布豐投針：為什么彎曲的針反而能算出圓周率

　　把一根長度為L的針隨機扔向間距為W的木地板，這根針平均會穿過2L/πW條地板縫。這就是經(jīng)典的布豐投針問題。公式里那個π暗示著圓的存在，但針明明是直的，圓藏在哪里？答案出人意料：把針掰彎，變成一根"面條"，圓自然就浮現(xiàn)了。

　　傳統(tǒng)的解法需要計算雙重積分，雖然嚴謹，卻把幾何直覺埋在了符號運算里。我們換條路走：從直針到彎針，再到圓，全程只用基本的幾何推理和期望的線性性質(zhì)。

　　先固定一些記號。在平面上畫一組間距為W>0的平行線，隨機扔一根長度為L>0的線段。設(shè)X?為這根線段穿過的平行線條數(shù)，我們要找的是期望E[X?]=:f(L)關(guān)于L的表達式。

　　現(xiàn)在扔兩根針，長度分別為L?和L?，穿過的線條數(shù)記為X?和X?。根據(jù)期望的線性性：

　　E[X?+X?] = E[X?] + E[X?] = f(L?) + f(L?)

　　關(guān)鍵點在于：期望的線性性不需要獨立性。我們可以把兩根針首尾焊在一起，等式依然成立。這意味著f(L?+L?)=f(L?)+f(L?)對所有長度都成立。結(jié)合f非負、遞增且f(0)=0，直接推出f(L)=cL，其中c≥0是待定常數(shù)。

　　接下來把針"掰彎"?？紤]一條由N段組成的多折線，每段長L/N。設(shè)第i段穿過X?條線，則：

　　E[X?+?+X?] = N·f(L/N) = cL

　　多折線的期望穿線數(shù)只與總長度成正比，與形狀無關(guān)。取極限讓N→∞，任意光滑曲線都滿足這個規(guī)律——這就是布豐的面條：扔一根任意彎曲的曲線，平均穿線數(shù)只取決于它的長度。

　　最后確定常數(shù)c。取一個半徑為W/2的圓，其周長L=πW。這個圓幾乎必然恰好穿過兩條平行線（與兩條線相切的概率為零），因此：

　　E[半徑W/2的圓的穿線數(shù)] = 2

　　代入cL=2，立得c=2/(πW)。證畢。

　　這個證明的精妙之處在于：線性期望讓我們可以把任意曲線拆解重組，而圓作為"最彎曲"的曲線，恰好提供了計算常數(shù)所需的干凈數(shù)據(jù)。布豐在1777年發(fā)現(xiàn)這個結(jié)論時，大概也沒想到一根針的彎曲竟能揭示π的幾何本質(zhì)。