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。
投针步骤
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 3)计算针与直线相交的概率. 18世纪,法国数学家布丰和勒可莱尔提出的“投针问题”,记载于布丰1777年出版的著作中:“在平面上画有一组间距为d的平行线,将一根长度为l(l p=2l/(πd) π为圆周率 利用这个公式可以用概率的方法得到圆周率的近似值。下面是一些资料 实验者年代投掷次数相交次数圆周率估计值 沃尔夫1850 5000 2531 3.1596 史密斯1855 3204 1219 3.1554 德摩根1680 600 383 3.137 福克斯1884 1030 489 3.1595 拉泽里尼1901 3408 1808 3.1415929 赖纳1925 2520 859 3.1795 布丰投针实验是第一个用几何形式表达概率问题的例子,他首次使用随机实验处理确定性数学问题,为概率论的发展起到一定的推动作用。 像投针实验一样,用通过概率实验所求的概率来估计我们感兴趣的一个量,这样的方法称为蒙特卡罗方法(Monte Carlo method)。蒙特卡罗方法是在第二次世界大战期间随着计算机的诞生而兴起和发展起来的。这种方法在应用物理、原子能、固体物理、化学、生态学、社会学以及经济行为等领域中得到广泛利用。 法国数学家布丰(1707-1788)最早设计了投针试验。并于1777年给出了针与平行线相交的概率的计算公式P=2L/πd(其中L是针的长度,d是平行线间的距离,π是圆周率)。 由于它与π有关,于是人们想到利用投针试验来估计圆周率的值。 此外,随便说出3个正数,以这3个正数为边长可以围成一个钝角三角形的概率P也与π有关,这个概率为(π-2)/4,证明如下: 设这三个正数为x,y,z,不妨设x≤y≤z,对于每一个确定的z,则必须满足x+y>z,x²+y²﹤z²,容易证明这两个式子即为以这3个正数为边长可以围成一个钝角三角形的充要条件,用线性规划可知满足题设的可行域为直线x+y=z与圆x²+y²=z²围成的弓形,总的可行域为一个边长为z的正方形,则可 以围成一个钝角三角形的概率P=S弓形/S正方形=(πz²/4-z²/2)/z²=(π-2)/4.因为对于每一个z,这个概率都为(π-2)/4,因此对于任意的正数x,y,z,有P=(π-2)/4,命题得证。 为了估算π的值,我们需要通过实验来估计它的概率,这一过程可交由计算机编程来实现,事实上x+y>z,x²+y²﹤z²等价于(x+y-z)(x²+y²-z²)﹤0,因此只需检验这一个式子是否成立即可。若进行了m次随机试验,有n次满足该式,当m足够大时,n/m趋近于(π-2)/4,令n/m=(π-2)/4,解得π=4n/m+2,即可估计出π值。 值得注意的是这里采用的方法:设计一个适当的试验,它的概率与我们感兴趣的一个量(如π)有关,然后利用试验结果来估计这个量,随着计算机等现代技术的发展,这一方法已经发展为具有广泛应用性的蒙特卡罗方法。 投针试验——计算π的最为稀奇的方法之一 计算π的最为稀奇的方法之一,要数18世纪法国的博物学家C·布丰和他的投针实验:在一个平面上,用尺画一组相距为d的平行线;一根长度小于d的针,扔到画了线的平面上;如果针与线相交,则该次扔出被认为是有利的,否则则是不利的.布丰惊奇地发现:有利的扔出与不利的扔出两者次数的比,是一个包含π的表示式.如果针的长度等于d,那么有利扔出的概率为2/π.扔的次数越多,由此能求出越为精确的π的值. 公元1901年,意大利数学家拉兹瑞尼作了3408次投针,给出π的值为3.1415929——准确到小数后6位.不过,不管拉兹瑞尼是否实际上投过针,他的实验还是受到了美国犹他州奥格登的国立韦伯大学的L·巴杰的质疑.通过几何、微积分、概率等广泛的范围和渠道发现π,这是着实令人惊讶的! 编辑本段证明 下面就是一个简单而巧妙的证明。找一根铁丝弯成一个圆圈,使其直径恰恰等于平行线间的距离d。可以想象得到,对于这样的圆圈来说,不管怎么扔下,都将和平行线有两个交点。因此,如果圆圈扔下的次数为n次,那么相交的交点总数必为2n。现在设想把圆圈拉直,变成一条长为πd的铁丝。显然,这样的铁丝扔下时与平行线相交的情形要比圆圈复杂些,可能有4个交点,3个交点,2个交点,1个交点,甚至于都不相交。由于圆圈和直线的长度同为πd,根据机会均等的原理,当它们投掷次数较多,且相等时,两者与平行线组交点的总数期望也是一样的。这就是说,当长为πd的铁丝扔下n次时,与平行线相交的交点总数应大致为2n。现在转而讨论铁丝长为l的情形。当投掷次数n增大的时候,这种铁丝跟平行线相交的交点总数m应当与长度l成正比,因而有:m=kl,式中k是比例系数。