Математические байки

Так вот, самое интересное. Холст тех времён штука неидеальная, расстояния между нитями могут быть чуть больше или чуть меньше, угол может быть чуть больше или чуть меньше, и так далее. Можно раскрасить картину по таким характеристикам — и получить раскраски для горизонтальных нитей и для вертикальных:

Образуется периодическая структура. И несложно объяснить компьютеру, как искать её периоды, вертикальный и горизонтальный: через преобразование Фурье. (Коллега комментирует, что можно научить компьютер считать частоту и ещё разными способами, а преобразование Фурье это скорее тот самый универсальный молоток, которым можно делать много что, в том числе и это; но раз в лекции Добеши Фурье, то я скажу "Фурье".)

(Тут и позитив и негатив.)

Картины пишут на холстах, на ткани (хорошо, не только — но забудем про все остальные варианты). Причём эту ткань обрабатывают свинцовыми белилами — чтобы она впитывала краску чуть менее сильно. А свинцовые белила (и потому и нити холста) хорошо видны на рентгене:

Эта история, которую я узнал из лекции Ингрид Добеши (https://www.youtube.com/watch?v=Z19uz6Bol3I&feature=youtu.be&t=160 ) на ICM-2018 в Рио — не совсем про математику, а про её применение в искусстве. Там было несколько сюжетов, но один из них — про холсты картин и преобразование Фурье. И мне кажется, это очень крутая история. (Я её пересказывал некоторое время назад, но в более узком кругу, и поскольку очень эту историю люблю — позволю себе повторить и тут.)

Всё!

И тем самым уже для любой кривой длины L матожидание числа пересечений равно 2L/πD.

Значит, матожидание равно 2. Ну а длина этой кривой — L=πD. Отсюда c=2/(πD).

Она всегда пересекает линии ровно в двух точках.

Так вот, давайте возьмём в качестве кривой иглы — окружность диаметра, равного расстоянию между линиями!

Итак, матожидание числа пересечений для кривой длины L равно c*L — где c от кривой не зависит. Осталось его найти.

Поэтому для прямой иголки число пересечений это аддитивная функция от её длины L — то есть c*L для некоторой константы c (если считать, что расстояние D между линиями фиксировано). А любую (гладкую) иголку можно разбить на много-много маленьких почти-прямых кусочков, и их будет столько же, сколько и для прямой иголки такой же длины — а значит, и матожидание будет таким же.

Так вот, несложно убедиться, что математическое ожидание пропорционально её длине. Потому что — если разбить иголку на несколько частей, то матожидание числа пересечений для всей иголки равно сумме матожиданий для частей (потому что каждая отдельная часть при бросании всей иголки тоже приземляется случайным образом; разные части зависимы, конечно, но аддитивности матожидания это не мешает).

Для прямой короткой иголки ничего не изменится: пересечений может быть либо 0, либо 1, поэтому вероятность и математическое ожидание тут совпадают.

А именно: давайте кидать кривую иголку произвольной формы — но смотреть уже не на вероятность пересечения, а на математическое ожидание их количества.

Не то, чтобы это было сложно посчитать (там один простой интеграл) — но интересно, что ответ можно получить вообще без выкладок!

Ответ: 2/π. А если расстояние между линиями равно D, а длина иголки L, и L