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介紹壹下布豐

布豐的投針試驗

公元1777年的壹天,法國著名的科學家D.布豐的家裏賓客如雲,原來他們是應邀前來觀看壹次奇特試驗的。

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壹張紙來,紙上預先畫好了壹條條等距離的平行線。接著他又抓出壹大把原先準備好的小針,這些小針的長度都是平行線間距離的壹半。然後布豐先生宣布;“請諸位把這些小針壹根壹根往紙上擲吧!不過,請大家壹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幹什麽,也只能客隨主便,壹個個加入了試驗的行列。壹把小針扔完了,把它撿起來又扔。而布豐先生本人則不停地在壹直數著、記著,於是這樣忙碌了將近壹個鐘頭。最終,布豐先生高聲宣布:“朋友們,我這裏記錄各位剛才的投針結果,***投針2212次,而這其中與平行線相交的***有704次。總數2212與相交數704的比值為3.142。”

說到這裏,布豐先生故意停了停,還對大家報以神秘的壹笑,接著有意提高聲調說:“先生們,這就是圓周率π的近似值!”

眾賓嘩然,壹時議論紛紛,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,這裏用的是概率的原理,若大家有耐心的話,再增加投針的次數.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。”然後布豐先生揚了楊自己於上的壹本《算術試驗》的書。

π在這種紛壇雜誌的場合出現,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,所以數學史上就稱它為布豐問題。布豐得出的壹般結果是:若紙上兩平行線間相距為d,小針長為l、投針的次數為n,所投的針當中與平行線相交的次數是m,則當n相當大時有:π≈2ln/dm

在上面故事中,針長l等於平行線距離d的壹半,入上面公式簡化得:π≈n/m

布豐先生投針試驗的原理,壹個簡單而巧妙的證明。

找壹根鐵絲彎成壹個圓圈,使其直徑恰恰等於平行線間的距離d,可以想象得到,對於這樣的圓圈來說,不管怎麽扔下,都將和平行線有兩個交點。所以,若圓圈扔下的次數為n次,那麽相交的交點總數必為2n。

現假想把圓圈拉直,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雜些,可能有4個交點,3個交點,2個交點,1個交點,甚至於都不相交。

因為圓圈和直線的長度同為πd,根據機會均等的原理,當它們投擲次數較多,並且相等時,兩者與平行線相交點的總數有望是壹樣的。也就是說,當長為d的鐵絲扔下n次時,與平行線相交的交點總數應大致為2n。

現再來討論鐵絲長為l的情形。當投擲次數n增大的時候,這種鐵絲跟平行線相交的交點總數m應與長度l成正比,所以有: m=k l 式中K是比例系數。

為求出K來,只需註意到,對於l=π的的特殊情形,有嗎=2n。於是求得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,還可以設計出求2^(1/2),3^(1/2),5^(1/2)等效的近似值的投針試驗