为了求出k来,只需注意到,对于l=πd的特殊情形,有m=2n。于是求得k=(2n)/(πd)。代入前式就有:m≈(2ln)/(πd)从而π≈(2ln)/(dm) 系统建模与仿真题目:Buffon实验的仿真 院系: 电子工程学院 专业:信息对抗技术 班级:021231 姓名:余颖智 学号:02123021 指导老师:刘洋 完成时间:2015年4月 西安电子科技大学 基于MATLAB的投针实验仿真 摘要 在求证圆周率的过程中经过割圆术后,出现的投针试验以求出圆周率,目前利用MATLAB数学建模的仿真实验,运用到计算机中,简化其随机实验的操作量大,运算慢等特点。不同针距相同实验量运算后得出不同的π,其针距与线间距离相等,所得值接近于π。 目录 摘要 (2) 二、实验内容 (4) 三、建模流程图 (5) 四、程序主要代码 (6) 五、运行结果 (6) 六、结论 (7) 一、实验原理 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,即著名的布丰投针问题。该投针实验主要有如下三个步骤:(一)取一张白纸,在上面画许多条间距为a的平行线;(二)取一根长度为l(l 三、建模流程图 四、程序主要代码 str(handles.edit1,'string'); %取得变量,定义变量,变量初始化 n = str2double(str); str = get(handles.edit2,'string'); l = str2double(str); str = get(handles.edit3,'string'); a = str2double(str); counter = 0; %变量初始化 phi = 0; frequency = 0; Pi = 0; x = unifrnd(0,a/2,1,n);%产生n个(0,a/2)之间均匀分布的随机数,这里a/2是投针的中点到最近的平行线的距离 phi = unifrnd(0,pi,1,n);% 产生n个(0,pi)之间均匀分布的随机数,这里pi是投针与最近平行线的角度 for i=1:n if x(i) 系统建模与仿真 基于MATLAB的布丰实验模拟 姓名:石星宇 学号: 02123010 指导教师:刘洋 2015年4月9日 目录 基于MATLAB的布丰实验模拟 .................................................................... - 1 - 一、实验原理......................................................................................... - 1 - 二、编程模拟......................................................................................... - 1 - 1、程序流程图............................................................................... - 1 - 2、程序代码................................................................................... - 2 - 三、实验结果......................................................................................... - 2 - 基于MATLAB 的布丰实验模拟 一、实验原理 找一根铁丝弯成一个圆圈,使其直径恰恰等于平行线间的距离a 。可以想象得到,对于这样的圆圈来说,不管怎么扔下,都将和平行线有两个交点。因此,如果圆圈扔下的次数为n 次,那么相交的交点总数必为n 2。现在设想把圆圈拉直,变成一条长为a π的铁丝。显然,这样的铁丝扔下时与平行线相交的情形要比圆圈复杂些,可能有4个交点,3个交点,2个交点,1个交点,甚至于都不相交。由于圆圈和直线的长度同为a π,根据机会均等的原理(即等概率事件),当它们投掷次数较多,且相等时,两者与平行线组交点的总数期望也是一样的。这就是说,当长为a π的铁丝扔下n 次时,与平行线相交的交点总数应大致为n 2。现在转而讨论铁丝长为l 的情形。当投掷次数n 增大的时候,这种铁丝跟平行线相交的交点总数k 应当与长度l 成正比,因而有:l k λ=,式中λ是比例系数。为了求出λ来,只需注意到,对于a l π=的特殊情形,有n k 2=。于是求得a n πλ2=。代入前式就有:a m πln 2≈从而ak nl 2≈π。 