Buffonin neula

Buffonin neula oli ensimmäinen geometrisen todennäköisyyden ongelma. Oletetaan että lattia on tehty yhdensuuntaisista ja samanlevyisistä laudoista. Mikä on todennäköisyys, että lattialle pudotettu neula leikkaa laudan reunan eli putoaa useamman kuin yhden laudan päälle?
Tämän kysymyksen esitti ensimmäisen kerran kreivi Georges Leclerc de Buffon 1700-luvulla.

Matemaattinen formulointi 

Neula, jonka pituus on l, pudotetaan tasolle, jossa on yhdensuuntaisia suoria, joiden etäisyys on t. Millä todennäköisyydellä neula leikkaa suoran?

Ratkaisu 

Olkoon x etäisyys neulan keskipisteestä lähimpään suoraan ja θ neulan ja suoran välinen kulma.
Neulan keskipisteen etäisyys lähimpään suoraan on enintään t/2 ja kaikki etäisyydet ovat yhtä todennäköisiä, joten x:n tiheysfunktio välillä 0 ja 2/t on

Vastaavasti kulman θ tiheysfunktio on

Koska x ja θ eivät ole toisistaan riippuvaisia, voidaan tiheysfunktiot yhdistää

Trigonometriaa käyttämällä näemme että neula leikkaa suoran jos

Tapaus 1: Lyhyt neula 

Oletetaan että neulan pituus l on pienempi kuin suorien etäisyys t. Kaikista mahdollisista neulan asennoista, olemme kiinnostuneet niistä joissa .
Integroimalla yhdistettyä tiheysfunktiota saamme todennäköisyydeksi P(neula leikkaa suoran)

Tapaus 2: Pitkä neula 

Oletetaan että . Nyt integroimalla yhdistettyä tiheysfunktiota saamme:

missä  on Minimi  , .

Suorittamalla integroinnin näemme, että kun . Todennäköisyys että neula leikkaa suoran on

tai

Toisen lausekkeen ensimmäinen termi kertoo todennäköisyyden, jolla neulan kulma on sellainen, että se leikkaa suoran x:stä riippumatta. Vastaavasti toinen termi kertoo todennäköisyyden, jolla neula tippuu kulmaan, jossa x:llä on väliä ja neula leikkaa suoran.

π: kokeellinen määrittäminen 
Italialainen matemaatikko Lazzarini suoritti kokeen 1901, jossa hän laittoi koneen heittämään tikkua 3408 kertaa. Hän sai tulokseksi 
Jos ratkaisemme  ja sijoitamme Lazzarinin määrittämän likiarvon P:lle, saamme : joka on oikein kuuden desimaalin tarkkuudella. 
Koe on herättänyt paljon epäilyksiä sillä Lazzarinin valitsemat 3408 ja 5/6 johtavat suoraan hyvin tunnettuun Piin likiarvoon  (  on 355:n monikerta.  )

Tulitikkukoe 

Tarvitset tulitikkuja ja alustan johon voit piirtää viivoja. Piirrä alustalle yhdensuuntaisia viivoja joiden etäisyys toisistaan on 2 kertaa tulitikun mitta. Nyt voimme laskea todennäköisyyden yhtä tikkua heitettäessa:

Josta

Nyt voimme kokeellisesti määrittää todennäköisyyden sille, että tikku leikkaa viivan heittelemällä tikkua tarpeeksi monta kertaa. Kokeellisen todennäköisyyden saamme laskettua:

 Ja arvion pi:lle käänteislukuna.

Lähteet 
 
 
 
 
 Schroeder, L. (1974). "Buffon's needle problem: An exciting application of many mathematical concepts". Mathematics Teacher, 67 (2), 183–6.

Aiheesta muualla 
 Buffon's Needle cut-the-knot
 Math Surprises: Buffon's Noodle cut-the-knot
 MSTE: Buffon's Needle
 Buffon's Needle Java Applet
 Estimating PI Visualization (Flash)
 Buffon's needle: fun and fundamentals (presentation) slideshare
 Animations for the Simulation of Buffon's Needle  Yihui Xie
 3D Physical Animation Java Applet  Jeffrey Ventrella
 

Todennäköisyyslaskennan ongelmat
Matemaattiset ongelmat