المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر
غزوة الحديبية والهدنة بين النبي وقريش
2024-11-01
بعد الحديبية افتروا على النبي « صلى الله عليه وآله » أنه سحر
2024-11-01
المستغفرون بالاسحار
2024-11-01
المرابطة في انتظار الفرج
2024-11-01
النضوج الجنسي للماشية sexual maturity
2024-11-01
المخرجون من ديارهم في سبيل الله
2024-11-01

التجاذب الشَّعري capillary attraction
9-3-2018
نقطة التحوّل (جمع أسباب النزول في كتاب مستقلّ)
24-04-2015
التفاعل SN2 التحفيز انتقالي الطور
5-3-2017
Binary
22-11-2019
خنفساء سورسينام (الخنفساء ذات الصدر المنشاري)
8-1-2016
خلافة الحسن (عليه السلام)
25-9-2018

Buffon,s Needle Problem  
  
2278   03:28 مساءً   date: 7-3-2021
Author : Badger, L.
Book or Source : "Lazzarini,s Lucky Approximation of pi." Math. Mag. 67
Page and Part : ...

Buffon's Needle Problem

BuffonNeedle

Buffon's needle problem asks to find the probability that a needle of length l will land on a line, given a floor with equally spaced parallel lines a distance d apart. The problem was first posed by the French naturalist Buffon in 1733 (Buffon 1733, pp. 43-45), and reproduced with solution by Buffon in 1777 (Buffon 1777, pp. 100-104).

Define the size parameter x by

 x=l/d.

(1)

For a short needle (i.e., one shorter than the distance between two lines, so that x=l/d<1), the probability P(x) that the needle falls on a line is

P(x) = int_0^(2pi)(l|costheta|)/d(dtheta)/(2pi)

(2)

= (2l)/(pid)int_0^(pi/2)costhetadtheta

(3)

= (2l)/(pid)

(4)

= (2x)/pi.

(5)

For x=l/d=1, this therefore becomes

 P(x=1)=2/pi=0.636619...

(6)

(OEIS A060294).

For a long needle (i.e., one longer than the distance between two lines so that x=l/d>1), the probability that it intersects at least one line is the slightly more complicated expression

 P(x)=2/pi(x-sqrt(x^2-1)+sec^(-1)x),

(7)

where (Uspensky 1937, pp. 252 and 258; Kunkel).

BuffonsNeedleProbability

Writing

 P(x)={(2x)/pi   for x<=1; 2/pi(x-sqrt(x^2-1)+sec^(-1)x)   for x>1

(8)

then gives the plot illustrated above. The above can be derived by noting that

 P(x)=int_0^(phi/2)int_(lsinphi/2)f_sf_phidsdphi,

(9)

where

f_s = {2/d for 0<=x<=1/2d; 0 for x>1/2d

(10)

f_phi = 2/pi

(11)

are the probability functions for the distance s of the needle's midpoint s from the nearest line and the angle phi formed by the needle and the lines, intersection takes place when 0<=s<=(lsinphi)/2, and phi can be restricted to [0,pi/2] by symmetry.

Let N be the number of line crossings by n tosses of a short needle with size parameter x. Then N has a binomial distribution with parameters n and 2x/pi. A point estimator for theta=1/pi is given by

 theta^^=N/(2xn),

(12)

which is both a uniformly minimum variance unbiased estimator and a maximum likelihood estimator (Perlman and Wishura 1975) with variance

 var(theta^^)=theta/(2n)(1/x-2theta),

(13)

which, in the case x=1, gives

 var(theta^^)=(theta^2(1-2theta))/(2thetan).

(14)

The estimator pi^^=1/theta^^ for pi is known as Buffon's estimator and is an asymptotically unbiased estimator given by

 pi^^=(2xn)/N,

(15)

where x=l/dn is the number of throws, and N is the number of line crossings. It has asymptotic variance

 avar(pi^^)=(pi^2)/(2n)(pi/x-2),

(16)

which, for the case x=1, becomes

avar(pi^^) = (pi^2(1/2pi-1))/n

(17)

 approx (5.6335339)/n

(18)

(OEIS A114598; Mantel 1953; Solomon 1978, p. 7).

BuffonNeedleTosses

The above figure shows the result of 500 tosses of a needle of length parameter x=1/3, where needles crossing a line are shown in red and those missing are shown in green. 107 of the tosses cross a line, giving pi^^=3.116+/-0.073.

