我需要在半径为R的圆内生成一个均匀随机点。
我意识到,只要在区间[0…2π),且在区间(0…R)我最终会有更多的点指向中心,因为对于两个给定的半径,小半径内的点会比大半径内的点彼此更接近。
我在这里找到了一篇关于这个的博客文章,但我不明白他的推理。我认为这是正确的,但我真的很想知道他从哪里得到(2/R2)×r以及他如何得到最终解。
更新:在发布这个问题7年之后,关于平方根算法背后的数学问题,我仍然没有得到一个令人满意的答案。所以我花了一天时间自己写了一个答案。链接到我的答案。
我需要在半径为R的圆内生成一个均匀随机点。
我意识到,只要在区间[0…2π),且在区间(0…R)我最终会有更多的点指向中心,因为对于两个给定的半径,小半径内的点会比大半径内的点彼此更接近。
我在这里找到了一篇关于这个的博客文章,但我不明白他的推理。我认为这是正确的,但我真的很想知道他从哪里得到(2/R2)×r以及他如何得到最终解。
更新:在发布这个问题7年之后,关于平方根算法背后的数学问题,我仍然没有得到一个令人满意的答案。所以我花了一天时间自己写了一个答案。链接到我的答案。
当前回答
这取决于你对"均匀随机"的定义。这是一个微妙的点,你可以在这里的wiki页面上阅读更多关于它的内容:http://en.wikipedia.org/wiki/Bertrand_paradox_%28probability%29,在这里同样的问题,对“均匀随机”给出不同的解释会给出不同的答案!
根据你如何选择这些点,分布可能会有所不同,即使它们在某种意义上是均匀随机的。
It seems like the blog entry is trying to make it uniformly random in the following sense: If you take a sub-circle of the circle, with the same center, then the probability that the point falls in that region is proportional to the area of the region. That, I believe, is attempting to follow the now standard interpretation of 'uniformly random' for 2D regions with areas defined on them: probability of a point falling in any region (with area well defined) is proportional to the area of that region.
其他回答
首先我们生成一个cdf[x]
一点到圆心的距离小于x的概率。假设圆的半径为R。
显然,如果x = 0,那么cdf[0] = 0
显然,如果x是R,则cdf[R] = 1
显然,如果x = r,则cdf[r] = (r^2)/(r^2)
这是因为圆上的每个“小区域”都有相同的被选中的概率,所以概率与问题区域成比例。距离圆心x的面积是r^2
所以cdf[x] = x^2/R^2因为两者相互抵消了
我们有cdf[x]=x^2/R^2其中x从0到R
我们解出x
R^2 cdf[x] = x^2
x = R Sqrt[ cdf[x] ]
现在我们可以用一个从0到1的随机数来替换cdf
x = R Sqrt[ RandomReal[{0,1}] ]
最后
r = R Sqrt[ RandomReal[{0,1}] ];
theta = 360 deg * RandomReal[{0,1}];
{r,theta}
我们得到极坐标 {0.601168 R, 311.915°}
这可能会帮助那些对选择速度算法感兴趣的人;最快的方法是(可能?)拒绝抽样。
只需在单位正方形内生成一个点,并拒绝它,直到它在圆内。如(伪代码),
def sample(r=1):
while True:
x = random(-1, 1)
y = random(-1, 1)
if x*x + y*y <= 1:
return (x, y) * r
虽然有时它可能运行不止一次或两次(而且它不是常量时间,也不适合并行执行),但它要快得多,因为它不使用像sin或cos这样复杂的公式。
朴素解不起作用的原因是它给了靠近圆中心的点更高的概率密度。换句话说,半径为r/2的圆被选中点的概率为r/2,但它的面积(点的数量)为*r^2/4。
因此,我们希望半径概率密度具有以下性质:
选择半径小于或等于给定r的概率必须与半径为r的圆的面积成正比(因为我们希望在点上有一个均匀的分布,面积越大意味着点越多)。
换句话说,我们希望在[0,r]之间选择半径的概率等于它在圆的总面积中所占的份额。圆的总面积是*R^2,半径为R的圆的面积是*R^2。因此,我们希望在[0,r]之间选择半径的概率为(pi*r^2)/(pi* r^2) = r^2/ r^2。
现在来算算:
The probability of choosing a radius between [0,r] is the integral of p(r) dr from 0 to r (that's just because we add all the probabilities of the smaller radii). Thus we want integral(p(r)dr) = r^2/R^2. We can clearly see that R^2 is a constant, so all we need to do is figure out which p(r), when integrated would give us something like r^2. The answer is clearly r * constant. integral(r * constant dr) = r^2/2 * constant. This has to be equal to r^2/R^2, therefore constant = 2/R^2. Thus you have the probability distribution p(r) = r * 2/R^2
Note: Another more intuitive way to think about the problem is to imagine that you are trying to give each circle of radius r a probability density equal to the proportion of the number of points it has on its circumference. Thus a circle which has radius r will have 2 * pi * r "points" on its circumference. The total number of points is pi * R^2. Thus you should give the circle r a probability equal to (2 * pi * r) / (pi * R^2) = 2 * r/R^2. This is much easier to understand and more intuitive, but it's not quite as mathematically sound.
我不知道这个问题是否还有新的答案,但我自己碰巧也遇到过同样的问题。我试着跟自己“讲道理”寻找解决办法,我找到了一个。这可能和一些人在这里提出的建议是一样的,但不管怎样,它是这样的:
in order for two elements of the circle's surface to be equal, assuming equal dr's, we must have dtheta1/dtheta2 = r2/r1. Writing expression of the probability for that element as P(r, theta) = P{ r1< r< r1 + dr, theta1< theta< theta + dtheta1} = f(r,theta)*dr*dtheta1, and setting the two probabilities (for r1 and r2) equal, we arrive to (assuming r and theta are independent) f(r1)/r1 = f(r2)/r2 = constant, which gives f(r) = c*r. And the rest, determining the constant c follows from the condition on f(r) being a PDF.
圆中的面积元是dA=rdr*dphi。这个额外的因子r破坏了你随机选择r和的想法。虽然phi分布平坦,但r不是,而是在1/r内平坦(也就是说,你更有可能击中边界而不是“靶心”)。
为了生成在圆上均匀分布的点从平面分布中选取r从1/r分布中选取。
或者使用Mehrdad提出的蒙特卡罗方法。
EDIT
要在1/r中选择一个随机的r,你可以从区间[1/ r,无穷]中选择一个随机的x,并计算r=1/x。R以1/ R为单位平坦分布。
为了计算一个随机的,从区间[0,1]中选择一个随机的x,并计算=2*pi*x。