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बफॉन की सुई की समस्या

1777
  • Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon
Geometric probability experiment with needle and parallel lines on a wooden floor.

(यह छवि केवल उदाहरण के लिए बनाई गई है)

ज्यामितीय प्रायिकता की सबसे प्रारंभिक समस्याओं में से एक, इसे इसका अग्रदूत माना जाता है। मोंटे कार्लो विधिइसमें [latex]l[/latex] लंबाई की एक सुई को [latex]t[/latex] दूरी पर स्थित समानांतर रेखाओं वाले फर्श पर गिराया जाता है। सुई द्वारा किसी रेखा को पार करने की प्रायिकता [latex]P = frac{2l}{pi t}[/latex] है (जहाँ [latex]l le t[/latex] है)। यह [latex]pi[/latex] का अनुमान लगाने के लिए एक भौतिक प्रयोग प्रदान करता है।

सन् 1733 में, जॉर्जेस-लुई लेक्लेर्क, कॉम्टे डी बफॉन ने यह प्रश्न पूछा: एक रेखांकित सतह पर यादृच्छिक रूप से गिराई गई सुई के किसी एक रेखा को प्रतिच्छेदित करने की प्रायिकता क्या है? 1777 में प्रकाशित इसका हल ज्यामितीय प्रायिकता का एक उत्कृष्ट उदाहरण है। इसे हल करने के लिए, मान लीजिए कि सुई की लंबाई [latex]l[/latex] है और समानांतर रेखाओं के बीच की दूरी [latex]t ≥ l[/latex] है। सुई की स्थिति को दो चरों द्वारा वर्णित किया जा सकता है: सुई के केंद्र से निकटतम रेखा तक की दूरी [latex]x[/latex], और सुई द्वारा रेखाओं के साथ बनाया गया कोण [latex]theta[/latex]। चर [latex]x[/latex] का वितरण [latex][0, t/2][/latex] में एकसमान है, और [latex]theta[/latex] का वितरण [latex][0, π/2][/latex] में एकसमान है।

The needle crosses a line if [latex]x \le \frac{l}{2}\sin\theta[/latex]. The problem is to find the area of this region in the [latex](x, \theta)[/latex] parameter space and divide it by the total area of the parameter space, which is [latex]\frac{t}{2} \times \frac{\pi}{2} = \frac{\pi t}{4}[/latex]. The area of the “favorable” region (where a crossing occurs) is given by the integral [latex]\int_0^{\pi/2} \frac{l}{2}\sin\theta \,d\theta = \frac{l}{2}[-\cos\theta]_0^{\pi/2} = \frac{l}{2}[/latex]. The probability is the ratio of these areas: [latex]P = \frac{l/2}{\pi t/4} = \frac{2l}{\pi t}[/latex]. By performing the experiment many times and observing the frequency of crossings, one can rearrange the formula to estimate [latex]\pi[/latex]: [latex]\pi \approx \frac{2l}{tP}[/latex]. This physical simulation to solve a mathematical problem is a direct intellectual ancestor of modern मोंटे कार्लो methods.

UNESCO Nomenclature: 1209
सांख्यिकी

Type

सार प्रणाली

व्यवधान

मूलभूत

उपयोग

व्यापक उपयोग

शगुन

  • प्रायिकता सिद्धांत का विकास (Bernoulli(डी मोइवर)
  • समाकलन कैलकुलस का आविष्कार (न्यूटन(लीबनिज़)
  • ज्यामितीय आकृतियों और उनके गुणों पर प्रारंभिक कार्य (यूक्लिड)

आवेदन

  • ज्यामितीय प्रायिकता का प्रारंभिक उदाहरण
  • समाकलन कैलकुलस और प्रायिकता के लिए एक शिक्षण उपकरण
  • स्टोकेस्टिक सिमुलेशन विधियों के लिए ऐतिहासिक आधार

पेटेंट:

NA

संभावित नवाचार विचार

  • 2डी क्रॉस-सेक्शन से 3डी गुणों का अनुमान लगाने के लिए स्टीरियोलॉजी का विकास
  • समाकल समीकरणों को हल करने के लिए मोंटे कार्लो विधियाँ
  • जीव विज्ञान और पदार्थ विज्ञान में स्थानिक पैटर्न के मॉडलिंग के लिए स्टोकेस्टिक ज्यामिति
  • भौतिक यादृच्छिक संख्या जनरेटरों का डिज़ाइन
  • संभाव्यता की अवधारणाओं को दृश्य रूप से प्रदर्शित करने के लिए शैक्षिक सॉफ़्टवेयर
  • पदार्थ विज्ञान में यादृच्छिक फाइबर नेटवर्क का विश्लेषण
  • भौतिक प्रणालियों में रिसने की सीमा का अनुमान लगाना
  • वायरलेस संचार नेटवर्क का मॉडलिंग
  • शोर वाली छवियों में रैखिक विशेषताओं का पता लगाने के लिए एल्गोरिदम
  • आधुनिक कम्प्यूटेशनल सांख्यिकी के लिए मूलभूत अवधारणा
संबंधित विषय: बफॉन की सुई, ज्यामितीय प्रायिकता, पाई, मोंटे कार्लो, स्टोकेस्टिक ज्यामिति, समाकलन कैलकुलस, सिमुलेशन, प्रायिकता सिद्धांत, सुई समस्या, अनुमान।

ऐतिहासिक संदर्भ

बफॉन की सुई की समस्या

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

(यदि तिथि अज्ञात है या प्रासंगिक नहीं है, उदाहरण के लिए "द्रव यांत्रिकी", तो इसके उल्लेखनीय उद्भव का एक अनुमानित आंकड़ा प्रदान किया गया है)

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