一个看似与\(\pi\)毫不相干的求概率问题,却无疑可以用来精确求\(\pi\)值,神不神?

平面上等间距\(a\)画一些平行线,向这些平行线投掷一枚长度为\(l \space (l \lt a)\)的针,我们来求此针与任一根平行线相交的概率。

这是用“几何概率”解题,设\(A\)事件表示事件“此针与任一平行线相交”。设\(M\)为针的中点,\(x\)\(M\)与最近的平行线的距离,\(\phi\)表示针与此线的夹角,则

\(\Omega = \{ \space (x, \phi) \space | \space \{0 \le x \le {{a} \over {2}}, \space 0 \le \phi \le \pi\} \space \}\)
\(A = \{ \space (x, \phi) \space | \space \{0 \le x \le {{l} \over {2}} sin \phi, \space (x, \phi) \in \Omega \} \space \}\)
解释一下:因为\(x\)是中点\(M\)与最邻近的平行线的距离(垂线距离),所以有\(x = {{l}\over{2}}sin \phi\),见下图:

于是
\(P(A)={{S(A)}\over{S(\Omega)}}={\int^\pi_0 { {{l}\over{2}} sin\phi d \phi} \over { {a\pi}\over{2}} }={ {2l}\over{\pi a} }\)



这是一个非常有趣的结果:
(1)如果针长\(l\)和线距已知,则以\(\pi\)的值代入,可求得\(P(A)\)的值。
(2)如果通过计数得到\(P(A)\)的值,则可以求得\(\pi\)。投掷的针的数量越大,则\(\pi\)的值越精确。


当投针次数\(n\)很大时,数得与平行线相交的针的数量\(m\),则\(P(A)={{n}\over{m}}\)
我们有:\(\pi = {{2ln}\over {am}}\)


历史上投针实验的资料如下:

实验者 年份 \(l/a\) 投针次数 相交次数 \(\pi\)的实验值
Wolf 1850 0.8 5000 2532 3.1596
Smith 1855 0.6 3204 1219 3.1554
DeMorgan C 1860 1.0 600 383 3.137
Fox 1884 0.75 1030 489 3.1595
Lazzerini 1901 0.83 3408 1808 3.1415929
Reina 1925 0.5419 2520 859 3.1795