理论教育 布丰投针实验:计算圆周率的奇妙方法

布丰投针实验:计算圆周率的奇妙方法

时间:2023-07-04 理论教育 版权反馈
【摘要】:年已古稀的布丰拿出一张纸来,纸上预先画好了一条条等距离的平行线。一把小针扔完了,把它们捡起来再扔,布丰则把小针与平行线相交的次数记了下来。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。”后来有不少人按照布丰设计的方法来计算π值。值得一提的是,利用布丰公式,我们还可以设计出求等数的近似值的投针试验来!

布丰投针实验:计算圆周率的奇妙方法

把一根质量均匀的小棒向一个画了一些平行线的平面上随意地扔几千下,就能得到连一台计算能力比较强的计算机也要算上好长时间的有六个准确数字的圆周率π的近似值,你相信吗?肯定有很多人不相信。事实上,确实有这样的数学实验。

1777年的一天,法国的博物学家C.布丰伯爵的家里宾客满堂,他们是应主人的邀请来观看一次奇特的试验的。

年已古稀的布丰拿出一张纸来,纸上预先画好了一条条等距离的平行线。他又拿出一大把准备好的小针,这些小针都是平行线间距离的一半。布丰先生宣布:“请诸位把这些小针一根一根地往纸上扔吧!不过,请大家务必把针与纸上的线相交的次数告诉我。”

客人们遵照主人的意愿,加入了试验的行列。一把小针扔完了,把它们捡起来再扔,布丰则把小针与平行线相交的次数记了下来。实验进行了将近一个小时才结束。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。”停了一下,布丰先生继续说:“先生们,这就是圆周率π的近似值!”

布丰1777年出版了一本名叫«或然性的算术试验»,在这本书,他介绍了著名的“投针实验”:

在一个水平面上画上一些平行线,使它们相邻两条直线之间的距离都为a,然后,把一个长为l(l<a)的均匀小针任意抛到这一平面上去。如果针与这组平行线中的任一条直线相交,则该次扔出被认为是有利的,否则则认为是不利的。如果投针的次数为n,有利的扔出次数为m,那么当n相当大时有:(www.daowen.com)

这就是著名的布丰公式。如果小针的长度等于a,那么当n相当大时有

这样,只需实际去进行大量次数的这样的实验,并计算有利的次数,就可以通过上面的公式求出π的近似值。扔的次数越多,由此能求出越为精确的π的值。这就是利用概率求π值的方法。

后来有不少人按照布丰设计的方法来计算π值。1901年,意大利数学家拉兹瑞尼宣称进行了多次投针试验,每次投针数为3408次,平均相交数为2169.6次,代入布丰公式,求得π≈3.1415929——准确到小数后六位。但是,由于这一结果远远佳于其他的实验者所得出的结果,因此,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国立韦伯大学的L·巴杰的质疑。但多数人鉴于拉兹瑞尼一生勤勉谨慎,认为他确实是“碰上了好运气”。事实究竟如何,现已无从查考。

值得一提的是,利用布丰公式,我们还可以设计出求等数的近似值的投针试验来!爱动脑筋的读者朋友,难道你不想试一试吗?

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