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ビュフォンの針の問題

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

(画像はイメージです)

幾何確率論における最も初期の問題の一つであり、 モンテカルロ法これは、長さ[latex]l[/latex]の針を、距離[latex]t[/latex]だけ平行な線が引かれた床に落とすという実験です。針が線を横切る確率は[latex]P = frac{2l}{pi t}[/latex]([latex]l le t[/latex]の場合)です。これは[latex]pi[/latex]を推定するための物理的な実験となります。

1733年、ジョルジュ=ルイ・ルクレール・ド・ビュフォン伯爵は、線が引かれた面に針をランダムに落としたとき、その針が線と交差する確率はどれくらいか、という問題を提起した。1777年に発表されたその解は、幾何確率の古典的な結果である。これを解くには、針の長さを[latex]l[/latex]とし、平行線間の距離を[latex]t ge l[/latex]とする。針の位置は、針の中心から最も近い線までの距離[latex]x[/latex]と、針が線となす角度[latex]theta[/latex]という2つの変数で表すことができる。変数[latex]x[/latex]は[latex][0, t/2][/latex]で一様分布し、[latex]theta[/latex]は[latex][0, pi/2][/latex]で一様分布する。

針は [latex]x le frac{l}{2}sintheta[/latex] の場合に線を横切ります。問題は、[latex](x, theta)[/latex] パラメータ空間におけるこの領域の面積を求め、それをパラメータ空間全体の面積 [latex]frac{t}{2} times frac{pi}{2} = frac{pi t}{4}[/latex] で割ることです。「好ましい」領域 (交差が発生する場所) の面積は、積分 [latex]int_0^{pi/2} frac{l}{2}sintheta ,dtheta = frac{l}{2}[-costheta]_0^{pi/2} = frac{l}{2}[/latex] で与えられます。確率はこれらの面積の比で表されます。[latex]P = frac{l/2}{pi t/4} = frac{2l}{pi t}[/latex]。実験を何度も繰り返し、交差の頻度を観察することで、[latex]pi[/latex]を推定する式を変形できます。[latex]pi approx frac{2l}{tP}[/latex]。数学的問題を解決するためのこの物理シミュレーションは、現代のモンテカルロ法の直接的な知的祖先です。

UNESCO Nomenclature: 1209
統計

タイプ

抽象システム

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

  • development of probability theory (Bernoulli, De Moivre)
  • invention of integral calculus (Newton, Leibniz)
  • early work on geometric figures and their properties (Euclid)

アプリケーション

  • 幾何確率の初期の例
  • 積分計算と確率論のための教育ツール
  • 確率シミュレーション手法の歴史的基盤

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

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関連: ビュフォンの針、幾何確率、円周率、モンテカルロ法、確率幾何学、積分計算、シミュレーション、確率論、針問題、推定。

歴史的背景

ビュフォンの針の問題

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1758
1777
1799
1812
1822
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1736
1750
1763-12-23
1780
1805
1822
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(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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