Donald Ervin Knuth

Donald Ervin Knuth se narodil roku 1938 v Milwaukee v americkém státě Wisconsin. Prvním vzorem mu byl jeho otec, který vyučoval účetnictví na místní luteránské střední škole a malému Donaldovi předal zápal pro vzdělání a také pro hudbu.

Svoji výjimečnost Knuth poprvé projevil v osmé třídě, když vyhrál soutěž pořádanou společností na sladkosti Ziegler: úkolem bylo vytvořit co nejvíce slov z písmen textu „Ziegler's Giant Bar” a zatímco referenční řešení obsahovalo 2500 slov, Donald vymyslel slov 4500, a to bez použití apostrofu. Za jasnou výhru získal televizní přijímač a také zásobu cukrovinek po zbytek školní docházky.

I přesto ale svou další budoucnost neviděl v matematice či fyzice, ale v hudbě, které na střední škole věnoval téměř veškerý volný čas. Jeho názor změnila až nabídka stipendia pro studium fyziky od Case Institute of Technology v Ohiu. Zde Knuth objevil svůj zápal pro matematiku, která mu na střední škole připadala nudná, a na doporučení svého učitele matematické analýzy změnil obor z fyziky na matematiku.

V roce 1956 se Donald poprvé setkal s počítačem – sálovým IBM 650, což byl první sériově vyráběný počítač na světě. Počítači ihned propadl – celou noc se z manuálu učil základy programování a hned také vymýšlel, jak uvedené příklady zlepšit. První jeho program faktorizoval čísla, další hrál pro změnu piškvorky a další zas analyzoval výkonnost jednotlivých hráčů školního basketbalového družstva.

Díky výjimečným výsledkům mu Case Institute v roce 1960 jako vůbec prvnímu studentovi v historii udělil po dokončení bakalářského studia i magisterský titul v oboru matematika. Poté odešel studovat na California Institute of Technology, kde o tři roky později získal titul doktorský za disertaci Finite semifields and projective planes. Mezi další jeho práce z tohoto období pak patří spočtení eulerova čísla na 1271 desetinných míst a článek o vyhodnocování polynomů počítačem. Ještě během studií, v roce 1961, se Donald Knuth oženil s Nancy Jill Carterovou, s kterou má dvě děti Johna Martina (*1965) a Jennifer Sierru (*1966).

Donald Knuth a Steve Wozniak v roce 2011

Na Caltech zůstal i po dokončení postgraduálního studia jako odborný asistent. Již od roku 1960 Knuth rovněž pracoval jako konzultant pro Burroughs Corporation. Zabýval se zde softwarem i hardwarem a potkal zde mnoho inspirativních lidí, zejména pak Edsgera Dijkstru, který právě v oné době dokončoval spolu s J. A. Zonneveldem první implementaci překladače pro Algol 60.

Na svém celoživotním díle, monografii Umění programování (anglicky The Art of Computer Programming), začal pracovat v roce 1962, tedy ještě coby doktorand. Původně se mělo jednat o publikaci o překladačích pro nakladatelství Addison-Wesley. Když ale text do roku 1966 narostl do délky tří tisíc stran rukopisu, bylo zřejmé, že vzniká něco mnohem většího. Nakonec se s nakladatelstvím dohodl na sepsání sedmi svazků, jež by pokrývaly nejdůležitější znalosti z informatiky a algoritmizace, spolu s jejich detailní matematickou analýzou.[2]

První díl o základních algoritmech vyšel v roce 1968, druhý o generování náhodných čísel a aritmetických algoritmech o rok později a třetí o řazení a vyhledávání v roce 1973. První svazek čtvrtého dílu o kombinatorických metodách vyšel až roku 2011. Čtvrtý díl je rozdělen do čtyř svazků; jednotlivé části postupně vycházely ve formě tzv. „fasciklů”, tedy pracovních verzí, ke kterým se může vyjádřit odborná veřejnost. Pátý díl bude věnován algoritmům syntaktické analýzy a Knuth jeho dokončení plánuje na rok 2020. Po jeho dokončení se vrátí k prvním třem dílům, které zaktualizuje – doplní do nich témata, která v době psaní prvních svazků ještě nebyla prozkoumána. Šestý díl by měl pojednávat o teorii bezkontextových jazyků a finální sedmý by se měl věnovat překladačům.

I přes nedokončenost je ale Umění programování, kterému se často přezdívá „programátorská bible”, vysoce ceněno. Například americký vědecký časopis American Scientist jej zařadil mezi sto nejvýznamnějších vědeckých publikací 20. století. Vznikly také překlady do řady cizích jazyků, přičemž v češtině vydalo nakladatelství Computer Press zatím první dva díly.

Zajímavostí pak je, že ukázky kódu v knize jsou uvedeny v jazyce symbolických adres hypotetického počítače MIX (respektive jeho RISC verze MMIX v pozdějších vydáních). K architektuře MIX vzniklo několik emulátorů (například GNU MDK).

