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Buffons Nadelproblem

1777
  • Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon
Geometrisches Wahrscheinlichkeitsexperiment mit Nadel und parallelen Linien auf einem Holzboden.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Es ist eines der frühesten Probleme der geometrischen Wahrscheinlichkeit und gilt als Vorläufer der Monte-Carlo-MethodeDabei wird eine Nadel der Länge l auf einen Boden mit parallelen Linien im Abstand t fallen gelassen. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Nadel eine Linie kreuzt, beträgt P = 2l/πt (für l ≤ t). Dies ist ein physikalisches Experiment zur Abschätzung von π.

1733 stellte Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon, die Frage: Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Nadel, die zufällig auf eine Regelfläche fallen gelassen wird, eine der Geraden schneidet? Die 1777 veröffentlichte Lösung gilt als Klassiker der geometrischen Wahrscheinlichkeitsrechnung. Zur Lösung sei die Nadel von der Länge l und die parallelen Geraden im Abstand t ≥ l angeordnet. Die Position der Nadel lässt sich durch zwei Variablen beschreiben: den Abstand x vom Nadelmittelpunkt zur nächstgelegenen Geraden und den Winkel θ, den die Nadel mit den Geraden bildet. Die Variable x ist gleichverteilt im Intervall [0, t/2], und θ ist gleichverteilt im Intervall [0, π/2].

Die Nadel schneidet eine Gerade, wenn [latex]x le frac{l}{2}sintheta[/latex]. Die Aufgabe besteht darin, die Fläche dieses Bereichs im [latex](x, theta)[/latex]-Parameterraum zu bestimmen und sie durch die Gesamtfläche des Parameterraums zu teilen, die [latex]frac{t}{2} times frac{pi}{2} = frac{pi t}{4}[/latex] beträgt. Die Fläche des günstigen Bereichs (in dem ein Schnittpunkt auftritt) ist gegeben durch das Integral [latex]int_0^{pi/2} frac{l}{2}sintheta ,dtheta = frac{l}{2}[-costheta]_0^{pi/2} = frac{l}{2}[/latex]. Die Wahrscheinlichkeit ist das Verhältnis dieser Flächen: [latex]P = frac{l/2}{pi t/4} = frac{2l}{pi t}[/latex]. Durch wiederholtes Durchführen des Experiments und Beobachten der Überschreitungshäufigkeit lässt sich die Formel umstellen, um [latex]pi[/latex] zu schätzen: [latex]pi approx frac{2l}{tP}[/latex]. Diese physikalische Simulation zur Lösung eines mathematischen Problems ist ein direkter Vorläufer moderner Monte-Carlo-Methoden.

UNESCO Nomenclature: 1209
- Statistik

Typ

Abstraktes System

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Entwicklung der Wahrscheinlichkeitstheorie (Bernoulli, De Moivre)
  • Erfindung der Integralrechnung (Newton, Leibniz)
  • frühe Arbeiten über geometrische Figuren und ihre Eigenschaften (Euklid)

Anwendungen

  • frühes Beispiel der geometrischen Wahrscheinlichkeit
  • pädagogisches Werkzeug für Integralrechnung und Wahrscheinlichkeitsrechnung
  • Historische Grundlagen stochastischer Simulationsmethoden

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

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Verwandt mit: Buffons Nadel, geometrische Wahrscheinlichkeit, Pi, Monte Carlo, stochastische Geometrie, Integralrechnung, Simulation, Wahrscheinlichkeitstheorie, Nadelproblem, Schätzung.

Historischer Kontext

Buffons Nadelproblem

1650
1747
1758
1777
1799
1812
1822
1650
1736
1750
1763-12-23
1780
1805
1822
1822

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

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