卜豐投針與亂數模擬法

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求解圓周率的方法有很多種,卜豐(Buffon),法國的博物學家,他曾做了一個有趣實驗,在一張白紙上畫了很多個平行直線,然後他也準備很多的細針,假設細針的數量為A,但是這些細針的長度剛好是平行直線之間的距離值的一半,然後把針隨機投下,其中針與的平行直線相交的數量為B,那麼A/B的比值會近似於3.1415926...,以數學學習而言,你會想了解卜豐投針實驗裡的圓在哪裡 ? 以亂數模擬的角度來看,他是歷史上第一個用不確定性的方式來處理確定性的問題

卜豐投針的推理如下 :
1. 將一鐵絲做成直徑為d的圓圈,平行線之間的距離也恰好為d,如此鐵絲圓圈不管怎麼亂投,必然與兩平行線有兩個交點,不是在一平行線上有兩個交點,就是剛好相切於兩平行線,因次n個鐵絲圓圈必然產生2n個焦點
2. 把鐵絲圓圈打開變成直線,如此直線的長度為πd,這個直線鐵絲與平行線的焦點個數會介於0~4之間
3. 由於長度相等,所以圓圈與直線的形狀,與平行線的交點數量都會相等
4. 當鐵絲長度為L,隨投擲次數n的增加,交點數m,會與L呈現正比例的增加,該比例註記為k,則有m=Lk
5. 當L=πd的特殊情形,有m=2n。由此可得k=2n/πd,代入上式(m=kl),有:m/n=2L//πd
6. 特別地,取L=d/2,便可得到卜豐結果,即m/n=1/π

以近代的亂數模擬而言,可以透過圓的代數公式與兩個介於0~1之間的亂數來模擬圓周率,請參考下圖

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Piemann的沙龍
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