五、布丰的投针试验
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玩什么把戏,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 的近似值 ! "
众客哗然,一时疑议纷纷,大家全部感到莫名其妙:
“圆周率 ?这可是与圆半点也不沽边的呀!”
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。
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。由于投针试验的间题,是布丰先生最先提出的,所以数学史上就称它为布丰间题。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 1 ,投针的次数为 n ,所投的针当中与平行线相交的次数为 m ,那么当 n 相当大时有:
≈ 。
在上面故事中,针长 1 恰等于平行线间距离 d 的一半,所以代入上面公式简化得: ≈ 。
值得一提的是,后来有不少人步布丰先生的后尘,用同样的方法来计算 值。其中最为神奇的要算意大利数学家拉兹瑞尼( Lazzerini )。他在 1901 年宣称进行了多次的投针试验,每次投针数为 3408 次,平均相交数为 2169 . 6 次,代入布丰公式求得二幻 3.1415929 。这与 的精确值相比,一直到小数点后第七位才出现不同!用如此轻巧的办法,求到如此高精度的 值,这真是天工造物!倘若祖冲之再世,也会为之惊讶得膛目结舌!
不过,对于拉兹瑞尼的结果,人们一向非议甚多。究其原因,也不能说都没有道理,因为在数学中可以证明,最接 近真值的,分母较小的几个分数是:
Ⅰ. ≈ 3 . 14 (疏率);
Ⅱ. ≈3 .1415 ;
Ⅲ. ≈3 .1415929 (密率) ;
Ⅳ. ≈3 .141592653 ;
而拉兹瑞尼居然投出了密率,对于万次之内的投掷,不可能有更好的结果了。难怪有不少人提出怀疑:“有这么巧吗?”。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,现在也无从查考了!
我想,喜欢思考的读者,一定还想知道布丰先生投针试验的原理,其实这也没什么神秘,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,那么相交的交一点总数必为 2n 。
现在设想把圆圈拉直,变成一条长为 d 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 d ,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也是一样的。这就是说,当长为 d 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 1 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 = d 的特殊情形,有m= 2n。于是求得k= 。代入前式就有
M≈ 。
从而 ≈ 。
这,就是著名的布丰公式!
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呢!亲爱的读者,难道你不想试一试吗?这只需把 l / d 选得等于你那个数就行,不过这时的 要当成知道的。
看 !多么奇妙的概率!
作业:利用布丰公式设计 的近似值的投针实验