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geogebra领悟数学系列9:有趣的蒲丰投针问题

刘护灵 geogebra与数学深度融合 2022-07-17

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一、历史故事

蒲丰,也就是我们熟知的布丰,法国数学家。他的一篇文章或许我们都读过——《松鼠》,小学课本入选过,是一篇不错的科普文。蒲丰的代表作是《自然史》,他的最大的贡献也在于博物学,而不是数学。他做过一个数学实验,很简单,大家都可以做,称为蒲丰投针实验。
18世纪,布丰提出以下问题:设我们有一个以平行且等距木纹铺成的地板(如图),现在随意抛一支长度比木纹之间距离小的针,求针和其中一条木纹相交的概率。这就是蒲丰投针问题(又译"布丰投针问题")。

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a的平行线。

2) 取一根长度为l(l<a) 的针,随机地向画有平行直线的纸上掷n次,观察针与直线相交的次数,记为m

3)计算针与直线相交的概率.

即:

在地面上画若干条平行线,距离为a,再将一把长度为l的针随机丢在地面上,设针的总数为n,与平行线相交的针数为m,则相交的概率p=m/n。
那么,这个概率有什么奇妙之处呢?
  蒲丰说,当平行线间距离a=2l时,这个概率等于1/π!
  Really?蒲丰的同学们不信,于是开始实验,作出的结果有以下。
   ……………………
  看来蒲丰实验的结果是确信无疑的了,我想,我们同学如果做个10000次的实验,也能被记录在案。
  如何证明?
  设每一次投针的落点用两个变量x,y来表示,其中x为投针与平行线的夹角,y为投针中点到最近平行线的距离。则
  当投针与平行线相交时,
通过设两个变量,我们知道,这是一个几何概型。
的确,当a=2l时,概率就是1/π!
  蒲丰实验是个奇怪的实验,它通过概率论来计算一个无理数,而且从理论上证明了真的是可行的。在计算机盛行的年代,蒙特卡洛方法成为一个非常有效的模拟手段,而蒲丰实验的意义正是设计了一个可以用模拟手段计算无理数的方法。

二、已有的蒲丰投针实验

1、利用编程(程序设计)是可以实现的;

2,利用数学专业软件如matlab也是可以实现的;

3,利用几何画板软件也是可以实现的。

例如:几何画板网上的

4,利用geogebra软件实现也不是什么难事!

三、geogebra软件实现蒲丰投针实验的方法

先看看效果:选自台湾官长寿老师的作品)

静态结果如下:

官老师的这个作品非常值得学习!
包括动态文本!
笔者模仿官老师的作法,在借鉴何道淼老师的作法基础上,自己也尝试做了一个,效果如下:

动态效果如下:

确实非常精彩!当投针次数比较多大的时候,的确近似的计算出了圆周率的值。

代数区的定义:

 

最后给大家分享两个福利:

1.布丰投针估计 pi (官老师的作品):https://www.geogebra.org/m/kttekyxz

2.笔者的课件,请关注之后回复:投针实验,

即可下载!

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