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Text File  |  2022-08-26  |  7KB  |  411 lines

  1.  
  2.          Math Reflections
  3.  
  4.  
  5.   One of the fascinating facets of
  6.  
  7. mathematics is the huge number of
  8.  
  9. everyday occurrences that provide
  10.  
  11. proof for the fundamentals underlying
  12.  
  13. the structure of mathematics.
  14.  
  15.   In this instance, we're going to use
  16.  
  17. the random falling of hail stones to
  18.  
  19. derive an approximation of the value
  20.  
  21. of pi.
  22.  
  23.   First, let's get a grasp of the lay
  24.  
  25. of the land. Good old Sven Svensen has
  26.  
  27. planted a huge square plot with wheat.
  28.  
  29. The area of Sven's acreage is
  30.  
  31. 4,000,000 square meters, which happens
  32.  
  33. to be 4 square kilometers.
  34.  
  35.   Now let's imagine a circle inscribed
  36.  
  37. within this square. There's no good
  38.  
  39. reason for Sven to imagine such a
  40.  
  41. circle, but we need the circle for
  42.  
  43. plot (no pun intended) development.
  44.  
  45.   Let's stretch our imagination even
  46.  
  47. further and divide Sven's field into
  48.  
  49. quadrants, each having an area of
  50.  
  51. 1 square kilometer.
  52.  
  53.   We can now use the definitions of
  54.  
  55. Euclidean geometry to derive some
  56.  
  57. useful information about our imaginary
  58.  
  59. subdivisions.
  60.  
  61.   We can determine that the length of
  62.  
  63. a side of our imaginary quadrant is
  64.  
  65. 1 kilometer. (Length of a side of a
  66.  
  67. square is equal to the square root of
  68.  
  69. the area of the square. The area is
  70.  
  71. 1 sq. km, so the side is 1 km.)
  72.  
  73.   We also know by definition that the
  74.  
  75. radius of an inscribed circle is equal
  76.  
  77. to the length of a side of a quadrant
  78.  
  79. of the square circumscribing the
  80.  
  81. circle. Isn't this fun?
  82.  
  83.   So far we haven't found out anything
  84.  
  85. about pi and, since we know that wheat
  86.  
  87. has very little to do with pie, we
  88.  
  89. seem to be out in left field instead
  90.  
  91. of firmly rooted in Sven's wheat
  92.  
  93. field. In fact, Sven's field is about
  94.  
  95. to be devastated by a hail storm.
  96.  
  97.   But every cloud has a silver lining
  98.  
  99. and the silver lining here is that we
  100.  
  101. can use Sven's misfortune to confirm
  102.  
  103. mathematicians' approximations of the
  104.  
  105. value of pi.
  106.  
  107.   How? Obviously not by the very
  108.  
  109. empirical approach of counting the
  110.  
  111. hail stones. For one thing, that could
  112.  
  113. be painful. For another, some of the
  114.  
  115. hail stones would melt before we got
  116.  
  117. them tabulated (remember, Sven has a
  118.  
  119. big field here).
  120.  
  121.   Instead, we'll use probability
  122.  
  123. theorems to construct a method by
  124.  
  125. which we can determine certain useful
  126.  
  127. information.
  128.  
  129.   Instead of focussing on Sven's
  130.  
  131. entire field, let's direct our
  132.  
  133. attention at one quadrant and its
  134.  
  135. quarter of a circle.
  136.  
  137.   Presumably, hail does not fall at
  138.  
  139. the direction of some Greater
  140.  
  141. Intelligence, so we can assume that it
  142.  
  143. is relatively uniform in its
  144.  
  145. distribution over the land on which it
  146.  
  147. falls.
  148.  
  149.   We can understand that every hail
  150.  
  151. stone that lands in the quarter circle
  152.  
  153. also lands in the key quadrant. But
  154.  
  155. the converse is not true, some of the
  156.  
  157. hail that falls in the quadrant will
  158.  
  159. fall outside of the inscribed quarter
  160.  
  161. circle.
  162.  
  163.   And, because Sven is such a model of
  164.  
  165. an excellent farmer, we can assume
  166.  
  167. that he's planted each part of his
  168.  
  169. field equally as densely as any other
  170.  
  171. part.
  172.  
  173.   What we intend to measure is the
  174.  
  175. number of wheat stalks damaged by the
  176.  
  177. hail in the quadrant of our interest.
  178.  
  179. Not only are we interested in the
  180.  
  181. total number of wheat stalks damaged,
  182.  
  183. we're also interested in how many of
  184.  
  185. those stalks fell within the inscribed
  186.  
  187. circle.
  188.  
  189.   Probability theory tells us that if
  190.  
  191. we can measure the damage accurately,
  192.  
  193. we can derive some good stuff ... like
  194.  
  195. an approximation of the value of pi.
  196.  
  197.   Let's leave Sven, mourning over the
  198.  
  199. destruction of his wheat field, to
  200.  
  201. contemplate the wonders of probability
  202.  
  203. theory as they relate to the single
  204.  
