蒙特卡洛思想之布丰投针实验

投针实验可以用来计算圆周率,这里面的数学证明方法可能大家没有深究过。
 

投针问题的由来

 
1777年法国科学家布丰提出的一种计算圆周率的方法——随机投针法,即著名的蒲丰投针问题。 
这一方法的步骤是: 
  1) 取一张白纸,在上面画上许多条间距为d的平行线。 
  2) 取一根长度为l(l<d) 的针,随机地向画有平行直线的纸上掷n次,观察针与直线相交的次数,记为m 
  3)计算针与直线相交的概率. 
布丰本人证明了,这个概率是:

p=2*l/(π*d)
π为圆周率。
 

投针实验的数学证明

 
投针这个动作是由两个事件构成的。

事件1:针投下后与平行线构成一定的夹角。

我们来分析一下针投下后与平行线之间的成某一特定夹角时的概率。


设针投下后与平行线之间的夹角为θ,则θ在0与π之间。针与平行线之间的夹角在θ到θ+Δθ之间的概率为p1=Δθ/π,当Δθ趋近于0时,p1可看作针投下后与平行线之间成某一特定夹角为θ的概率。

事件2:针投下后会在平行线垂直的方向形成一个投影,针与平行线相交等于它的垂直投影与平行线相交。这个投影的长度l’在0到l之间。

此时针在水平方向的投影为l’=l*sinθ。再分析l’与平行线相交的概率。等于我们将问题转化成长度为l’的针,并且只允许它处在与平行线垂直的方向上,这时它与平行线相交的概率显然为:

p2=l’/d=l*sinθ/d


因为每一次投掷都是由上述两个事件组成的,因而对于针与平行线之间的夹角在θ到θ+Δθ之间时,针与平行线相交的概率为这两个事件概率的乘积,即:

p(θ)=p1*p2

因为针与平行线之间构成的夹角在0-π之间每个角度的机会都是均等的,因此针与平行线相交的概率相当于针落在每个θ附近范围Δθ内,当Δθ趋近于0时与平行线相交的所有概率之和。这个概率可用下列定积分表示,并可求出这个定积分的值为:


可以用计算机模拟这个蒙特卡洛仿真,从而得到π。

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