今天突然遇到了这个问题,就总结一下: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”)。
逻辑推导的优雅证明:找一根铁丝完成一根圆圈,使其直径恰恰等于平行线间的距离d,可以想象的到,对于这样的圆圈来说,无论怎么扔下,都将和平行线有两个交点。因此,如果投下的次数为n,那么相交的次数为2n.现在设想把圆圈拉直,变成一个πd的铁丝。显然,这样扔下的时候与平行线相交的可能性比圆圈复杂些,可能有4个交点,可能有3个交点,可能有2个交点,可能有1个交点,也可能没有交点。由于圆圈和直线的长度同为πd,根据机会均等原理,当他们投掷的次数越多,且相等时,两者与平行线组交点的总期望也是一样的。这就是说,当长为πd的铁丝扔下n次时,与平行线相交的次数大致为2n. 现在讨论直线铁丝长度为I的情况,当投掷的次数n增大时,这种铁丝跟平行线相交的交点总数m应当与长度I成正比,因而有m=kI,式中k是比例系数。为了求出k来,只需注意到,I=πd的特殊情况,有m=2n.于是求得q=2n/πd. 代入前式就有:m=2In/πd. 即投下这个针后相交的概率是2I/πd.