你也可以用你的直觉。

圆的面积是*r^2

为r = 1

得到的面积是。让我们假设我们有某种函数f，它将N=10个点均匀分布在一个圆内。这个比值是10 /

现在我们把面积和点数翻倍

对于r=2和N=20

面积是4，比值是20/4或10/2。半径越大，比值就越小，因为它的增长是二次的，N是线性的。

为了解决这个问题，我们可以说

x = r^2
sqrt(x) = r

如果在极坐标下生成一个向量

length = random_0_1();
angle = random_0_2pi();

更多的点会落在中心周围。

length = sqrt(random_0_1());
angle = random_0_2pi();

长度不再是均匀分布的，但是向量现在是均匀分布的。

让我们像阿基米德那样处理这个问题。

我们如何在三角形ABC中均匀地生成一个点，其中|AB|=|BC|?让我们把它扩展到平行四边形ABCD。在ABCD中很容易均匀地生成点。我们均匀地选择AB上的X点和BC上的Y点并选择Z使XBYZ是一个平行四边形。为了在原始三角形中得到一个均匀选择的点，我们只需将ADC中出现的任何点沿AC折叠回ABC。

现在考虑一个圆。在极限情况下，我们可以把它想象成无穷多个等腰三角形ABC, B在原点，A和C在周长上，彼此逐渐接近。我们可以从这些三角形中选择一个角。所以我们现在需要通过在ABC条上选择一点来生成到中心的距离。同样，延伸到ABCD, D现在是圆中心半径的两倍。

使用上述方法可以很容易地在ABCD中选择一个随机点。在AB上随机选一个点，在BC上随机选一个点。Ie。在[0,R]上取一对随机数字x和y，给出离中心的距离。三角形是一条细条AB和BC本质上是平行的。所以Z点到原点的距离是x+y。如果x+y >r我们向下折叠。

这是R=1的完整算法。我希望你同意这很简单。它使用三角函数，但您可以保证它需要多长时间，以及需要多少次random()调用，这与拒绝抽样不同。

t = 2*pi*random()
u = random()+random()
r = if u>1 then 2-u else u
[r*cos(t), r*sin(t)]

这里是Mathematica。

f[] := Block[{u, t, r},
  u = Random[] + Random[];
  t = Random[] 2 Pi;
  r = If[u > 1, 2 - u, u];
  {r Cos[t], r Sin[t]}
]

ListPlot[Table[f[], {10000}], AspectRatio -> Automatic]

下面是我的Python代码，从半径为rad的圆中生成num个随机点:

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
rad = 10
num = 1000

t = np.random.uniform(0.0, 2.0*np.pi, num)
r = rad * np.sqrt(np.random.uniform(0.0, 1.0, num))
x = r * np.cos(t)
y = r * np.sin(t)

plt.plot(x, y, "ro", ms=1)
plt.axis([-15, 15, -15, 15])
plt.show()

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°}

设ρ(半径)和φ(方位角)是两个随机变量，对应于圆内任意一点的极坐标。如果这些点是均匀分布的，那么ρ和φ的分布函数是什么?

对于任意r: 0 < r < r，半径坐标ρ小于r的概率为

P[ρ < r] = P[点在半径r的圆内]= S1 / S0 =(r/ r)2

其中S1和S0分别是半径为r和r的圆的面积。 因此，CDF可表示为:

          0          if r<=0
  CDF =   (r/R)**2   if 0 < r <= R
          1          if r > R

和PDF格式:

PDF = d/dr(CDF) = 2 * (r/R**2) (0 < r <= R).

请注意，对于R=1随机变量根号(X)，其中X在[0,1]上是一致的，有这个确切的CDF(因为P[根号(X) < y] = P[X < y**2] = y**2对于0 < y <= 1)。

φ在0 ~ 2*π范围内分布明显均匀。现在你可以创建随机极坐标，并使用三角方程将其转换为笛卡尔坐标:

x = ρ * cos(φ)
y = ρ * sin(φ)

忍不住要发布R=1的python代码。

from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np

rho = np.sqrt(np.random.uniform(0, 1, 5000))
phi = np.random.uniform(0, 2*np.pi, 5000)

x = rho * np.cos(phi)
y = rho * np.sin(phi)

plt.scatter(x, y, s = 4)

你会得到

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.