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Problema da agulha de Buffon

1777
  • Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon
Experimento de probabilidade geométrica com agulha e linhas paralelas em um piso de madeira.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

Um dos primeiros problemas em probabilidade geométrica, é considerado um precursor da Método de Monte CarloConsiste em deixar cair uma agulha de comprimento [latex]l[/latex] sobre um piso com linhas paralelas separadas por uma distância [latex]t[/latex]. A probabilidade de a agulha cruzar uma linha é [latex]P = frac{2l}{pi t}[/latex] (para [latex]l le t[/latex]). Isso fornece um experimento físico para estimar [latex]pi[/latex].

Em 1733, Georges-Louis Leclerc, Conde de Buffon, propôs a seguinte questão: qual a probabilidade de uma agulha, ao ser solta aleatoriamente sobre uma superfície quadriculada, interceptar uma das linhas? A solução, publicada em 1777, é um resultado clássico da probabilidade geométrica. Para resolvê-la, considere que a agulha tem comprimento l e as linhas paralelas estão separadas por uma distância t ≥ l. A posição da agulha pode ser descrita por duas variáveis: a distância x do centro da agulha até a linha mais próxima e o ângulo θ que a agulha forma com as linhas. A variável x tem distribuição uniforme em 0, t/2, e θ tem distribuição uniforme em 0, π/2.

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 Monte Carlo methods.

UNESCO Nomenclature: 1209
Estatísticas

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Fundamentais

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • desenvolvimento da teoria da probabilidade (Bernoulli, De Moivre)
  • invenção do cálculo integral (NewtonLeibniz)
  • early work on geometric figures and their properties (Euclid)

Aplicações

  • um exemplo antigo de probabilidade geométrica
  • Ferramenta pedagógica para cálculo integral e probabilidade.
  • fundamentos históricos para métodos de simulação estocástica

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • development of stereology for estimating 3d properties from 2d cross-sections
  • monte carlo methods for solving integral equations
  • stochastic geometry for modeling spatial patterns in biology and materials science
  • design of physical random number generators
  • educational software for demonstrating probability concepts visually
  • analysis of random fiber networks in materials science
  • estimating percolation thresholds in physical systems
  • modeling of wireless communication networks
  • algorithms for detecting linear features in noisy images
  • foundational concept for modern computational statistics
Relacionado a: Agulha de Buffon, probabilidade geométrica, Pi, Monte Carlo, geometria estocástica, cálculo integral, simulação, teoria da probabilidade, problema da agulha, estimação.

Contexto histórico

Problema da agulha de Buffon

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

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

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