凸体的包含测度问题是积分几何中相当重要的课题之一.任德麟在80年代建立了二维和n维含于凸体内定长线段的的运动测度的系统理论, 推导出n维欧式空间中凸体的弦幂积分不等式, 提出了并解决了一系列复杂的几何概率课题[1-2].Santalo将平行线网格推广到平行带域网格, 同时将小针推广到凸域, 但他只研究了凸域直径不超过带域间距离的情况.任德麟作出了进一步推广, 取消凸域直径不超过带域的间距离这一限制, 而后其学生黎荣泽、张高勇讨论了相交的两组平行线网上的Buffon概率, 本文拟研究以正六边形和菱形为基本区域的复合网格中的Buffon问题.
定义2.1 以$\sigma$表示凸域$D$被直线$G$截出的弦长.当$G$仅与$\partial$$D$相交包括$G$是线段情形, 约定$\sigma$=0, $G$的表示取广义法式, 对任意给定的$\sigma$和${\varphi(0 \le \varphi \le 2\pi )}$, 令
称二元函数${p\left(\sigma, \varphi \right)}$为凸域的广义支持函数[1-3].
定义2.2 以${\sigma _M}(\varphi )$表示垂直于$\varphi$方向的直线$G$与凸域$D$截出的弦长最大值, 即
对任意给定的$l(l \ge 0)$及${\varphi(0 \le \varphi \le 2\pi )}$, 令
称二元函数$r(l, \varphi )$为凸域$D$的限弦函数[1-3].
考虑将长为$l$的小针投掷于以正六边形${K_1}$和菱形${K_2}$为基本区域的平面网格(如图 1所示)中, 研究小针与此网格相交的概率.
设${K_1}$、${K_2}$的面积和周长分别为${F_1}$、${F_2}$和${L_1}$、${L_2}$, 含于${K_1}$内小针的运动测度为${m_1}(l)$, 含于${K_2}$内小针的运动测度为$ {m_2}(l)$.
假设正六边形的边长为$a$, 则${F_1} = \frac{{3\sqrt 3 }}{2}{a^2}$, ${F_2} = \frac{{\sqrt 3 }}{2}{a^2}$.
取${n^2}$个边长为$a$的正方形组成以$na$为边长的大正方形, 含于大正方形内小针的运动测度为记为${m_3}(l)$, 当$n \to \infty $时
即为小针与此网格相遇的概率[5].
引理3.1 设${p\left(\sigma, \varphi \right)}$和$r(l, \varphi )$分别为凸域$D$的广义支撑函数和限弦函数, ${m}(l)$之定义同前, 则有
其中$F$为$D$之面积[1].
对于边长为$a$一个角为$\pi /3$的菱形建立如下坐标系
则此菱形的广义支撑函数为
限弦函数为
设$I = \int_0^{\frac{\pi }{2}} {d\varphi \int_0^{r(l, \varphi )} {pd\sigma } } $, 则分三种情况讨论
1. ${\kern 1pt} {\kern 1pt} l \in [0, \frac{{\sqrt 3 a}}{2})$,
2. ${\kern 1pt} {\kern 1pt} l \in [\frac{{\sqrt 3 a}}{2}, a)$,
3. ${\kern 1pt} l \in [a, \sqrt 3 a]$,
于是此菱形的运动测度为
将前面的结果代入可得
由上述方法还可以得到
正六边形内定长线段的运动测度[4]
大正方形内定长线段的运动测度
则小针与网格相交的概率
(i)当$l \in [0, \frac{{\sqrt 3 }}{2}a)$时,
(ii)当$l \in [\frac{{\sqrt 3 }}{2}a, a)$时,
(iii)当$l \in [a, \sqrt 3 a]$时,
(iv)当$l \in [\sqrt 3 a, 2a]$时,