Как не ошибаться. Сила математического мышления - Джордан Элленберг

В работе, представленной Бюффоном, речь шла об оригинальном совмещении двух областей математики, которые ранее считались разрозненными: геометрии и теории вероятностей. Работа была посвящена не важным вопросам механики движения планет по их орбитам или экономике великих государств, а скромной игре франк-карро. Бюффон[179] поставил вопрос так: какова вероятность того, что монета упадет так, чтобы полностью находиться в пределах одной плитки? И каким должен быть размер напольной плитки, чтобы игра была справедливой для обоих игроков?

Вот как Бюффон сделал это. Если радиус монеты равен r, а квадратная плитка имеет сторону длиной L, тогда монета касается кромки, когда ее центр попадает внутрь меньшего квадрата со стороной L − 2r:

Площадь меньшего квадрата равна (L – 2r)², тогда как площадь большего квадрата – L². Следовательно, если вы заключаете пари на приземление монеты «прямо внутри квадрата», ваш шанс выиграть равен (L – 2r)² / L². Чтобы игра была справедливой, этот шанс должен быть равен 1/2, а это означает, что

(L – 2r)² / L² = 1/2.

Бюффон решил это уравнение (вы также можете его решить, если вам это интересно) и обнаружил, что игра франк-карро может быть справедливой только в случае, если сторона плитки в 4 + 2√2 раза больше радиуса монеты – коэффициент, равный почти 7. Это было интересно с концептуальной точки зрения, поскольку сочетание вероятностных рассуждений с геометрическими фигурами было совершенно новым, но эта задача была совсем не трудной, и Бюффон знал, что не она будет пропуском в академию. Поэтому он решил двигаться дальше:

«А если подбрасывать в воздух не круглую монету вроде экю, но предмет совсем иной формы: скажем, взять квадратик старинного испанского пистоля, или иглу, или какую палочку, или что еще, – тогда задача потребует немного больше геометрии»{168}.

Это было преуменьшение: задача об игле – это задача, благодаря которой имя Бюффона помнят в математических кругах даже в наше время. Позвольте мне более подробно объяснить, что именно сделал Бюффон.

Задача Бюффона об игле. Предположим, у вас есть деревянный пол, сложенный из длинных узких планок, а также игла, длина которой в точности равна ширине планок. Бросьте эту иглу на пол. Какова вероятность того, что игла пересечет одну из щелей, разделяющих планки?

Вот почему это столь щекотливая задача. Когда вы бросаете на пол экю, не имеет значения, в какую сторону смотрит отчеканенный на ней Людовик XV. Круг выглядит одинаково во всех направлениях, а значит, вероятность того, что монета пересечет край плитки, не зависит от ее ориентации.

Игла Бюффона – совсем другая история. Игла, направленная почти параллельно планкам, вряд ли пересечет край планки.

Однако, если игла упадет поперек планок, она почти наверняка пересечет щель между ними.

Игра франк-карро в высшей степени симметрична; если говорить в специальных терминах, она инвариантна относительно поворота монеты. В задаче об игле такая симметрия нарушена, что делает задачу гораздо более трудной: необходимо отслеживать не только место, в котором окажется центр иглы после падения, но и направление, в котором падает игла.

В двух крайних случаях вероятность того, что игла пересечет край планки, равна 0 (если игла расположена параллельно планке) или 1 (если игла расположена перпендикулярно планке). Следовательно, вы могли бы разделить разность пополам и выдвинуть предположение, что игла пересекает край планки ровно в половине случаев.

Однако это ошибочный вывод: на самом деле игла пересекает край гораздо чаще, чем падает полностью в пределах одной планки. Задача Бюффона об игле имеет неожиданное и очень красивое решение: эта вероятность составляет 2 / π, или около 64 %. Почему π, если в задаче нет никакой окружности? Бюффон нашел это решение, воспользовавшись несколько замысловатым доказательством, связанным с площадью под кривой с названием циклоида. Для того чтобы вычислить эту площадь, требуется задействовать некоторые элементы математического анализа – ничего такого, с чем не справился бы второкурсник, изучающий математику, но все же в этом нет ничего познавательного.

Однако существует еще одно решение этой задачи, которое нашел Жозеф Эмиль Барбье более чем через столетие после зачисления Бюффона в Королевскую академию наук. В этом решении формального исчисления не требуется; на самом деле вообще не нужны никакие расчеты. Доказательство, хотя и немного сложное, не требует ничего, кроме арифметической и базовой геометрической интуиции. А самое важное во всем этом – аддитивность ожидаемой ценности!

Прежде всего необходимо сформулировать задачу Бюффона в терминах ожидаемой ценности. Мы можем задать такой вопрос: чему равно ожидаемое количество краев планок, которые пересечет игла? Бюффон пытался вычислить вероятность p того, что брошенная игла пересечет край планки. Таким образом, существует вероятность 1 − p, что игла не пересечет ни одного края планки. Но если все же игла пересечет планку, то только одну[180]. Таким образом, ожидаемое количество пересечений можно получить так же, как мы обычно вычисляем ожидаемую ценность: определив сумму каждого возможного количества пересечений, умноженного на вероятность наблюдения этого количества пересечений. В данном случае существует только два значения вероятности: 0 (наблюдаемое с вероятностью 1 − p) и 1 (наблюдаемое с вероятностью p), поэтому мы вычислим сумму