某天早上,在去上班的地铁上,突然莫名地想起有个“投针实验”,于是就心血来潮想写个小程序试验一下。
关于具体描述,可以去搜索“布丰投针实验”。简单来说,就是:
假设在地面上画满平行且等距的线,然后随意抛一根长度比平行线间距小的针,则针和任意一条线相交的概率为
2l/(πa)。
(间距为a,针长为l,l<a)
证明过程这里就不说了。既然结果是一个与π相关的值,那么就可以反过来,用真实实验的结果来估算圆周率。如果你家里铺了地板,可以拿针随意往地上抛,抛个1000次,记录下压在地板缝上的次数n。然后量一下地板宽度a,针长l,计算
2l/(an/1000),
就可以粗略得到π的近似值。
显然你不想干这么无聊的事情。所以就拿程序来模拟一下这个过程好了。那么现在问题来了,要如何写这段代码?继续往下看之前,有兴趣的读者可以先自行思考一下。
我的想法是,假定平行线间距为1,然后每次虚拟的“抛针”过程,都随机产生一个位置pos和一个角度angle,假设pos是针尖的位置(沿平行线垂直方向的坐标),angle是针相对于平行线方向的夹角,对于长度为l的针,针尾的位置就是
pos+sin(angle)*l
如果针尖和针尾的位置整数部分不相同,就可以认为它压在某条线上。例如,13.4和13.9是没压到,25.8和26.1就是压到了。这也是我为什么假定间距为1的原因。
剩下的事情就好办了,就是让程序自己一边儿扔去吧。
代码如下:
import random, math
global l;
l = 0.6
def throw():
pos = random.random() * 100000
angle = random.random() * 100000
h = math.sin(angle) * l
if int(pos + h) != int(pos):
return True
return False
total = 0
hit = 0
while total < 1000000:
total += 1
if throw():
hit += 1
p = 1.0 * hit / total
print total, hit, p, 2 * l / p
其中某次运行的结果:
1000000 381956 0.381956 3.14172313041
因为只是实验概率的估算,所以得到的π值不会很精确。通常,当你要在程序中使用精确的圆周率时,只需要用math.pi就可以了。