー・テレグラフ紙はハートリー氏にインタビューし、次のように語ったと報じた。「この機械の影響はあまりにも大きく、それが私たちの文明にどのような影響を与えるかは想像もつきません。これは、人間の活動の1つの分野を1,000倍高速化するものです。輸送の分野では、ACEに相当するのは、ロンドンからケンブリッジまで5秒で日常的に移動できる能力です。これはほとんど想像もできません。」^[15]

ハートリーの英国コンピュータに対する4番目で最後の大きな貢献は、1947年初頭に始まった。ロンドンのケータリング会社J. ライオンズ& Co.がENIACのことを聞き、その年の夏に米国で何が起こっているかを調査するために小さなチームを派遣したのである。この会社は、この新しいコンピュータが、会社が行わなければならない膨大な管理および会計業務の助けになるかもしれないと感じたからである。チームはプリンストン高等研究所のハーマン・ゴールドスタイン大佐と会い、ゴールドスタイン大佐はハートリーに手紙で彼らの調査について伝えた。この手紙を受け取るとすぐにハートリーは手紙を書き、ライオンズの代表者にケンブリッジに来て自分とウィルクスと会うように招待した。これがライオンズが開発したEDSACの商用バージョンの開発につながり、LEOと呼ばれ、商用ビジネスアプリケーションに使用された最初のコンピュータとなった。ハートリーの死後、LEOコンピュータの本社はハートリーハウスと改名された。これは、ライオンズがハートリーが彼らの新しいベンチャーにどれほど貢献したと感じていたかを示している。

ハートリーのコンピューター分野における最後の有名な貢献は、1950年にコンピューターの潜在的需要を推定したことであるが、これは実際よりもはるかに低いものであった。「ケンブリッジに1台、マンチェスターに1台、[NPL]に1台ずつコンピューターがある。スコットランドにも1台あるはずだが、それだけだ。」当時は、必要とされるコンピューターの数をこのように過小評価することは一般的だった。^[16]

ケンブリッジ大学におけるハートリーの最後の博士課程の学生、シャーロット・フロース・フィッシャーは、原子構造計算に対する多構成ハートリー・フォック（MCHF）アプローチの開発と実装、および負のカルシウムイオンの存在に関する理論的予測で知られるようになった。

職業生活以外では、ダグラス・ハートリーは音楽に熱中し、オーケストラや室内楽に関する幅広い知識を持っていた。ピアノを弾き、アマチュアオーケストラの指揮者も務めた。音楽に対するこの情熱が、おそらく、熟練したピアニストであった妻のエレイン・チャールトンと彼を結びつけたのだろう。彼らの結婚により、オリバーとジョン・リチャードという2人の息子とマーガレットという1人の娘が生まれた。 [ ^17]彼は1958年2月12日、ケンブリッジのアデンブルック病院で心不全のため亡くなった。 ^[18]

• 王立協会会員（1932年）^[1]
• エネルギーの単位であるハートリーは彼にちなんで名付けられました。
• ハートリーセンターは彼にちなんで名付けられました。

• ハートリー、DR（1949年）『計算機と計算装置』アーバナ：イリノイ大学出版局。（また（1950）ケンブリッジ大学出版局）
• Hartree, DR (1952).数値解析.オックスフォード大学出版局.
• Hartree, DR (1957).原子構造の計算. ニューヨーク: Wiley & Sons .
• Hartree, DR (1984)。計算機：最近の開発と今後の開発、および数理物理学と計算機への影響。チャールズ・バベッジ研究所による計算機の歴史に関する復刻シリーズ。第 6 巻。ケンブリッジ、米国：MIT 出版。

• フローズ・フィッシャー、シャーロット (2003)。ダグラス・レイナー・ハートリー：科学とコンピューティングにおける彼の人生。シンガポール：ワールド・サイエンティフィック。
• マンチェスター微分解析装置