BuffonTosses

Several attempts have been made to experimentally determine pi by needle-tossing. pi calculated from five independent series of tosses of a (short) needle are illustrated above for one million tosses in each trial x=1/3. For a discussion of the relevant statistics and a critical analysis of one of the more accurate (and least believable) needle-tossings, see Badger (1994). Uspensky (1937, pp. 112-113) discusses experiments conducted with 2520, 3204, and 5000 trials.

The problem can be extended to a "needle" in the shape of a convex polygon with generalized diameter less than d. The probability that the boundary of the polygon will intersect one of the lines is given by

 P=p/(pid),

(19)

where p is the perimeter of the polygon (Uspensky 1937, p. 253; Solomon 1978, p. 18).

A further generalization obtained by throwing a needle on a board ruled with two sets of perpendicular lines is called the Buffon-Laplace needle problem.


REFERENCES:

Badger, L. "Lazzarini's Lucky Approximation of pi." Math. Mag. 67, 83-91, 1994.

Bogomolny, A. "Buffon's Noodle." http://www.cut-the-knot.org/Curriculum/Probability/Buffon.shtml.

Borwein, J. and Bailey, D. Mathematics by Experiment: Plausible Reasoning in the 21st Century. Wellesley, MA: A K Peters, p. 139, 2003.

Buffon, G. Editor's note concerning a lecture given 1733 by Mr. Le Clerc de Buffon to the Royal Academy of Sciences in Paris. Histoire de l'Acad. Roy. des Sci., pp. 43-45, 1733.

Buffon, G. "Essai d'arithmétique morale." Histoire naturelle, générale er particulière, Supplément 4, 46-123, 1777.

Diaconis, P. "Buffon's Needle Problem with a Long Needle." J. Appl. Prob. 13, 614-618, 1976.

Dörrie, H. "Buffon's Needle Problem." §18 in 100 Great Problems of Elementary Mathematics: Their History and Solutions. New York: Dover, pp. 73-77, 1965.

Edelman, A. and Kostlan, E. "How Many Zeros of a Random Polynomial are Real?" Bull. Amer. Math. Soc. 32, 1-37, 1995.

Hoffman, P. The Man Who Loved Only Numbers: The Story of Paul Erdős and the Search for Mathematical Truth. New York: Hyperion, p. 209, 1998.

Isaac, R. The Pleasures of Probability. New York: Springer-Verlag, 1995.

Kendall, M. G. and Moran, P. A. P. Geometrical Probability. New York: Hafner, 1963.

Klain, Daniel A. and Rota, G.-C. Introduction to Geometric Probability. New York: Cambridge University Press, 1997.

Kraitchik, M. "The Needle Problem." §6.14 in Mathematical Recreations. New York: W. W. Norton, p. 132, 1942.

Kunkel, P. "Buffon's Needle." http://whistleralley.com/buffon/buffon.htm.

Mantel, L. "An Extension of the Buffon Needle Problem." Ann. Math. Stat. 24, 674-677, 1953.

Morton, R. A. "The Expected Number and Angle of Intersections Between Random Curves in a Plane." J. Appl. Prob. 3, 559-562, 1966.

Perlman, M. and Wichura, M. "Sharpening Buffon's Needle." Amer. Stat. 20, 157-163, 1975.

Santaló, L. A. Integral Geometry and Geometric Probability. Reading, MA: Addison-Wesley, 1976.

Schuster, E. F. "Buffon's Needle Experiment." Amer. Math. Monthly 81, 26-29, 1974.

Sloane, N. J. A. Sequences A060294 and A114598 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

Solomon, H. "Buffon Needle Problem, Extensions, and Estimation of pi." Ch. 1 in Geometric Probability. Philadelphia, PA: SIAM, pp. 1-24, 1978.

Stoka, M. "Problems of Buffon Type for Convex Test Bodies." Conf. Semin. Mat. Univ. Bari, No. 268, 1-17, 1998.

Uspensky, J. V. "Buffon's Needle Problem," "Extension of Buffon's Problem," and "Second Solution of Buffon's Problem." §12.14-12.16 in Introduction to Mathematical Probability. New York: McGraw-Hill, pp. 112-115, 251-255, and 258, 1937.

Wegert, E. and Trefethen, L. N. "From the Buffon Needle Problem to the Kreiss Matrix Theorem." Amer. Math. Monthly 101, 132-139, 1994.

Wells, D. The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Numbers. Middlesex, England: Penguin Books, p. 53, 1986.

Wood, G. R. and Robertson, J. M. "Buffon Got It Straight." Stat. Prob. Lett. 37, 415-421, 1998.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.