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公元1777年的一天,法國著名的科學(xué)家布豐(Comte de Buffon)的家里賓客如云,原來他們是應(yīng)邀前來觀看一次奇特試驗的。 試驗拉開了序幕,只見年已古稀的布豐先生興致勃勃地拿出一張紙來,紙上預(yù)先畫好了一條條等距離的平行線。接著他又抓出一大把原先準(zhǔn)備好的小針,這些小針的長度都是平行線間距離的一半。然后布豐先生宣布;“請諸位把這些小針一根一根往紙上擲吧!不過,請大家一定要把扔下的針是否與紙上的平行線相交告訴我 。”客人們不知布豐先生要干什么,也只能客隨主便,一個個加入了試驗的行列。一把小針扔完了,把它撿起來又扔。而布豐先生本人則不停地在一直數(shù)著、記著,于是這樣忙碌了將近一個鐘頭。最終,布豐先生高聲宣布:“朋友們,我這里記錄各位剛才的投針結(jié)果,共投針2212次,而這其中與平行線相交的共有704次。總數(shù)2212與相交數(shù)704的比值為3.142。” 說到這里,布豐先生故意停了停,還對大家報以神秘的一笑,接著有意提高聲調(diào)說:“先生們,這就是圓周率π的近似值!” 眾賓嘩然,一時議論紛紛,都感到很難理解,圓周率?這可是與圓半點也不沾邊的呀。 布豐先生似乎猜透了大家的心思,得意洋洋地解釋道:“各位,這里用的是概率的原理,若大家有耐心的話,再增加投針的次數(shù).還能夠得到”的更為精確的近似值。不過,要想弄清其間的道理,只好請大家去看敝人的新作了。”然后布豐先生揚了楊自己于上的一本《算術(shù)試驗》的書。 π在這種紛壇雜志的場合出現(xiàn),確實出乎意料,但它卻是千真萬確的事實。因為投針試驗的問題,是布豐先生最先提出的,所以數(shù)學(xué)史上就稱它為布豐問題。布豐得出的一般結(jié)果是:若紙上兩平行線間相距為d,小針長為l、投針的次數(shù)為n,所投的針當(dāng)中與平行線相交的次數(shù)是m,則當(dāng)n相當(dāng)大時有:π≈2ln/dm 在上面故事中,針長l等于平行線距離d的一半,入上面公式簡化得:π≈n/m 布豐先生投針試驗(needle problem)的原理,一個簡單而巧妙的證明。 找一根鐵絲彎成一個圓圈,使其直徑恰恰等于平行線間的距離d,可以想象得到,對于這樣的圓圈來說,不管怎么扔下,都將和平行線有兩個交點。所以,若圓圈扔下的次數(shù)為n次,那么相交的交點總數(shù)必為2n。 現(xiàn)假想把圓圈拉直,變成—條長為πd的鐵絲。很明顯,這樣的鐵絲扔下時與平行線相交的情形要比圓圈復(fù)雜些,可能有4個交點,3個交點,2個交點,1個交點,甚至于都不相交。 因為圓圈和直線的長度同為πd,根據(jù)機會均等的原理,當(dāng)它們投擲次數(shù)較多,并且相等時,兩者與平行線相交點的總數(shù)有望是一樣的。也就是說,當(dāng)長為d的鐵絲扔下n次時,與平行線相交的交點總數(shù)應(yīng)大致為2n。 現(xiàn)再來討論鐵絲長為l的情形。當(dāng)投擲次數(shù)n增大的時候,這種鐵絲跟平行線相交的交點總數(shù)m應(yīng)與長度l成正比,所以有: m=k l 式中K是比例系數(shù)。 為求出K來,只需注意到,對于l=π的的特殊情形,Kπd=2n。于是求得K=2n/πd。代入前式就有 m≈2ln/dπ,π≈2ln/dm 這就是是著名的布豐公式。 利用布豐公式,還可以設(shè)計出求2^(1/2),3^(1/2),5^(1/2)等效的近似值的投針試驗。
現(xiàn)在簡化一下,布豐投針問題就是:有一塊用平行等距木紋鋪成的地板,現(xiàn)在隨意拋一支長度比木紋之間距離小的針,求針和其中一條木紋相交的概率。
設(shè)針的長度是 ,平行線之間的距離為t,x為針的中心和最近的平行線的距離,θ為針和線之間的銳角。
x∈[0,t/2]的機率密度函數(shù)為 ,θ∈[0,π/2] 的機率密度函數(shù)為 。
x,θ兩個隨機變量互相獨立,因此兩者結(jié)合的機率密度函數(shù)只是兩者的積: 。
當(dāng) 時,針和線相交。
求上式的積分,得針與線相交的機率:
拋n支針,其中有h支針與線相交的機率是:
由此可求得π:
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