Dlouhá pauza po vydání třetího svazku Umění programování byla způsobena především Knuthovou nespokojeností s tehdejší sazbou matematické literatury. Systém pro počítačovou sazbu, který nazval TeX, vyvíjí od roku 1977. Kromě TeXu vytvořil také systém pro vytváření písem za použití matematiky Metafont. O těchto systémech také napsal čtyřsvazkovou sérii knih Computers and Typesetting, která spolu s faktem, že oba systémy nabídl zdarma k používání, pomohla širokému rozšíření systémů, především pak TeXu.

Jeden z Knuthových šeků na 2,56 $

Že má Knuth smysl pro humor, můžeme vypozorovat například z číslování verzí obou systémů – místo tradičního zvyšování čísla verze, se označení verze TeXu prodlužuje vždy o další číslici rozvoje Ludolfova čísla a verze Metafontu se pro změnu blíží k číslu Eulerovu. Knuthovým přáním je, aby se po jeho smrti systémy již dále nevyvíjely, ale zůstaly ve finálních verzích s označením π, respektive e. Dalším žertíkem je pak vyplácení 2,56 $ za nalezení typografické chyby v jeho libovolné publikaci. Tato částka nebyla vybrána náhodně – 256 pencí Knuth označuje za jeden „hexadecimální dolar”.

Ještě před odchodem z California Institute of Technology na Stanford přispěl Donald Knuth v polovině šedesátých let k rozvoji překladačů objevem LR analýzy. Jedná se speciální deterministickou verzi syntaktické analýzy zdola nahoru. Také se podílel na algoritmu pro vyvozování důsledků z axiomů a ověřování důkazů v axiomatických systémech, který vytvořil v roce 1966 se svým studentem Peterem Bendixem, a který dnes nese jména obou autorů – Knuthův-Bendixův algoritmus.

Knuth odešel na Stanford ještě před začátkem prací na TeXu, v roce 1968, a s touto kalifornskou univerzitou spojil zbytek své kariéry. Se studentem Vaughanem Prattem zde v polovině sedmdesátých let vytvořil jednoduchý, avšak efektivní algoritmus pro hledání výskytu podřetězce v řetězci. Nezávisle na nich totožný postup objevil i James H. Morris, a tak algoritmus dnes známe pod názvem Knuthův-Morrisův-Prattův algoritmus (KMP). Na Stanfordu coby profesor teoretické informatiky vyučoval především kurzy o matematice a datových strukturách. Své přednášky o matematice jakožto základu informatiky, shrnul v knize Concrete Mathematics: A Foundation for Computer Science, kterou napsal spolu s Ronaldem Grahamem a Orenem Patashnikem. Legendární byl i jeho řešitelský seminář A Programming and Problem-Solving-Seminar. Od roku 1993 však pořádá přednášky již jen velmi zřídka, a svůj čas věnuje práci na Umění programování.

Knuth také vymyslel nový přístup k programování, který nazval literární programování (anglicky literate programming), ve kterém je na prvním místě dobrá čitelnost a srozumitelnost pro čtenáře kódu. Toho je dosaženo množstvím komentářů v přirozeném jazyce, jež převažují nad výkonným kódem. Pro toto paradigma také naprogramoval systémy WEB a CWEB, ale princip literárního programování můžeme nalézt například i v programovacím jazyku Haskell.

Knuth zasáhl i do jiných oblastí než je programování: Například během týdenní dovolené v Oslu napsal „matematickou novelu” Surreal Numbers: How two ex-students turned on to pure mathematics and found total happiness, která pojednává o dvou bývalých studentech, kteří studují Conwayův číselný systém – tedy systém, který Knuth v té době rovněž zkoumal. Kniha nepojednává tolik o samotném číselném systému, jako spíše o způsobu jak k takovému problému při bádání přistupovat. Jde o první beletrii, ve které byly uveřejněny výsledky výzkumu dříve, než se objevily v odborném článku.

Ve volném čase se Knuth věnuje hudbě – především hraje na varhany, které si sám navrhl.

Stejně jako jeho rodiče je Donald Knuth luteránem. Systematický přístup vědce spojil s vírou v díle 3:16 Bible Texts Illuminated, ve kterém analyzuje šestnáctý verš třetí kapitoly každé biblické knihy. O víře píše i v knize Things a computer Scientist rarely talks about.

V roce 2006 porazil rakovinu prostaty.

• Sedgewick, R.: Algorithms in C. Reading, Mass: Addison-Wesley, 1990, ISBN 0-201-51425-7.
• Shasha, D.; Lazere, C.: Out of Their Minds : The Lives and Discoveries of 15 Great Computer Scientists. New York, NY: Copernicus, 1998, ISBN 978-0-387-98269-4.
• Slater, R.: Portraits in Silicon. Cambridge, Mass: MIT Press, 1987, ISBN 0-262-19262-4

• Umění programování
• Knuthův zápis
• TeX
• MIX (fiktivní počítač)
• MMIX

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Donald Ervin Knuth na Wikimedia Commons
• Osoba Donald Knuth ve Wikicitátech (anglicky)
• Osoba Donald Knuth ve Wikicitátech
• Seznam děl v Souborném katalogu ČR, jejichž autorem nebo tématem je Donald Ervin Knuth
• Domácí stránka Donalda Knutha na Stanfordově univerzitě