布豐投針問題
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18世紀,布豐提出以下問題:設我們有一個以平行且等距木紋舖成的地板(如右圖),現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。這就是布豐投針問題。
使用積分幾何能找到此題的解,並得出一個求π的蒙特·卡羅方法。
[编辑] 解法
設針的長度是,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。
的機率密度函數為
。
的機率密度函數為
。
x,θ兩個隨機變數互相獨立,因此兩者結合的機率密度函數只是兩者的積:
。
當,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:
[编辑] Lazzarini的估計
1901年意大利數學家Mario Lazzarini嘗試進行此實驗。他拋了3408次針,得到π的近似值為355/113,這個結果很震撼,可惜有騙人的成分。
Lazzarini選取了一支長度是紋的距離的5/6的針。在這個情況,針和紋相交的機會是5/(3π)。如果想拋n次針而得到x次相交,π約等於。分母、分子少於五位數字,沒有比355/113更好的π的近似值了。因此,可以列式
,得x = 113n / 213。
為求x的值接近這個數,可以重覆拋213次針,若有113次是成功的,便可終止實驗,宣布這個方法求π值準確度不低;否則,就再拋213次針,希望共有226次成功……這次反覆進行實驗。Lazzarini做了次。