  205. quadrant of Sven's field that we are
  206.  
  207. interested in.
  208.  
  209.   The science/art of probability is
  210.  
  211. not so arcane as to sound like Greek.
  212.  
  213. In fact, we can intuit the first law
  214.  
  215. that we're interested in. Let's derive
  216.  
  217. a rule of probability for determining
  218.  
  219. how many of the wheat stalks that are
  220.  
  221. damaged in this quadrant are inside
  222.  
  223. the quarter circle as well.
  224.  
  225.   If we simplify the problem by
  226.  
  227. dividing the quadrant into two equal
  228.  
  229. halves, we can restate the problem as
  230.  
  231. "How many of the wheat stalks that are
  232.  
  233. damaged in this quadrant will be in
  234.  
  235. the North half of this quadrant?"
  236.  
  237.   A good guess (and a correct one)
  238.  
  239. would be half of them, because we're
  240.  
  241. dealing with half of the area.
  242.  
  243.   We can generalize this guess to say
  244.  
  245. that the probability of a wheat stalk
  246.  
  247. in a given portion of a field being
  248.  
  249. damaged is represented by the ratio of
  250.  
  251. the area of the portion to the area of
  252.  
  253. the whole field.
  254.  
  255.   For the sake of simplification,
  256.  
  257. let's call the area circumscribed by
  258.  
  259. the quadrant Q (for quadrant) and
  260.  
  261. let's call the area of the quarter
  262.  
  263. circle that exists inside the
  264.  
  265. quadrant C (for circle).
  266.  
  267.   In formula-ese, we can now express
  268.  
  269. our discovered generality in the
  270.  
  271. following terms:
  272.  
  273.                   Area of C
  274.   Prob (w in C) = ---------
  275.                   Area of Q
  276.  
  277.   As more and more wheat stalks are
  278.  
  279. randomly damaged by the hail, this
  280.  
  281. formula can be restated as:
  282.  
  283.                   N(C)
  284.   Prob (w in C) = ----
  285.                   N(Q)
  286.  
  287. where N represents the number of
  288.  
  289. damaged wheat stalks observed in the
  290.  
  291. area.
  292.  
  293.   This substitution can also be
  294.  
  295. intuitively derived. Think of the
  296.  
  297. quadrant divided in half again. It's
  298.  
  299. entirely believable that if 100 wheat
  300.  
  301. stalks are damaged in the whole
  302.  
  303. quadrant then 50 of them will be found
  304.  
  305. in the north half. The above formula
  306.  
  307. just generalizes this rule.
  308.  
  309.   So much for theory, let's put it to
  310.  
  311. practice. Remember that the side of
  312.  
  313. the quadrant is equal to the radius of
  314.  
  315. the inscribed circle and that exactly
  316.  
  317. one-quarter of the circle lies within
  318.  
  319. the quadrant.
  320.  
  321.   Therefore, substituting the real
  322.  
  323. values of area into the first equation
  324.  
  325. gives us the following:
  326.  
  327.                         2
  328.   Area of C   (1/4) PI R
  329.   --------- = ----------- = (1/4) PI
  330.                    2
  331.   Area of Q       R
  332.  
  333.  
  334.   Substituting this result into the
  335.  
  336. second equation results in this
  337.  
  338. formula:
  339.  
  340.      >   N(C)
  341.   PI = 4 ----
  342.          N(Q)
  343.  
  344.  
  345.    Does the light begin to dawn?
  346.  
  347.   We left Sven waiting for the
  348.  
  349. insurance adjuster to come and inspect
  350.  
  351. the damage to his wheat.
  352.  
  353.   If each and every damaged wheat
  354.  
  355. stalk were counted and the resulting
  356.  
  357. values inserted into our formula for
  358.  
  359. pi, were should get a reasonable
  360.  
  361. approximation of 3.14159... (within .1
  362.  
  363. of accuracy).
  364.  
  365.   We don't intend to go out to Sven's
  366.  
  367. and count wheat stalks. That's too
  368.  
  369. much like work. Instead, we've devised
  370.  
  371. a simulation that pretty much depicts
  372.  
  373. the random destruction of the wheat by
  374.  
  375. the hail.
  376.  
  377.   The way it works, each dot
  378.  
  379. represents a damaged wheat stalk. The
  380.  
  381. program randomly places these dots,
  382.  
  383. thus simulating the dropping of hail
  384.  
  385. on the wheat. At all times, the
  386.  
  387. program is counting the number of dots
  388.  
  389. placed and their relationship to the
  390.  
  391. quadrant and the square.
  392.  
  393.   Run it from here and see two things:
  394.  
  395. the total destruction of Sven's wheat
  396.  
  397. and an interesting approximation of
  398.  
  399. the value of pi.  To see the current
  400.  
  401. approximation of pi, press the space
  402.  
  403. bar.  Then to return to the
  404.  
  405. destruction, press it again.  To exit
  406.  
  407. the program, press the 'Q' key.
  408.  
  409.  
  410. ---------< end of article >-----------
  411.