布丰投针实验的故事

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布丰投针实验概率 |
分类: 数学珍闻 |
在张远南先生的著作《偶然中的必然》里,有关于“布丰投针实验”的故事。为了增加阅读的趣味性,我稍微做了一点改动。
1777年的一天,法国科学家布丰的家里宾客满堂,原来他们是应主人的邀请前来观看一次奇特试验的。
布丰先生似乎猜透了大家的心思,得意洋洋地解释道:“诸位,这里用的是概率的原理,如果大家有耐心的话,再增加投针的次数,还能得到π的更精确的近似值呢。”
那么,“布丰投针实验”的依据究竟是什么呢?下面就是书中简单而巧妙的证明。为了便于理解,我把证明过程说得稍微详细一点。
假设那组平行线的间距等于d。如果把一个直径为d的铁丝圆圈,扔到平行线组上,因为它的周长等于πd,所以,不论怎样扔,每个圆圈都会与平行线有两个交点。因此,如果扔下的次数为n,交点的总数为m,必定有m=2n。
还用那组平行线,不过这回把圆圈剪开拉直,变成长度为πd的直铁丝。显然,直铁丝与平行线相交的情形要比圆圈复杂,最多可能有4个交点,也可能有3个、2个、1个交点,也可能不相交,没有交点。不过,由于圆圈和直铁丝的长度相同,根据概率学的“机会均等原理”,当圆圈和直铁丝投掷的次数较多并且相等时,它们与平行线组的交点总数可望也是一样的。这就是说,如果直铁丝扔下的次数为n,与平行线组的交点总数m也应该大致为2n。
这里改用约等号,是因为“机会均等原理”毕竟只是一种或然推断而已。在上面的故事中,布丰有意让针长b恰好等于平行线间距离d的一半,即d=2b。