蒲丰投针算π,神奇概率背后的数学原理

我没看错吧,往纸上随意扔针,竟然可以算出圆周率?

不可思议的蒲丰投针,往纸上随意扔针竟能算出“π”!什么原理?

是不是太过于异想天开了,事是这么个事——

1777年,法国博物学家蒲丰闲来无事,便在白纸上画了很多平行线,然后把好友邀请过来,让他们不断地往纸上投针。

一番操作后,纸上多了2212根针,而与平行线相交的针数是704,把二者相除,结果得到的数值居然和π十分接近!

这就是有名的蒲丰投针实验,我们不妨先来模拟一下,第一回,把投针次数设为一千,可以看到 实验数值会在3左右徘徊;

下面,把次数增加到五千左右试试,更接近了;

而等到投一万次时,实验数值已经在逐渐靠近3.14。

可投针只是一个普通的不能再普通的随机事件,结果为什么会和π相关呢?

我们再次回顾下这个过程,你会发现,这些平行线的间距都是相等的,并且小针的长度刚好是平行线间距的一半。

而决定针是否能与平行线相交的变量有两个——

针的中心点到最近的垂直线的距离y和以及针与平行线的夹角α


如图所示,当针的中心点刚好落在平行线上时,y最小,若是中心点在两条平行线的中间,y最大,在此过程中,针与平行线的夹角α的范围是0-180°

而要使针与平行线相交,那么中心点到平行线的距离y必须小于或等于1/4dsinα

知道了这些,把它放到坐标系中看看,这是它的分布范围,也是针与平行线相交的所有可能。

根据牛顿-莱布尼茨公式,这个值等于1/2d,而整个矩形的面积是1/2dπ,二者相除刚好为π!

下面,我们看个更直观的例子,如果把所有投针的轨迹想象成是由L段单位长度的线段组成。

不难看出,L越大,交点个数n就会越多,即 n与L成正比

n=xL

那该怎么求这个x呢?

走个极端,把它弯成长度为π的圆——

这时,周长取值就相当于圆中所有的投针数

而把圆形针扔到纸上后,结果,无论是哪种情况,圆形针总会与平行线相交于两点,即:相交概率为2/π

所以,当针的长度是L,那么平均交点个数便是2L/π,而要是针的长度只有单位长度的一半时,平均交点个数自然就是1/π了~