二、编程模拟 1、程序流程图 参数初始化 产生位置随机数; 产生角度随机数 判断相交 1+=k k 1+=n n 是 否 判断结束 概率论与数理统计实验 蒲丰投针与蒙特卡罗法 班级应数12级01班 学号2012444086 姓名张旭东 蒲丰投针与蒙特卡罗法 张旭东2012444086 (重庆科技学院数学与应用数学,重庆沙坪坝) 【摘要】通过设计一个投针实验使这个事件的概率和未知量π有关,然后通过重复实验,以频率估计概率,即可求得未知参数π的近似解。这种方法称为随机模拟法,也称为蒙特卡罗法。一般来说,实验次数越多所得的近似值就越接近真值。可以利用MATLAB来大量重复地模拟所设计的随机实验。 【关键词】随机模拟;投针实验;重复实验 1 引言 蒲丰投针问题是由法国科学家蒲丰(Buffon)在1777年提出的,它是概率中非常有代表性的问题,它是第一个用几何形式表达概率问题的例子,其结论具有很强的理论与实际意义。蒲丰针问题的解决不仅较典型的反应了集合概率的特征及处理方法,而且还可以由此领略到从“概率土壤”上开出的一朵瑰丽的鲜花——蒙特卡洛(Monte-Carlo)方法。 蒙特卡罗(Monte Carlo)方法,也称计算机模拟方法,是一种基于“随机数”的计算方法,大数定律为近年来发展迅速的随机计算机和随机模拟方法提供了理论基础。 MATLAB是一个适合多学科,具有多种工作平台的功能强大的大型软件。MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的进本教学工具,Matlab随机数发生器的种类丰富且用法简便。 本文介绍了利用随机模拟方法和大数定律的相关理论解决蒲丰投针问题计算π的近似值。 2 有关数学实验的有关基础 定理(贝努力大数定律) 设n μ是n 重贝努力实验中事件A 出现的次数,P 是事件A 每次实验中出现的概率,即P(A)=p,则对任意的 ε>0,有 3 实验 蒲丰投针问题 在平面上画有等距离的一些平行线,平行线间的距离为a(a>0),向平面上随机投一长为l(l 公元1777年的一天,法国科学家D·布丰(D·buffon,1707~1788)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. 试验开始,但见年已古稀的布丰先生兴致勃勃地拿出一张纸来,纸上预先画好了一条条等距离的平行线.接着他又抓出一大把原先准备好的小针,这些小针的长度都是平行线间距离的一半.然后布丰先生宣布:“请诸位把这些小针一根一根往纸上扔吧!不过,请大家务必把扔下的针是否与纸上的平行线相交告诉我.” 客人们不知布丰先生要干什么,只好客随主意,一个个加入了试验的行列.一把小针扔完了,把它捡起来又扔.而布丰先生本人则不停地在一旁数着、记着,如此这般地忙碌了将近一个钟头.最后,布丰先生高声宣布:“先生们,我这里记录了诸位刚才的投针结果,共投针2212次,其中与平行线相交的有704次.总数2212与相交数704的比值为3.142.”说到这里,布丰先生故意停了停,并对大家报以神秘的一笑,接着有意提高声调说:“先生们,这就是圆周率π的近似值!” 众宾哗然,一时议论纷纷,个个感到莫名其妙;“圆周率π?这可是与圆半点也不沾边的呀!” 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.不过,要想弄清其间的道理,只好请大家去看敝人的新作了.”随着布丰先生扬了扬自己手上的一本《或然算术试验》的书. π在这种纷纭杂乱的场合出现,实在是出乎人们的意料,然而它却是千真万确的事实.由于投针试验的问题,是布丰先生最先提出的,所以数学史上就称它为布丰问题.布丰得出的一般结果是:如果纸上两平行线间相距为d,小针长为l,投针的次数为n,所投的 针当中与平行线相交的次数是m,那么当n相当大时有:π≈2ln dm .在上面故事中,针长l 等于平行线距离d的一半,可以代入上面公式简化.我想,喜欢思考的读者一定想知道布丰先生投针试验的原理,下面就是一个简单而巧妙的证明. 找一根铁丝弯成一个圆圈,使其直径恰恰等于平行线间的距离d.可以想象得到,对于这样的圆圈来说,不管怎么扔下,都将和平行线有两个交点.因此,如果圆圈扔下的次数为n次,那么相交的交点总数必为2n. 现在设想把圆圈拉直,变成一条长为πd的铁丝.显然,这样的铁丝扔下时与平行线相交的情形要比圆圈复杂些,可能有4个交点,3个交点,2个交点,1个交点,甚至于都不相交. 由于圆圈和直线的长度同为πd,根据机会均等的原理,当它们投掷次数较多且相等时,两者与平行线组交点的总数可望是一样的.这就是说,当长为πd的铁丝扔下n次时,与平基于MATLAB的布丰投针实验仿真
布丰投针实验模拟
蒲丰投针实验模拟
苏科版-数学-九年级上册-知识拓展 布丰的投针试验
Buffon投针实验的理论证明